WO2007124947A2 - Axialkraftaufnehmer - Google Patents

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WO2007124947A2
WO2007124947A2 PCT/EP2007/003822 EP2007003822W WO2007124947A2 WO 2007124947 A2 WO2007124947 A2 WO 2007124947A2 EP 2007003822 W EP2007003822 W EP 2007003822W WO 2007124947 A2 WO2007124947 A2 WO 2007124947A2
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deformation
bore
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Joachim Hose-Von Wolfframsdorff
Oliver Jost
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Tecsis Gmbh
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    • G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance
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    • G01G3/141—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being disc or ring shaped
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01L1/2231—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being disc- or ring-shaped, adapted for measuring a force along a single direction
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/12—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring axial thrust in a rotary shaft, e.g. of propulsion plants

Definitions

  • the invention relates to a Axialkraftaufsacrificing with a rotationally symmetrical to the force introduction axis, forming a measuring spring deformation body and arranged in pairs in regions of opposite directed strain, connected to an electrical resistance bridge strain gauges.
  • Such Axialkraftaufsacrificing which are also referred to as load cells, convert the proportional to the axial force to be measured strain in areas of the measuring spring forming deformation by means of an electrical resistance bridge in an electrical signal.
  • the electrical resistance bridge is usually designed as Wheatstone's full bridge with four measuring resistors.
  • the resistors of the electrical resistance bridge formed by the strain gauges must be subjected to pairwise oppositely directed expansions (strains with different signs) when the deformation body is loaded.
  • strains with different signs the areas of the deformation body that meet these conditions and therefore are suitable for receiving the strain gauges are usually spatially far apart, so that the use of a compact force-measuring element is practically impossible.
  • the object of the invention is therefore to form a Axialkraftaufillon of the type mentioned so that the oppositely directed strains exposed strain gauges are arranged spatially close to each other.
  • the deformation body has a radially expanded at axial force centric receiving bore whose bore edge via a ring frame with an axial distance to
  • Receiving bore arranged deformation plate is connected, the disc edge radially projecting beyond the ring frame, and that the strain gauges are applied to the end face on the deformation plate in pairs inside and outside the diameter of the ring frame.
  • Strain gauges are detected. This optimally creates the mechanical prerequisite for a Wheatstone full bridge.
  • strain gauges arranged in approximately the same radial distance from the central diameter of the ring frame. It is expedient if the strain gauges are arranged at an angular distance of 90 ° to each other.
  • annular frame and the deformation disk form an integral sensor body, which coincides with the bore edge of the measuring spring
  • Deformation body is connected.
  • the sensor body equipped with the strain gauges forms a compact measuring element for detecting the load-proportional deformation of the bore edge of the measuring spring.
  • This sensor body can be used in measuring springs of different sizes and different design, with the measuring springs only the - A -
  • Requirement is that they have a receiving bore for the sensor body whose bore edge is deformed load-dependent.
  • the sensor body Since the sensor body is not in the force flow of the axial force to be measured, it can be carried out with very low intrinsic stiffness regardless of the respectively provided nominal load of the Axialkraftierillons and can therefore be installed in measuring springs for small loads.
  • the sensor body inserted into the receiving bore of the measuring spring of the axial force transducer divides the radial deformation of the receiving bore into opposite expansions and thus forms the basis for optimum strain detection by means of a full bridge circuit.
  • strain gauges forming the full bridge, the compensating resistors and resistors for zero point adjustment can be connected together on an am Sensor body to be applied carriers are formed, so that a further application of the sensor body with strain gauges, Lotstutzddlingen and the like is fallen down. With the sensor thus created, it is thus possible to equip Axialkraftaufsacrificing cost-effectively with a standardized sensor.
  • FIGS. 1 and 2 shows the sensor body of the axial force transducer shown in FIGS. 1 and 2 with the strain gauges applied thereto, the strains being plotted over the diameter of the deformation disk of the sensor body in a diagram
  • FIG Fig. 4 is a view of the sensor body in the direction of arrow IV in Fig. 3, wherein the interconnection of the strain gauges to a Wheatstone 'see Vollbrucke is shown schematically.
  • the Axialkraftaufillon shown in Figs. 1 and 2 has a measuring spring forming a deformation body 1, which is formed substantially napfformig.
  • a cylindrical ring 2 of the deformation body 1 is connected to a cup bottom 3 einstuckig having an axially projecting force introduction ring 4.
  • the compressive force F to be measured is applied to the force introduction ring 4 and removed via a support ring 5 onto a support surface 6.
  • the cup bottom 3 is designed in its central region as a substantially flexible membrane ring 7 which surrounds a receiving bore 8.
  • the receiving bore 8 is preferably by cohesive connection a einstuckiger sensor body
  • the sensor body 9 has a ring frame 10, which is formed in the illustrated embodiment as a hollow cylindrical ring.
  • the annular frame 10 is via a radially projecting
  • the ring frame 10 is connected to an axial distance to Receiving bore 8 arranged, relatively thin deformation disc 13 is connected, the disc edge 14 projects radially beyond the annular frame 10.
  • the deformation plate 13 carries on its front side (in FIGS. 1-3 below) four strain gauges 15, 16 and 17, 18. Although these strain gauges 15-18 are actually arranged at an angular distance of 90 ° to each other, as shown in FIG. 4, these strain gauges 15-18 are shown more clearly in FIG. 3 in the sectional plane.
  • Strain gauges 15, 16 executed with radial measuring direction. Instead, the strain gauges be performed with tangential direction of measurement to detect the same occurring there in the circumferential direction of elongation.
  • the Axialkraftaufsacrificing was described as Druckkraftaufsacrificing. If the deformation body 1 is designed so that the absorption of tensile forces is possible, for example via a (not shown) connecting thread, then the design as a pressure and / or Buchkraftaufillon is possible.
  • the strain gauges 15, 16 and 17, 18 are interconnected to form a solid electrical resistance bridge, the voltage supply V and signal output S are indicated.
  • the ratio of the absolute elongation amounts at the strain gauges 15, 16 and 17, 18 is about 1: 4.

