DE4110356A1 - Kraftmessvorrichtung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßvorrichtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 22 und eine derartige Kraftmeßvorrichtungen verwendende mehrdimensionale Kraftmeßeinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 21.

Bei Kraftmeßvorrichtungen besteht häufig das Problem, daß aufgrund von Toleranzen bzw. einer Wärmeausdehnung der Lasteinleitungselemente oder des Fundaments und aufgrund von Schwankungen in der Belastung oder einer seitlichen Beaufschlagung, etwa durch Windstöße oder dergleichen, die Kraftmeßvorrichtung außerhalb der gewünschten senkrechten Kraftrichtung erheblich beeinträchtigt wird.

Fig. 7 zeigt beispielsweise ein Silo 70, das über Kraftmeßvorrichtungen 110 und entsprechende Abstützungen 74 auf einem Fundament 72 aufgestellt ist. Über seitliche Flansche 78 des Silos 70 werden die Kraftmeßvorrichtungen 110 belastet. Je nach Füllgrad des Silos 70 kann ein Durchbiegen der Flansche 78 auftreten, so daß die Planparallelität in den Kraftmeßvorrichtungen 110 variieren kann. Durch Wärmeausdehnung kann sich der Abstand zwischen den zentralen Achsen der Kraftmeßvorrichtungen 110 auf der Krafteinleitungsseite erheblich gegenüber der Abstützungsseite verschieben. Bei starkem Seitenwind erfolgt ein Verschwenken des Silos 70 um eine horizontale Achse, was wiederum die Planparallelität in den Kraftmeßvorrichtungen 110 beeinflußt, die von vornherein Schwankungen unterworfen ist. Auch ein Verdrehen um eine vertikale Achse ist kaum zu vermeiden. Es müssen deshalb besondere Vorkehrungen getroffen werden, mit denen die notwendigen Freiheitsgrade der Bewegung gewährleistet werden, ohne die Kraftmeßvorrichtung in der Meßgenauigkeit zu beeinflussen oder gar zu zerstören.

Die EP-PS 02 05 509 beschreibt eine Kraftmeßvorrichtung, bei der als Krafteinleitungselement ein Kolben in einer verhältnismäßig hohen zylindrischen Ausnehmung in einem Topfgehäuse unter Bildung eines engen Ringspalts angeordnet ist, der mit elastomerem Material gefüllt ist, das fest an den Kontaktflächen haftet. Der Kolben wirkt über weiteres elastomeres Material auf einen Drucksensor. Das elastomere Material überträgt die senkrechte Kraftkomponente vollständig auf den Drucksensor, während seitliche Kraftkomponenten vom Kolben über das elastomere Material im Ringspalt auf das Topfgehäuse übertragen werden. Die bekannte Kraftmeßvorrichtung besitzt eine verhältnismäßig hohe Meßgenauigkeit, ihre Herstellung ist jedoch noch relativ aufwendig, und die Anbringung ist kompliziert, wenn die vorgenannten Einflüsse ausgeschaltet werden sollen.

Die FR-OS 21 26 695 beschreibt eine Kraftmeßzelle, bei der zwischen zwei Platten ein quaderförmiger Block aus elastomerem Material eingesetzt ist, in den ein Drucksensor eingebettet ist. Eine derartige Kraftmeßvorrichtung ist jedoch relativ ungenau, da sich bei Kraftanwendung der elastomere Block seitlich ausdehnt, was eine erhebliche Hysterese und Nichtlinearität der Meßergebnisse zur Folge hat.

Der Erfindung liegt deshalb die prinzipielle Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßvorrichtung zu schaffen, die gegenüber den eingangs genannten Einflüssen unempfindlich ist. Ferner ist eine Kraftmeßvorrichtung anzugeben, die einfach aufgebaut und einfach herstellbar ist und eine verhältnismäßig hohe Meßgenauigkeit besitzt. Sie soll außerdem von sich aus Rückstellkräfte zur Aufrichtung entwickeln, wobei die notwendigen Freiheitsgrade ohne zusätzliche Bauelemente erzielt werden sollen.

Die erfindungsgemäße Kraftmeßvorrichtung besitzt die Merkmale des Patentanspruchs 1; ein Herstellungsverfahren die Merkmale des Patentanspruchs 22.

Eine derartige Vorrichtungen verwendende Kraftmeßeinheit ist in Anspruch 21 gekennzeichnet.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung bzw. des Herstellungsverfahrens sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die radial unelastische Einschließung des elastomeren Materials verhindert einerseits eine radiale Ausdehnung und damit eine Hysterese und Nichtlinearität im Meßergebnis; zum anderen ergibt sich eine derartige Flexibilität, daß erhebliche Toleranzen bei den verbundenen oder anliegenden Elementen ausgeglichen werden. Es ergibt sich praktisch ein messendes Gummimetallelement, das mit hoher Steifheit in senkrechter Richtung wirkt, während ein Nachgeben winkelmäßig, in horizontaler Richtung als auch bei Schwenken um eine horizontale Achse oder ein Verdrehen um eine vertikale Achse gegeben ist.

