DE4344565C1 - Vorrichtung zum Messen von Lasten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Lasten mit einer rotationssymmetrischen Meßfeder, die eine zentrale Krafteinleitungsstelle aufweist, welche zur Aufnahme eines Kraftübertragungsstempels vorgesehen ist, und mit einem konzen­ trisch zu der zentralen Krafteinleitungsstelle angeordneten ringförmigen Krafteinleitungsabschnitt. Eine derartige Vorrich­ tung ist beispielsweise aus der US 4815547 bekannt. Bei der bekannten Wägezelle ist die zentrale Krafteinleitungsstelle zur Aufnahme eines Kraftübertragungsstempels als Sackbohrung mit ebener Stirnfläche ausgeführt. Diese Art der Krafteinleitung hat sich, insbesondere in Bezug auf die Linearität des Meßsignales, als sehr problematisch herausgestellt, da sich der genaue Ort der Krafteinleitung während der Belastung durch Verformungen an den Kontaktflächen und durch die Verformung der Meßfeder selbst verändert. Bedingt durch diese Veränderung des Krafteinleitungsortes ändert sich auch das die Verformung der Meßfeder verursachende Moment, was zu den genannten Nichtlinea­ ritäten führt.

Um Wägezellen mit hoher Linearität zu erhalten wurden daher bislang Ausführungen bevorzugt, die statt einer zentralen Krafteinleitung über ein Krafteinleitungsrohr verfügen. Diese Wägezellen arbeiten zwar hochgenau, beanspruchen jedoch eine nicht unerhebliche Bauhöhe.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungs­ gemäße Vorrichtung zum Messen von Lasten zu schaffen, die sich neben einer geringen Bauhöhe auch durch eine besonders gute Linearität auszeichnet. Dies soll mit möglichst geringem bauli­ chem Aufwand und mit einer Meßfeder erfolgen, die einen sehr niedrigen Fertigungsaufwand erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zentrale Krafteinleitungsstelle einen Ringwulst zur Beaufschla­ gung durch den Kraftübertragungsstempel aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vor­ gesehen, daß die Krafteinleitungsstelle in der biegeneutralen Ebene angeordnet ist, wodurch die Meßvorrichtung sehr unemp­ findlich gegenüber Querbelastungen ist. Die Krafteinleitungs­ stelle ist vorzugsweise in einem Bereich geringer Verformung vorgesehen.

Zum Ausgleich von Winkelfehlern bei der Montage ist es von Vor­ teil, wenn die die zentrale Krafteinleitungsstelle beaufschla­ gende Stirnseite des Kraftübertragungsstempels kegelförmig ist oder die Form einer Kugelkalotte aufweist.

Zur reibungs- und querkraftfreien Krafteinleitung ist es außer­ dem von Vorteil, wenn der Ringwulst einen abgerundeten Quer­ schnitt besitzt. Eine weitere Variante sieht vor, daß der Ring­ wulst kegelförmige Kontur aufweist und das krafteinleitende Gegenstück die Form einer Kugelkalotte besitzt. Zur Kompensa­ tion von im Betrieb auftretenden Winkeländerungen und horizon­ talen Dehnungen eignet sich eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Beaufschlagung der Vorrichtung durch die Last über mindestens eine elastomere Zwischenschicht erfolgt. Eine weitere vorteilhafte Ausführung besitzt eine Abhebesicherung, welche zwischen der Meßfeder und dem Kraftübertragungsstempel vorgesehen ist.

Aufbau und Funktion der Erfindung werden im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels be­ schrieben.

Die Fig. 1 zeigt die Verwendung der Erfindung in einer Brückenwaage. Selbstverständlich ist jedoch auch ein Einsatz in anderen Waagen oder als Kraftaufnehmer möglich. Die Vorrichtung befindet sich zwischen einer Grundplatte 1 und der Waagenbrücke 2. Auf der Grundplatte 1 stützt sich der Kraftübertragungsstem­ pel 3 ab, welcher durch den Haltering 4, der fest mit der Grundplatte 1 verbunden ist, gegen horizontales Verschieben, gesichert ist. Die von der Grundplatte 1 abgewandte Stirnseite des Kraftübertragungsstempels 3 ist als Kugelkalotte 6 ausge­ bildet und dient der Beaufschlagung der Meßfeder 5.

Die Meßfeder 5 ist ein rotationssymmetrischer Körper aus rost­ freiem Stahl mit einer zentralen Krafteinleitungsstelle 7 und einem rohrförmigen Krafteinleitungsabschnitt 8. Dazwischen liegt der eigentliche Verformungsabschnitt 9, der als Biegering ausgebildet ist, an dessen einer Stirnseite die Dehnungsauf­ nehmer 10 und an dessen anderer Stirnseite die Dehnungsaufneh­ mer 11 angebracht sind. Der durch die Ringkerbe 9a gebildete Krafteinleitungsabschnitt 8 hat die Funktion eines Gelenkes.

Bei Belastung der Meßfeder 5 wird die die Dehnungsaufnehmer 10 tragende Stirnseite radial nach innen und die die Dehnungsauf­ nehmer 11 tragende Stirnseite radial nach außen um den Dreh­ punkt 12 bewegt. Dadurch sensieren die Dehnungsaufnehmer 10 eine Stauchung, während die Dehnungsaufnehmer 11 gedehnt wer­ den. Das Signal der als Dehnungsmeßstreifen ausgebildeten Deh­ nungsaufnehmer 10 und 11 ist proportional zur Belastung der Meßvorrichtung.