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Abstract

Ein Axialkraftaufnehmer weist einen zur Krafteinleitungsachse rotationssymmetrischen, eine Messfeder bildenden Verformungskörper (1) und paarweise in Bereichen entgegengesetzt gerichteter Dehnung angeordnete, zu einer elektrischen Widerstandsbrücke geschaltete Dehnungsmessstreifen (15, 18) auf. Der Verformungskörper (1) hat eine bei Axialkraft radial gedehnte zentrische Aufnahmebohrung (8), deren Bohrungsrand (12) über eine Ringzarge (10) mit einer in axialem Abstand zur Aufnahmebohrung (8) angeordneten Verformungsscheibe (13) verbunden ist. Deren Scheibenrand (14) springt über die Ringzarge (10) radial vor. Die Dehnungsmessstreifen (15, 18) sind stirnseitig auf der Verformungsscheibe (13) paarweise innerhalb und außerhalb des Durchmessers der Ringzarge (10) appliziert.

Description

Axialkraftaufnehmer
Die Erfindung betrifft einen Axialkraftaufnehmer mit einem zur Krafteinleitungsachse rotationssymmetrischen, eine Messfeder bildenden Verformungskorper und mit paarweise in Bereichen entgegengesetzt gerichteter Dehnung angeordneten, zu einer elektrischen Widerstandsbrucke geschalteten Dehnungsmessstreifen.
Derartige Axialkraftaufnehmer, die auch als Kraftmessdosen bezeichnet werden, wandeln die der zu messenden Axialkraft proportionale Dehnung in Bereichen des die Messfeder bildenden Verformungskorpers mittels einer elektrischen Widerstandsbrucke in ein elektrisches Signal um. Die elektrische Widerstandsbrucke ist üblicherweise als Wheatstone' sehe Vollbrucke mit vier messenden Widerstanden ausgeführt.
Für diese Bruckenschaltung müssen die von den Dehnungsmessstreifen gebildeten Widerstände der elektrischen Widerstandsbrucke bei der Belastung des Verformungskorpers jeweils paarweise mit entgegengesetzt gerichteten Dehnungen (Dehnungen mit unterschiedlichen Vorzeichen) beaufschlagt werden. Bei den herkömmlichen Axialkraftaufnehmern liegen die Bereiche des Verformungskorpers, die diesen Bedingungen entsprechen und deshalb zur Aufnahme der Dehnungsmessstreifen geeignet sind, üblicherweise raumlich weit auseinander, so dass der Einsatz eines kompakten kraftmessenden Elements praktisch ausgeschlossen ist. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Axialkraftaufnehmer der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass die den entgegengesetzt gerichteten Dehnungen ausgesetzten Dehnungsmessstreifen räumlich nahe beieinander angeordnet sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Verformungskörper eine bei Axialkraft radial gedehnte zentrische Aufnahmebohrung aufweist, deren Bohrungsrand über eine Ringzarge mit einer in axialem Abstand zur
Aufnahmebohrung angeordneten Verformungsscheibe verbunden ist, deren Scheibenrand über die Ringzarge radial vorspringt, und dass die Dehnungsmessstreifen stirnseitig auf der Verformungsscheibe paarweise innerhalb und außerhalb des Durchmessers der Ringzarge appliziert sind.
Die am Bohrungsrand der Aufnahmebohrung bei axialer Druckbelastung des Verformungskörpers auftretende, über den Umfang gleichmäßig verteilte radiale Dehnung bewirkt eine Verformung der Verformungsscheibe in der Weise, dass ein innerhalb des Durchmessers der Ringzarge liegender, das eine Paar von Dehnungsmessstreifen tragender Bereich eine negative Dehnung (Stauchung) erfährt, während gleichzeitig ein außerhalb des Durchmessers der Ringzarge liegender Bereich des Scheibenrandes, der das andere Paar von Dehnungsmessstreifen trägt, eine positive Dehnung erfährt .