Die Verwendung des elastomeren Materials führt zu einer erheblichen Schwingungsdämpfung mit einer von der Steifheit abhängigen, sehr hohen Eigenfrequenz.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtung und des Herstellungsverfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1a bis f Vertikalschnitte durch eine Kraftmeßvorrichtung, die ein Kraftübertragungselement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet und verschiedene Modifikationen davon;

Fig. 2a bis c Ansichten ähnlich der Fig. 1a einer zweiten Ausführungsform, die von der der Fig. 1a bezüglich des Kraftübertragungselements abgewandelt ist;

Fig. 3a und b Vertikalschnitte von dritten, ringförmigen Ausführungsbeispielen;

Fig. 4a bis c Vertikalschnitte von vierten blockförmigen Ausführungsbeispielen;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch eine Kraftmeßvorrichtung, die beispielsweise ein Kraftübertragungselement gemäß der Fig. 4a verwendet;

Fig. 6a bis c Ansichten von Kraftmeßvorrichtungen gemäß fünfter Ausführungsbeispiele der Erfindung mit flachen, im wesentlichen selbsttragenden Kraftübertragungselementen;

Fig. 7 ein Schema eines Systems als Beispiel für die Anwendung erfindungsgemäßer Kraftmeßvorrichtungen; und

Fig. 8 eine mehrdimensionale Kraftmeßeinheit mit mehreren Kraftmeßvorrichtungen gemäß den Ausführungsbeispielen.

Fig. 1 zeigt eine Kraftmeßvorrichtung 110 mit einer oberen und einer unteren Platte 12 bzw. 16, zwischen denen ein Kraftübertragungselement aus elastomerem Material in Form eines Blocks 114 angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung ist dieser vornehmlich zylindrische Block 114 umfangsmäßig von einem Mantel umgeben, wobei dieser Mantel aus einem sich praktisch in radialer Richtung nicht dehnenden Material besteht, während er in allen anderen Richtungen elastisch nachgebend ist.

Beim Ausführungsbeispiel ist dazu der Block 114 von einem Balg 118 umgeben, wobei das elastomere Material fest daran haftet.

Während die obere Platte 12, wie mit 20 in Fig. 1b angedeutet, an einem krafteinleitenden Element, etwa einem Silo, einer Brückenplattform oder dergleichen befestigt werden kann, stützt sich die untere Platte 16 auf einer in Fig. 1a nicht gezeigten Basis ab und kann auf dieser, wie bei 22 angedeutet, festgeschraubt werden.

Die untere Platte 16 weist eine vornehmlich zentrale Öffnung 26 auf, in die ein Drucksensor 30 eingesetzt ist, der direkt mit dem elastomeren Material des Blocks 114 in Kontakt ist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird, wie in Fig. 1a gezeigt, der Drucksensor 30 durch einen keramischen, topfförmigen Sensorkörper dargestellt, der an seiner Unterseite mit entsprechenden Druckwandlerelementen wie einer Brückenschaltung aus Dickfilmwiderständen versehen ist (vgl. DE-OS 39 07 202 und Deutsche Patentanmeldung P 40 03 048.2). Das Innere des Sensorkörpers ist ebenfalls mit elastomerem Material gefüllt. Es kann jedoch auch unter Bildung eines Ringspalts und eines Bodenraumes ein Kolben eingesetzt sein, der von elastomerem Material umgeben ist.

Unterhalb des Drucksensors 30 kann etwa auf einer Abdeckplatte 28 eine elektronische Sensorschaltung 34 (Verstärker, Umsetzer) aufgebracht sein, die auch, wie mit 36 angedeutet, an der Seitenwand der Öffnung 26 angebracht werden kann und über ein nicht gezeigtes, durch eine Radialbohrung 32 geführtes Kabel mit einer nicht gezeigten Auswerte- oder Anzeigevorrichtung in Verbindung steht.

Aus Fig. 1b läßt sich deutlich erkennen, wie die Kraftmeßvorrichtung 110 unter Einwirkung horizontaler Kräfte bzw. von Kräften reagiert, die ein Schwenken um eine horizontale Achse verursachen. Eine ähnliche Wirkung kann durch einen Versatz der zentralen Achse oder durch Toleranzen in dem krafteinleitenden Element oder ein Verdrehen um eine vertikale Achse hervorgerufen werden. Während die axiale Elastizität des Balges 118 eine asymmetrische Verformung des Blocks 114 in axialer Richtung zuläßt, verhindert der Balg 118 ein seitliches Auseinanderquellen des Blocks 114. Es wird somit eine erhebliche Steifheit in senkrechter Richtung erzielt, während eine horizontale Flexibilität und eine solche in Schwenk- und Drehrichtung vorhanden ist. Ferner ist zu beachten, daß aufgrund der Elastizität des Blocks 114 und des Balges 118 eine Rückstell- oder Gegenkraft ausgeübt wird mit der Tendenz, die Platte 12 in Normallage, also axial ausgerichtet und planparallel zur Platte 16 zu bringen.

Wie in Fig. 1c angedeutet, können bei allen Ausführungsbeispielen Begrenzungsvorrichtungen für die relative Bewegung zwischen der Deckplatte 12 und der Bodenplatte 16 vorgesehen sein.