Das für die Verdrehung des Verformungsabschnitts 9 verantwort­ liche Biegemoment ist stark vom Ort der Krafteinleitung abhän­ gig. Während die Krafteinleitung über den Krafteinleitungsabschnitt 8 unproblematisch ist, so ist zur Beibehaltung eines definierten Krafteinleitungsortes während der Verformung die zentrale Krafteinleitungsstelle 7 der Meßfeder 5 mit einem konzentri­ schen Ringwulst 13 versehen, der der Beaufschlagung durch den Kraftübertragungsstempel 3 dient.

Durch die Anordnung dieses Ringwulstes 13 bleibt der Abstand zwischen der Kontaktfläche Meßfeder 5/Kraftübertragungsstempel 3 und dem Drehpunkt 12 stets konstant. Dadurch läßt sich eine ausgezeichnete Linearität des Meßsignales erzielen.

Durch die Ausbildung der Kontaktfläche am Kraftübertragungs­ stempel 3 als Kugelkalotte 6 können Winkelfehler beim Einbau leicht kompensiert werden, da sich auch bei nichtfluchtenden Längsachsen der Meßfeder 5 und des Kraftübertragungsstempels 3 die Krafteinleitungsbedingungen nicht ändern.

Zur Kompensation von Winkelveränderungen und horizontaler Ver­ schiebungen während des Betriebes erfolgt die Krafteinleitung von der Waagenbrücke 2 auf die Meßfeder 5 über die elastomere Zwischenschicht 14. Zur Waagenbrücke 2 hin ist die Meßfeder 5 durch die Platte 15 geschlossen, unterhalb der eine weitere Platte 16 angeordnet ist, die die Verschaltung der Dehnungsauf­ nehmer sowie Kompensations- und Abgleichwiderstände und andere Teile der Aufnehmerelektronik trägt. Zur Weiterleitung des Meßsignales an ein Auswerte- und/oder Anzeigegerät ist ein Kabel 17 seitlich aus der Meßfeder 5 geführt. In an sich be­ kannter Weise ist zwischen der Meßfeder 5 und dem Kraftüber­ tragungsstempel 3 eine (nicht dargestellte) Aushebesicherung angeordnet.

Die Kombination aus Krafteinleitungsrohr und gegenüberliegender zentraler Krafteinleitungsstelle 7 begünstigt den Bau eines wassergeschützten Aufnehmers, da sich ohne großen Ferti­ gungsaufwand - beispielsweise Kapselung durch ein zusätzliches Gehäuse - die Aufnehmerelektronik abdichten läßt.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher auf die elastomere Zwischenschicht verzichtet wird. Gemäß dieser Ausführungsform erfolgt die Krafteinleitung auf die Meßfeder 5 über ein Pendeldruckstück 20 unter Zwischen­ schaltung eines zusätzlichen planparallelen Druckstückes 21. Die das Druckstück 21 beaufschlagende Stirnfläche 22 des Pen­ deldruckstückes 20 ist als Kugelkalotte ausgebildet. Dies ge­ stattet dem Pendeldruckstück 20 ein Kippen um mehrere Winkel­ grade durch Abrollen auf dem Druckstück 21. Ein Abplatten der Kugelkalotte im Kontaktbereich hat dabei keinen Einfluß auf die Linearität der Meßvorrichtung.

Die Funktion der konstanten Krafteinleitungsbedingungen in die Meßfeder 5 ist dabei durch Ringwulst 13 und Druckstück 21 ge­ löst; die Funktion des Winkelausgleichs und des Ausgleichs horizontaler Verschiebungen wird durch das Pendeldruckstück 20 mit seinen beiden balligen Stirnflächen 22 und 23 gelöst. Diese Lösung gestattet größere Winkeländerungen als die Ausführung gemäß Fig. 1, darüberhinaus werden trotz großer horizontaler Verschiebbarkeit die sich dadurch einstellenden Horizontalkräf­ te klein gehalten.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Messen von Lasten mit einer rotationssym­ metrischen Meßfeder, die eine zentrale Krafteinleitungs­ stelle aufweist, welche zur Aufnahme eines Kraftübertra­ gungsstempels vorgesehen ist, und mit einem konzentrisch zu der zentralen Krafteinleitungsstelle angeordneten ringför­ migen Krafteinleitungsabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Krafteinleitungsstelle (7) einen Ringwulst (13) zur Beaufschlagung durch den Kraftübertragungsstempel (3, 20, 21) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitungsstelle (7) in der biegeneutralen Ebene der Meßfeder (5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die die Krafteinleitungsstelle (7) beaufschlagende Stirnseite des Kraftübertragungsstem­ pels (3) kegelförmig ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Krafteinleitungsstelle (7) beaufschlagende Stirnseite des Kraftübertragungsstempels (3, 20) die Form einer Kugelkalotte (6) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ringwulst (13) einen abgerun­ deten Querschnitt besitzt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung der Vorrich­ tung durch die Last über mindestens eine elastomere Zwi­ schenschicht (14) erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Meßfeder (5) und dem Kraftübertragungsstempel (3) eine Aushebesicherung vorgese­ hen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung des Ringwul­ stes (13) durch ein planparalleles Druckstück (21) erfolgt, welches durch ein Pendeldruckstück (20) beaufschlagt ist.