Wird statt der Druckkraft eine Zugkraft auf den Verformungskörper ausgeübt, beispielsweise über ein Anschlussgewinde, so kehren sich die beschriebenen Dehnungsverhältnisse um. Im Bereich innerhalb des Durchmessers der Ringzarge kommt es zu einer positiven Dehnung, während am Scheibenrand eine negative Dehnung (Stauchung) auftritt. Der Axialkraftaufnehmer kann daher als Druck- und/oder Zugkraftaufnehmer ausgeführt werden. Somit werden aus der durch die Belastung verursachten, gleichgerichteten Dehnung des Bohrungsrandes des die Messfeder bildenden Verformungskörpers zwei Zonen mit entgegengesetzt gerichteten Dehnungen erzeugt. Hierbei können radiale oder tangentiale Dehnungen von den mit entsprechender Messrichtung applizierten
Dehnungsmessstreifen erfasst werden. Damit wird in optimaler Weise die mechanische Voraussetzung für eine Wheatstone' sehe Vollbrücke geschaffen.
Vorzugsweise sind die beiden Paare von
Dehnungsmessstreifen in angenähert gleichem radialem Abstand zum mittleren Durchmesser der Ringzarge angeordnet. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Dehnungsmessstreifen in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Ringzarge und die Verformungsscheibe einen einstückigen Sensorkörper bilden, der mit dem Bohrungsrand des die Messfeder bildenden
Verformungskörpers verbunden ist. Der mit den Dehnungsmessstreifen bestückte Sensorkörper bildet ein kompaktes Messelement zur Erfassung der lastproportionalen Verformung des Bohrungsrandes der Messfeder. Dieser Sensorkörper kann in Messfedern unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher Gestaltung eingesetzt werden, wobei an die Messfedern nur die - A -
Anforderung zu stellen ist, dass sie eine Aufnahmebohrung für den Sensorkörper aufweisen, deren Bohrungsrand lastabhängig verformt wird.
Da der Sensorkörper nicht im Kraftfluss der zu messenden Axialkraft liegt, kann er unabhängig von der jeweils vorgesehenen Nennlast des Axialkraftaufnehmers mit sehr geringer Eigensteifigkeit ausgeführt werden und kann deshalb auch in Messfedern für kleine Lasten eingebaut werden.
Der in die Aufnahmebohrung der Messfeder des Axialkraftaufnehmers eingesetzte Sensorkorper teilt die Radialverformung der Aufnahmebohrung in entgegengesetzte Dehnungen auf und bildet damit die Grundlage für die optimale Dehnungserfassung durch eine Vollbrückenschaltung.
Besonders vorteilhaft ist, dass außer den die Brückenschaltung bildenden Dehnungsmessstreifen auch Kompensationswiderstände und Elemente für den Nullpunktabgleich auf kleinster Fläche auf dem Sensorkörper angebracht werden können. Der so geschaffene Sensor ist daher für Störungseinflüsse besonders unanfällig. Insbesondere werden Störungen des
Messvorgangs durch Temperaturunterschiede an räumlich weiter voneinander entfernten Dehnungsmessstreifen weitestgehend ausgeschlossen.
Die die Vollbrücke bildenden Dehnungsmessstreifen, die Kompensationswiderstände und Widerstände zum Nullpunktabgleich können gemeinsam an einem am Sensorkorper zu applizierenden Trager ausgebildet werden, so dass eine weitere Applikation des Sensorkorpers mit Dehnungsmessstreifen, Lotstutzpunkten und dergleichen hinfallig ist. Mit dem so geschaffenen Sensor ist es somit möglich, Axialkraftaufnehmer mit einer standardisierten Sensorik kostengünstig auszustatten.
Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteranspruche .
Die Erfindung wird nachfolgend an einem
Ausfuhrungsbeispiel naher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Axialkraftaufnehmer im Axialschnitt in unbelastetem Zustand,
Fig. 2 den Axialkraftaufnehmer nach Fig. 1 im belasteten, verformten Zustand, wobei die Verformung der deutlicheren Darstellung halber übersteigert dargestellt ist,