Fig. 1c zeigt eine Ausführungsform einer Begrenzungsvorrichtung mit einem unteren umlaufenden Höhen- und Seitenbegrenzungsanschlag 133 in Rohrform mit oberem Innenflansch, wobei die Oberkante gleichzeitig als Anschlag für eine vertikale Überlastung dient. Als Gegenstück ist an der Unterseite der Platte 12 ein oberer Höhen- und Seitenbewegungsanschlag 135 komplementär dazu befestigt, wobei die gegenseitige Anordnung derart getroffen ist, daß ein gewisses seitliches Spiel (und eine Verdrehmöglichkeit) sowie ein gewisses Spiel für die Bewegung der Platte 12 nach oben gegeben ist.

Fig. 1d zeigt eine gegenüber der Form nach Fig. 1a geringfügig abgewandelte Ausführungsform einer Kraftmeßvorrichtung 110. Insbesondere ist hierbei die Platte 12 durch einen Ring 142 ersetzt, der eine innere Platte 149 unter Bildung eines engen Ringspalts 148 umgibt. Der Ringspalt 148 ist mit elastomerem Material gefüllt, das fest an den Kontaktflächen haftet und so die Platte 149 mit dem Ring 142 verbindet. Der Ring 142 steht dabei in ortsfester, starrer Beziehung mit der Bodenplatte 16. Die senkrechte Führung der inneren Platte 149 durch das elastomere Material im Ringspalt 148 gewährleistet, daß ein Großteil von etwaigen Querkräften abgeleitet wird und nur restliche Querkräfte durch das Kraftübertragungselement, also den Block 114 zu kompensieren sind.

Fig. 1e zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Begrenzung einer seitlichen Bewegung einer Deckplatte 141 relativ zur Bodenplatte 16 durch einen Ring 143 erfolgt, der starr mit der Bodenplatte 16 verbunden ist. Der Ring 143 besitzt eine zentrale Öffnung 137, in die mit größerem Spiel ein Stempel 139 eingeführt ist, dessen untere Stirnseite mit dem Block 114 und dem Balg 118 verbunden ist und der nach oben hin an der Deckplatte 141 angebracht ist.

Fig. 1f zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der der in den Balg 118 gefaßte Block 114 von außen noch dadurch elastisch gestützt wird, daß der Balg 118 von weiterem elastomerem Material 144 umgeben ist, das fest an der Innenseite eines das Material 144 umgebenden Rings 145 haftet.

Die obere Platte 12 (Fig. 1a) ist ersetzt durch eine Deckplatte 142, an deren Unterseite ein Stempel 142a angebracht ist, der umfangsmäßig dem mittleren Durchmesser des Balges 118 entspricht. Die aneinanderliegenden Stirnflächen des Blocks 114 bzw. des Stempels 142a sind in fester Haftverbindung miteinander, wie dies übrigens auch bei den mit dem elastomeren Material des Blocks 114 in Kontakt befindlichen Metallflächen der Platten 12 und 16 der Fall ist.

Die Bodenplatte 16 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1a ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fig. 1f ersetzt durch eine Bodenplatte 146, die ebenfalls einen erhabenen Stempel 147 mit einem Außendurchmesser aufweist, der dem mittleren Durchmesser des Balges 118 entspricht.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Balg 118 von außen gestützt wird, so daß bei entsprechender Kompensation von Querkräften auch große Kräfte angelegt bzw. übertragen werden können.

In den Fig. 2a, 2b und 2c sind Ausführungsbeispiele von Kraftmeßvorrichtungen 140, 150 und 153 dargestellt, die sich aus Abwandlungen des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 1a bis 1f ergeben.

Die Abwandlung betrifft die Ausbildung des Mantels. An die Stelle des Balges 118 mit einer größeren Anzahl von Wülsten tritt ein Mantel 148 mit nur einer Wulst (Fig. 2a) bzw. ein Mantel 151, der eine gekrümmte, insbesondere kreisförmige Außenkontur aufweist (Fig. 2b).

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2c ist noch weiter dahingehend abgewandelt, daß die Deckplatte 12 wegfällt und der Mantel 154 derart geformt ist, daß er die Aufgabe der Deckplatte 12 (Fig. 1a) übernimmt. Während bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der Mantel eine im Prinzip zylindrische Ausbildung mit oben und unten offenen Stirnenden aufweist, ist der Mantel 154 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2c an seiner oberen Stirnseite abgeschlossen. Lediglich beispielsweise ist hier die Form einer zentralen Vertiefung 158 mit umlaufender Rundwulst 155 gewählt. In der durch den Mantel 154 an seiner Stirnseite gebildeten Vertiefung 158 kann ein Krafteinleitungselement 156 eingesetzt sein.

Die untere Kante 157 ist umlaufend an der Bodenplatte 16 in geeigneter Weise befestigt, etwa durch Schweißen, Kleben oder Schrauben, was übrigens auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen der Fall sein kann.

An dieser Stelle sei etwas näher auf die Eigenschaften des Mantels und seine Verbindung mit dem Block 114 eingegangen.

Wie gesagt, soll der Balg 118 bzw. der Mantel 148, 151, 154 derart beschaffen sein, daß er sich radial nicht ausdehnt, während er in anderen Richtungen vorzugsweise federnd elastisch ist. Als Material kommt dabei Metall, ein Gewebe aus nicht dehnbaren Fasern oder Kunststoff oder ein Schlauch in Frage, die mit entsprechenden Einlagen verstärkt sind.

Das elastomere Material des Blocks 114 soll fest an der Oberfläche des Balgs bzw. Mantels haften und wird vorzugsweise anvulkanisiert. Das elastomere Material, etwa Natur- oder Silikonkautschuk, wird im wesentlichen blasenfrei in dem auf die Bodenplatte 16 aufgesetzten und daran befestigten Balg bzw. Mantel eingefüllt, etwa unter Anwendung von Vakuum, oder es wird ein Blasenentfernungsverfahren angewandt, wie es beispielsweise in der EP-PS 01 45 001 beschrieben ist. Das feste Haften wird dadurch erreicht, daß das Metall vor dem Vulkanisieren mit einem entsprechenden Primer oder einem anderen Benetzungsmittel überzogen wird. Es ergibt sich somit eine Kolben-/Zy­ linderanordnung mit definiertem, gleichbleibendem Querschnitt.

Fig. 3a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer ringförmig ausgestalteten Kraftmeßvorrichtung 160, die prinzipiell unter Verwendung der Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele aufgebaut ist.

Bei dieser Kraftmeßvorrichtung 160 besitzen die obere und untere Platte 52 bzw. 56 zentrale Öffnungen 66 bzw. 67, durch die eine etwa mit einem Kopf versehene Kolbenstange geführt werden kann.

Ein Block 164 aus elastomerem Material ist in diesem Falle ringförmig ausgebildet, wobei die äußere und innere Umfangsfläche begrenzt wird durch einen äußeren bzw. einen inneren Mantel, insbesondere Balg 168 bzw. 167.

Die untere Platte 56 kann dabei mit mehreren gleich beabstandeten Öffnungen 26 versehen sein, in die wiederum Drucksensoren 30 eingesetzt sind. Bei ungleichförmiger Kraftanwendung können an den Drucksensoren 30 unterschiedliche Drücke auftreten, aus denen sich dann durch Kombination der Meßwerte die tatsächliche Kraft feststellen läßt (vgl. Deutsche Patentanmeldung P 40 23 747.8). Soll nur ein einziger Drucksensor 30 verwendet werden, dann läßt sich eine gleichförmige Druckverteilung und vollständige Druckübertragung dadurch erzielen, daß vorzugsweise in der Nähe des Drucksensors 30 in einem ringförmig verlaufenden Kanal ein niedrigviskoses bis flüssiges Übertragungsmedium eingebracht wird (vgl. Deutsche Patentanmeldung P 40 02 910.7). Auch diese Maßnahme beeinflußt die Steifigkeit bzw. Elastizität des Kraftübertragungselements.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3b ist die Anordnung nach Fig. 3a abgewandelt mit einem inneren und einem äußeren Mantelring 177, 178.

Die Fig. 4a, 4b und 5 zeigen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kraftmeßeinrichtungen, bei denen der Drucksensor 30 in einen Block 184 aus elastomerem Material eingebettet ist.

Insbesondere zeigt Fig. 4a ein Kraftmeßelement 180, in dem ein formbeständiger Ringkörper 82 mit Abdeckplatte 83 einschließlich des von ihm gestützten Drucksensors 30 einvulkanisiert ist, wobei wiederum das elastomere Material an den Kontaktflächen fest haftet. Eine Leitung 84 entsprechend der Leitung 32 der Fig. 1 führt aus dem Block 184, etwa gehalten durch einen einvulkanisierten Ring 85, heraus. Da der Ring 85 zwischen einem oberen und unteren Ringbalg 186 angeordnet ist, bleibt die Elastizität des Blocks 184 erhalten.

Bei dieser Ausführungsform ist der Balg aus dem oberen und unteren Ring in dem elastomeren Material des Blocks 184 eingebettet. Es wird dabei die gleiche Wirkung erzielt wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1f, wobei jedoch die Herstellung, etwa durch Gießen des Blocks 184, vereinfacht wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a ist zu beachten, daß sowohl die obere als auch die untere Platte 12 bzw. 16 fehlen, so daß sich diese Kraftmeßvorrichtung 180 in beliebiger Weise zwischen zwei Elemente einsetzen läßt, wie dies in Fig. 5 veranschaulicht ist. Die beiden einfassenden Elemente sind beispielsweise Platten 87 und 88, die mit dem Querschnitt des Kraftmeßelements 190 entsprechenden Vertiefungen 89 versehen sind, die sich ggf. nach außen erweitern. Ein Anwendungsbeispiel wäre die Abstützung eines Maschinenfußes 90 auf einem Fundament 91. Bei dem Kraftmeßelement 190 der Fig. 5 ist abweichend von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4a der Ring 85 im unteren Bereich des elastomeren Blocks 184, und es ist nur ein Balg 196 eingebettet.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4b zeigt eine Kraftmeßvorrichtung 185, die gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a dahingehend abgewandelt ist, daß die obere und/oder untere Deckfläche mit einer dünnen Platte 93 bzw. 94, etwa aus Metall, abgedeckt ist, wobei die Platte(n) am Block 184 anvulkanisiert sind.