Fig. 3 den Sensorkorper des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Axialkraftaufnehmers mit den daran applizierten Dehnungsmessstreifen, wobei in einem Diagramm die Dehnungen über den Durchmesser der Verformungsscheibe des Sensorkorpers aufgetragen sind, und Fig. 4 eine Ansicht des Sensorkorpers in Richtung des Pfeiles IV in Fig. 3, wobei die Zusammenschaltung der Dehnungsmessstreifen zu einer Wheatstone' sehen Vollbrucke schematisch dargestellt ist.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Axialkraftaufnehmer weist einen eine Messfeder bildenden Verformungskorper 1 auf, der im Wesentlichen napfformig ausgebildet ist. Ein zylindrischer Ring 2 des Verformungskorpers 1 ist mit einem Napfboden 3 einstuckig verbunden, der einen axial vorspringenden Krafteinleitungsring 4 aufweist. Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet, wird die zu messende Druckkraft F auf den Krafteinleitungsring 4 aufgebracht und über einen Stutzring 5 auf eine Stutzflache 6 abgetragen.
Der Napfboden 3 ist in seinem zentralen Bereich als ein im Wesentlichen biegeweicher Membranring 7 ausgeführt, der eine Aufnahmebohrung 8 umgibt.
In der Aufnahmebohrung 8 ist vorzugsweise durch stoffschlussige Verbindung ein einstuckiger Sensorkorper
9 angebracht .
Der Sensorkorper 9 weist eine Ringzarge 10 auf, die bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel als hohlzylindrischer Ring ausgebildet ist. Die Ringzarge 10 ist über einen radial vorspringenden
Krafteinleitungsflansch 11 mit dem Bohrungsrand 12 der Aufnahmebohrung 8 verbunden.
Die Ringzarge 10 ist mit einer in axialem Abstand zur Aufnahmebohrung 8 angeordneten, verhältnismäßig dünnen Verformungsscheibe 13 verbunden, deren Scheibenrand 14 über die Ringzarge 10 radial vorspringt.
Einzelheiten des in der Aufnahmebohrung 8 angebrachten Sensorkorpers 9 und der darauf applizierten Dehnungsmessstreifen sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt.
Die Verformungsscheibe 13 tragt auf ihrer Stirnseite (in den Fig. 1 - 3 unten liegend) vier Dehnungsmessstreifen 15, 16 und 17, 18. Obwohl diese Dehnungsmessstreifen 15 - 18 tatsächlich in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind, wie man aus Fig. 4 erkennt, sind diese Dehnungsmessstreifen 15 - 18 der deutlicheren Darstellung halber in Fig. 3 in der Schnittebene dargestellt.
Man erkennt, dass bei der Verformung der Messfeder unter Axialkraft im Bereich innerhalb des Durchmessers der Ringzarge 10 an der Stirnseite 13a der Verformungsscheibe 13 eine Stauchung (negative radiale oder tangentiale Dehnung) auftritt, die durch die dort applizierten Dehnungsmessstreifen 17 und 18 erfasst wird.
Am Scheibenrand 14 tritt gleichzeitig eine positive radiale oder tangentiale Dehnung auf, die von den dort stirnseitig applizierten Dehnungsmessstreifen 15 bis 18 erfasst wird.
Bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind die
Dehnungsmessstreifen 15, 16 mit radialer Messrichtung ausgeführt. Statt dessen können die Dehnungsmessstreifen auch mit tangentialer Messrichtung ausgeführt sein, um die dort gleichzeitig in Umfangsrichtung auftretende Dehnung zu erfassen.
Der Axialkraftaufnehmer wurde als Druckkraftaufnehmer beschrieben. Wenn der Verformungskörper 1 so gestaltet wird, dass auch die Aufnahme von Zugkräften möglich ist, beispielsweise über ein (nicht dargestelltes) Anschlussgewinde, dann ist die Ausführung als Druck- und/oder Zugkraftaufnehmer möglich.
Wie in Fig. 4 dargestellt, sind die Dehnungsmessstreifen 15, 16 und 17, 18 zu einer elektrischen Widerstandsvollbrücke zusammengeschaltet, deren Spannungsversorgung V und Signalausgang S angedeutet sind. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis der absoluten Dehnungsgrößen an den Dehnungsmessstreifen 15, 16 und 17, 18 etwa 1:4.