Bei einer Abwandlung dieser Ausführungsform können die Platten 93 bzw. 94 auch im Block 184 einvulkanisiert sein.

Eine weitere Modifikation der Ausführungsbeispiele der Fig. 4a, 4b und 5 ergibt sich dadurch, daß anstelle des Ringes 85 eine Platte aus formbeständigen Material, etwa Metall, Keramik oder Kunststoff einvulkanisiert ist, die umfangsmäßig verteilt mit Öffnungen versehen ist, so daß das elastomere Material des Blocks 184 oberhalb und unterhalb der Platte in direkter Druckübertragung steht, da die Öffnungen mit elastomerem Material gefüllt sind.

Die Fig. 6a bis 6c zeigen eine sechste Ausführungsform der Erfindung mit Modifikationen, die sich auf eine besonders kompakte, insbesondere flache, selbständige bzw. selbsttragende Kraftmeßvorrichtung bezieht.

Die Fig. 6a zeigt eine Kraftmeßvorrichtung 200 mit einem flachen Block 204 aus elastomerem Material, der zwischen zwei Halbschalen 202 und 206 eingefaßt ist, die an seitlich überstehenden Rändern 207 in geeigneter Weise, etwa durch Schweißen, Kleben, Fügen oder Nieten miteinander verbunden sind.

In Draufsicht kann die Scheibe kreisförmig sein oder auch eine beliebige andere Form aufweisen. Der Drucksensor 30 ist wiederum in dem Block 204 in einer Weise eingebettet, wie sie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert wurde.

Der Vorteil dieser Ausführungsform ist der einfache Einsatz und die günstige Fertigung. Um den Block 204 mit eingegossenem Drucksensor 30 werden die Halbschalen 202, 206 gelegt und umfangsmäßig am Rand 207 zusammengepreßt und dort verbunden. Im Einsatz wird die flache Vorrichtung auf eine ebene Unterlage gelegt und steht sofort zur Messung zur Verfügung. Sie läßt sich bequem unter jeden Gegenstand schieben, dessen Masse bestimmt werden soll.

Bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 6b ist eine Kraftmeßvorrichtung 210 ringförmig ausgebildet, wobei ein ringförmiger elastomerer Block 214 von entsprechend geformten Halbschalen 212, 216 umgeben ist, die am Außenrand 217 und an einem Innenrand 219 miteinander verbunden sind. Der Innenrand 219 kann eine zentrale Öffnung 218 offenlassen. Bei dieser Ausführungsform können mehrere Drucksensoren 30 umfangsmäßig vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet werden. Andererseits besteht auch hier die Möglichkeit, mit nur einem Drucksensor 30 zu arbeiten und zur einwandfreien Druckübertragung im Block 214 einen Ring aus Flüssigkeit oder niedrigviskosem Material anzuordnen.

Fig. 6c zeigt eine bandartige Ausführungsform einer Kraftmeßvorrichtung 220, bei der ein streifen- oder bandförmiger Block 224 aus elastomerem Material von einem Mantel 222 umgeben ist. Über die Länge der Vorrichtung können mehrere Drucksensoren 30 in vornehmlich gleichem Abstand voneinander verteilt sein. Eine derartige bandförmige Kraftmeßvorrichtung 220 läßt sich beispielsweise zur Achslastbestimmung von Fahrzeugen quer zu dessen Fahrtrichtung legen bzw. im Boden versenken. Bei entsprechender Elastizität und Empfindlichkeit kann eine derartige bandförmige Kraftmeßvorrichtung 220 zur Füllstandsanzeige in Silos oder anderen Großbehältern dienen, in die das Band eingetaucht wird.

Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ein keramischer Topfsensor verwendet wird, lassen sich auch beliebige andere Drucksensoren bei entsprechender Gestaltung der Öffnung 26 einsetzen. Auch andere Ausführungsformen des Mantels sind möglich, etwa ein den Block 114 eng einfassendes, nicht dehnbares Fasergewebe aus Metall, Glas, Kohlenstoff oder Kunststoff oder eine Art Schlauch mit entsprechender Versteifung. Insbesondere für hohe Drücke werden die Platten 12 und 16 aus Metall gefertigt sein, bei niedrigeren Drücken käme auch eine Ausführung in Keramik oder einem anderen formbeständigen Material in Frage. Beispielsweise könnte an der Öffnung 26 auch eine Kraftmeßkerze gemäß der Deutschen Patentanmeldung P 40 03 048.2 angesetzt werden, oder es wird über der Öffnung 26 an der Unterseite ein Drucksensor angeflanscht, dessen Membran bzw. anderes Druckaufnahmeelement die Öffnung 26 überdeckt.

Wie bereits vorstehend ausgeführt, läßt sich bei entsprechender Dimensionierung, Ausbildung und Anordnung des Mantels eine kontrollierte Weichheit in radialer bzw. winkelmäßiger Auslenkungsrichtung und in horizontaler Verdrehrichtung erzielen, wobei eine derartige Weichheit auch durch Wahl der Shore-Härte des elastomeren Materials beeinflußt wird. Die von der Kraftmeßvorrichtung bei Auslenkungen erzeugte Rückstellkraft läßt sich somit in weiten Grenzen variieren.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform einer Kraftmeßeinheit 250, die verdeutlicht, wie das erfindungsgemäße Prinzip mit Vorteil für eine mehrdimensionale Kraftmessung eingesetzt werden kann.

Im einzelnen ist für die beispielsweise zweidimensionale Messung eine Basis 252 vorgesehen mit einer zentralen, vornehmlich viereckpyramidenstumpfförmigen Vertiefung mit zwei sich gegenüberliegenden Schrägflächen 253, auf denen sich je eine Kraftmeßvorrichtung 254, beispielsweise ähnlich denjenigen nach den Fig. 4a, 4b oder 5 abstützt. Bei der vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise symmetrischen Anordnung sind die Schrägflächen 253 zueinander unter einem beliebigen, jedoch vorzugsweise annähernd rechten Winkel angeordnet. Die Krafteinleitung erfolgt über ein Krafteinleitungselement 258, dessen dachförmig zueinander verlaufende Flächen 255 gegen die oberen Flächen der Kraftmeßvorrichtungen 254 anliegen; die Flächen 255 stehen jeweils senkrecht auf den Richtungsvektoren der jeweils zu messenden Kraftkomponenten. Beim Ausführungsbeispiel bilden sie einen rechten Winkel miteinander.

Das Krafteinleitungselement 258 besitzt beispielsweise die Form eines Dreieckprismas, wobei auf der nach oben gerichteten Basisfläche eine Vertiefung 259 vorgesehen sein kann, auf deren horizontal, d. h. zu den Flächen 255 unter 45° verlaufendem Boden eine Krafteinleitungskalotte 257 befestigt sein kann.

Wie durch die Kraftpfeile angedeutet, werden auf die Krafteinleitungskalotte 257 ausgeübte Kräfte auf die beiden Meßvorrichtungen 254 verteilt, so daß sich nicht nur deren Größe sondern auch deren Richtung feststellen läßt. Bei einer zweidimensionalen Anordnung werden Kräfte bzw. Kraftkomponenten gemessen, deren Vektoren in einer Ebene verlaufen, in der sich auch die Zentralachsen 260 der Kraftmeßvorrichtungen 254 erstrecken.

Es ist ersichtlich, daß die beiden Kraftmeßvorrichtungen 254 nicht symmetrisch angeordnet sein müssen. Ferner erkennt man, daß eine Erweiterung auf eine dreidimensionale Messung ohne weiteres dadurch möglich ist, daß man anstelle einer Viereckpyramidenstumpf-Vertiefung 259 einen dreieckigen Querschnitt wählt und drei Kraftmeßvorrichtungen 254 mit jeweils 120° Winkelversetzung anordnet.

Mit der erfindungsgemäßen Kraftmeßeinheit lassen sich auch Momente bzw. Momentkomponenten feststellen, die beispielsweise an einem Punkt M angreifen, der sich als Schnittpunkt der zentralen Längsachsen der Kraftmeßvorrichtungen 254 ergibt. Konstruktiv könnte dazu das Krafteinleitungselement 258 durch ein Gerüst oder jeweils eine Stange ersetzt werden, die sich von der Krafteinleitungsseite jeder Kraftmeßvorrichtung 254 zum Schnittpunkt M hin erstreckt. Bei entsprechender Umrechnung in der Auswertevorrichtung kann der Kraft- bzw. Momentenangriffspunkt auch an einer beliebigen anderen Stelle liegen.

Es sei darauf hingewiesen, daß für eine derartige mehrdimensionale Kraftmeßeinheit nicht nur die Kraftmeßvorrichtungen 180, 185, 190 gemäß den Fig. 4a, 4b und 5 einsetzbar sind, sondern auch alle anderen Kraftmeßvorrichtungen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.

Insbesondere ist darauf hinzuweisen, daß darüberhinaus Kraftmeßvorrichtungen einsetzbar sind, die anstelle des Mantels lediglich ein Korsett aufweisen, wie dies in der Deutschen Patentanmeldung P 41 02 931.3 im einzelnen beschrieben sind.

Schließlich sei noch erwähnt, daß etwa bei einer zu erwartenden sehr ungleichen Kräfteverteilung die Kraftmeßvorrichtungen 254 nicht identisch sein müssen, sondern für unterschiedliche Kraftbereiche ausgelegt sein können, um die Genauigkeit der Messung zu verbessern.

Gerade das Anwendungsbeispiel einer mehrdimensionalen Kraftmeßeinheit 250 läßt deutlich den großen Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtungen 254 etc. erkennen. Jegliche Schrägstellung des Krafteinleitungselements 258 wird ohne weiteres durch elastisches Ausweichen der Kraftmeßvorrichtungen 254 kompensiert.