Claims

Axial kraft auf nehmerP a t e n t a n s p r ü c h e
1. Axialkraftaufnehmer mit einem zur Krafteinleitungsachse rotationssymmetrischen, eine Messfeder bildenden Verformungskörper und mit paarweise in Bereichen entgegengesetzt gerichteter Dehnung angeordneten, zu einer elektrischen Widerstandsbrücke geschalteten Dehnungsmessstreifen, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (1) eine bei Axialkraft radial gedehnte zentrische Aufnahmebohrung (8) aufweist, deren Bohrungsrand (12) über eine Ringzarge
(10) mit einer in axialem Abstand zur Aufnahmebohrung (8) angeordneten Verformungsscheibe (13) verbunden ist, deren Scheibenrand (14) über die Ringzarge (10) radial vorspringt, und dass die Dehnungsmessstreifen (15 - 18) stirnseitig auf der Verformungsscheibe (13) paarweise innerhalb und außerhalb des Durchmessers der Ringzarge (10) appliziert sind.
2. Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (15-18) mit radialer Messrichtung appliziert sind.
3. Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (15-18) mit tangentialer Messrichtung appliziert sind.
4. Axialkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Paare von Dehnungsmessstreifen (15, 16; 17, 18) in angenähert gleichem radialem Abstand zum mittleren Durchmesser der Ringzarge (10) angeordnet sind.
5. Axialkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (15-18) in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind.
6. Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringzarge (10) und die Verformungsscheibe (13) einen einstückigen Sensorkörper (9) bilden, der mit dem Bohrungsrand (12) des die
Messfeder bildenden Verformungskörpers (1) verbunden ist.
7. Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringzarge (10) einen radial vorspringenden Krafteinleitungsflansch (11) aufweist, der mit dem Bohrungsrand (12) verbunden ist.
8. Axialkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringzarge (10) als hohlzylindrischer Ring ausgebildet ist.
9. Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (1) angenähert napfförmig ausgebildet ist und dass sein Napfboden (3) die den Sensorkörper (9) aufnehmende Aufnahmebohrung (8) aufweist .
10. Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Napfboden (3) in seinem die Aufnahmebohrung (8) umgebenden Bereich als im Wesentlichen biegeweicher Membranring (7) ausgeführt ist.
11. Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Napfboden (3) einen axial vorspringenden Krafteinleitungsring (4) aufweist.
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