Obwohl vorstehend verschiedene Variationen und Modifikationen von Kraftmeßvorrichtungen erläutert wurden, lassen sich die aufgezeigten Merkmale auch in beliebigen anderen Kombinationen für Kraftmeßvorrichtungen verwenden, die an die verschiedensten Anwendungen angepaßt werden können.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtungen werden beispielsweise zunächst die Platten 12, 16 bzw. 52, 56 vorgefertigt, in die die Drucksensoren 30 in die Öffnungen 26 der Platten 16, 56 eingesetzt werden. Der Balg oder Mantel 118, 168 etc. wird innen mit einem Benetzungsmittel vorbehandelt, mit der vorbereiteten, vorzugsweise flüssigen Materialmischung für das elastomere Material gefüllt, etwa eingegossen, eingespritzt, eingepreßt oder dgl. und das Material verfestigt, etwa ausgehärtet, abgebunden, vulkanisiert, etc., was vom verwendeten Ausgangsmaterial abhängt. Gegebenenfalls kann das Vulkanisieren des elastomeren Materials an der Platte 16 bzw. 56 durch Temperaturanwendung auf die Platte 16 bzw. 56 während oder nach der Aushärtung erreicht bzw. beschleunigt werden. Bei den Ausführungsformen nach Fig. 4a, 4b und 5 erfolgt das Gießen in einer Form, in der der Balg oder Mantel eingesetzt wurde. Alternativ zu dem Gießen des Blocks kann dieser auch von einer vorgefertigten Stange abgelängt werden. Bei dem Gießen bzw. Vorfertigen ist darauf zu achten, daß jede Blasenbildung vermieden wird (vgl. z. B. EP-PS 2 05 509). Dies kann durch Vakuumanwendung oder Schleudern erreicht werden.

Die obere Platte 12 bzw. 52 wird entweder nach dem Aushärten, vorzugsweise aber bereits nach dem Einfüllen des Materials aufgesetzt. Alternativ dazu kann die obere Platte 12 bzw. 52 auch bereits vor dem Einfüllen des Materials aufgesetzt sein, wobei dann in der Platte neben einer Einfüllöffnung Öffnungen zum Austreten der vom einfließenden Material verdrängten Luft vorgesehen sind.

Wird als elastomeres Material ein Kunststoff verwendet, so läßt sich dessen Weichheit je nach Zusammensetzung in weiten Grenzen variieren, so daß auch Shore-Härten bis zu 200 erzielbar sind.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß der Block aus elastomerem Material bzw. das erfindungsgemäße Kraftübertragungselement auch als solches in beliebigem Zusammenhang einsetzbar ist und zwar überall dort, wo bei der Kraftübertragung zu einem Meßelement die eingangs erwähnten Einflüsse ausgeschaltet werden sollen.

Andererseits kann eine fest haftende Verbindung des elastomeren Blocks mit der oberen und/oder unteren Platte von Bedeutung sein, was wie angegeben durch Vulkanisation nach Vorbehandlung erzielt wird.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind prinzipieller Art. Die erfindungsgemäße Maßnahme, nämlich einen in einen Mantel eingefaßten elastomeren Block zur Kraftübertragung zu verwenden, läßt sich bei den verschiedensten Kraftmeßvorrichtungen anwenden, wie sie beispielsweise in folgenden Druckschriften im einzelnen erläutert sind: EP 01 45 001, EP 02 05 509, DE-OS 37 25 917, DE-OS 38 18 126 und DE-OS 40 23 948.

Ein mit Vorzug verwendbarer keramischer Sensor ist näher beschrieben in den Druckschriften EP 03 33 091, DE-OS 39 07 202 und P 40 02 910.7.

Eine besondere Ausführungsform ergibt sich bei flächigen Kraftmeßvorrichtungen, etwa Plattformwaagen (vgl. DE-PS 33 44 901.5). Hier wird zwischen zwei verhältnismäßig großen planparallelen Platten in eine Elastomerschicht eine größere Anzahl von Drucksensoren eingebettet, wobei die Elastomerschicht wiederum umfangsmäßig mit einem Mantel gefaßt wird, der ein Herausquellen des Elastomers verhindert.

Abschließend sei nochmals auf Fig. 7 verwiesen, aus der aufgrund der vorstehenden Erläuterungen und Ausführungsbeispiele deutlich wird, mit welchem erheblichen Vorteil Kraftmeßvorrichtungen gemäß der Erfindung einsetzbar sind.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtung können Einflüsse aufgrund von Wärmedehnungen, Belastungsdurchbiegungen und Seitenkräften, etwa durch Wind und/oder Drehbewegungen um eine vertikale Achse, ausgeglichen werden.

Ähnliche Abstützungen können bei beliebigen anderen Einrichtungen erfolgen, bei denen eine Kraftmessung mit hoher Genauigkeit gewünscht ist, beispielsweise bei Brücken, Maschinen und dergleichen. Die Platten 12 und 16 können dabei auch eine beliebige andere Form besitzen, soweit die Stirnflächen des Blocks 114 vollständig abgedeckt sind.

Claims (27)

1. Kraftmeßvorrichtung mit einem Kraftübertragungselement aus einem Block aus im wesentlichen inkompressiblem elastomeren Material, zur Übertragung von Kräften auf mindestens einen Kraft- oder Drucksensor, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (114; 164; 174; 184; 204; 214; 224) umfangsmäßig von einem in radialer Richtung annähernd unelastischen, in axialer (Kraft-)Richtung verformbaren Mantel (118; 148; 151; 154; 168; 177; 178; 186; 196; 202, 206; 212, 216; 222) eingefaßt ist.

2. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus mindestens einem Balg (118; 167, 168) aus Metall, einem unelastischen Gewebe, Schlauch oder Kunststoff besteht.

3. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (148; 151; 154, 202, 206; 212, 216; 222; 226) aus Blechmaterial bzw. als Kunststoffschicht ausgebildet ist.

4. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel, insbesondere der Balg (118; 186; 196) in dem elastomeren Material des Blocks (114, 144; 184) zumindest zu einem großen Teil eingebettet, insbesondere eingegossen ist.

5. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material fest an dem Mantel (118; 148; 151; 154; 168; 177; 178; 186; 196; 202, 206; 212, 216; 222) haftet.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (z. B. 114; 164) des Kraftübertragungselements mit einem Krafteinleitungselement (12; 52) in Kontakt ist.

7. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Drucksensor(en) (30) in dem elastomeren Material des Blocks (z. B. 184) eingebettet ist (sind).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Drucksensor(en) (30) in das Krafteinleitungselement (12; 52) oder bevorzugt in das Kraftaufnahmeelement (16; 56) eingesetzt ist (sind).

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material an dem Krafteinleitungselement (12; 52) und/oder dem Kraftaufnahmeelement (16; 56) fest haftet, bevorzugt anvulkanisiert ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (30) ein Topfgehäuse mit Boden als Meßmembran aufweist und im Innern mit elastomerem Material gefüllt ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (30) in einer Ausnehmung (26) bevorzugt des Kraftaufnahmeelements (16) austauschbar eingesetzt ist, in der auch eine Sensorschaltung (34, 36) untergebracht sein kann.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungselement (160; 170; 210) ringförmig ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Krafteinleitungselement (52) und/oder das Kraftaufnahmeelement (56) mit einer zentralen Öffnung (66, 68; 219) versehen sind/ist und daß der Block (164; 174; 214) aus elastomerem Material ringförmig ist und sowohl außen als auch innen umfangsmäßig in einen Mantel (167, 168; 177, 178; 212, 216) gefaßt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ringförmigen elastomeren Block (z. B. 164) vorzugsweise in der Nähe des bzw. der Drucksensor(en) (30) ein ringförmiger Kanal ausgebildet ist, der mit einem niedrigviskosen bis flüssigen Druckübertragungsmedium gefüllt ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (184) an seiner Ober- und/oder Unterseite mit einer dünnen Metallplatte abgedeckt ist, die auch in dem elastomeren Material des Blocks (184) eingebettet sein kann.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Drucksensor(en) (30) in einem formbeständigen Abstützkörper (82) gehalten ist (sind), der in den Block (z. B. 184) integriert ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstützkörper eine Lochplatte ist, deren Löcher mit elastomerem Material durchgehend gefüllt sind.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bewegungsbegrenzungsvorrichtungen (32, 34, 36, 133, 135; 143), die zwischen dem Krafteinleitungselement (z. B. 12; 141) und dem Kraftaufnahmeelement (z. B. 16) angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (204; 214; 224) verhältnismäßig flach, insbesondere scheiben-, ring- oder bandförmig ausgebildet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus zwei Teil-, insbesondere Halbschalen (202, 206; 212, 216) besteht, die an einen Außenrand (207; 217) miteinander verbunden sind.

21. Mehrdimensionale Kraft- und/oder Momentmeßeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Basis (252) in Richtung (260) jeder zu messenden Kraftkomponente je eine Kraftmeßvorrichtung (z. B. 254) insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche abgestützt ist, während die jeweilige Krafteinleitungsseite jeder Kraftmeßvorrichtung (254) von einem gemeinsamen Kraft- bzw. Momentenangriffspunkt (M) in der Richtung (260) der jeweils zu messenden Kraftkomponente beaufschlagt wird.

22. Verfahren zum Herstellen einer Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß elastomeres Material zur Blockformung in einen Mantel eingebracht, vorzugsweise eingegossen wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material an den Kontaktflächen des Mantels fest haftet.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel, der vorzugsweise aus Metall ist, mit einem Benetzungsmittel behandelt und dann das elastomere Material in den Mantel eingebracht und insbesondere vulkanisiert wird.

25. Verwendung von Kraftmeßvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Abstützung für zu wiegende oder überwachende Einrichtungen, wie Silos, Bunker, Brücken, Maschinen oder dgl.

26. Verwendung von Kraftübertragungselementen oder Kraftmeßvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 18 für eine großflächige Plattformwaage aus zwei planparallelen Platten, bei der die eine größere Anzahl von Drucksensoren verteilt enthaltende Zwischenschicht vom Mantel umgeben ist.

27. Verwendung von Kraftmeßvorrichtungen nach einem der Ansprüche 19 bis 21 als selbstständige Wiegeeinheit.