WO2016000677A1 - Wägezelle mit hydraulischer zentriervorrichtung - Google Patents

Wägezelle mit hydraulischer zentriervorrichtung Download PDF

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WO2016000677A1
WO2016000677A1 PCT/DE2015/000333 DE2015000333W WO2016000677A1 WO 2016000677 A1 WO2016000677 A1 WO 2016000677A1 DE 2015000333 W DE2015000333 W DE 2015000333W WO 2016000677 A1 WO2016000677 A1 WO 2016000677A1
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WO
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force introduction
load cell
force
plunger
cylindrical recess
Prior art date
Application number
PCT/DE2015/000333
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Jäger
Ralf Scherer
Werner Schlachter
Original Assignee
Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh
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Publication date
Application filed by Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh filed Critical Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh
Publication of WO2016000677A1 publication Critical patent/WO2016000677A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—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
    • 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
    • G01G3/1402—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports

Definitions

  • the invention relates to a load cell with an integrated hydraulic centering device, which improves the force transmission within the load cell and thereby increases the accuracy of measurement.
  • the measuring accuracy of a load cell can be worsened by various causes.
  • One of these causes are so-called shear forces.
  • the following defines what is meant in this document by the term lateral force.
  • Each load cell has a force application point on which the force to be measured is introduced. This force must act on the force application point in a direction dictated by the load cell design so that the force can be measured correctly. This predetermined direction is the measuring direction of the load cell. A force that does not act on the force application point in the direction of measurement is a lateral force.
  • transverse forces cause measurement errors.
  • Transverse forces arise under certain operating conditions and are usually unavoidable. Such operating conditions occur z. B. on load cells installed in vehicles. Due to the various vehicle accelerations when cornering or braking, lateral forces arise whose size and direction are constantly changing.
  • handlebar systems structures for shielding against lateral forces are called handlebar systems.
  • handlebar systems are known from stationary large scales on which z. B. trucks are weighed. These trucks must be on the scale platform of the Vehicle scale to be driven. The scale platform is so big that the vehicle with all the wheels can stand on it. Consequently, with such scales, there is also sufficient space below the scale platform to install sophisticated handlebar systems that protect the load cells used against lateral forces.
  • load cells are also used for mass determination. These load cells are mounted on the vehicle chassis. It is understandable that there is no room for bulky handlebar systems here.
  • the surfaces of the pressure piece and the force receiving piece are shaped so that a point contact is formed at the contact point. After lifting the pressure piece from the force absorbing piece, it is for increasing the accuracy of measurement advantageous if the pressure piece always meets exactly the same touchdown point when restarting.
  • the force introduction ram does not rest again exactly in the center of the annular bead after lifting off from the bottom of the cylindrical recess but on the edge, the force introduction ram is moved laterally. This creates a lateral force that reduces the measuring characteristics of the load cell.
  • the load cell comprises a load cell housing, at least one deformation element and sensors for measuring deformations of the deformation element upon application of force.
  • the weighing cell further has a hydraulic centering device with the following features:
  • a cylindrical recess is provided with a bottom surface and a wall surface.
  • the deformation body can be made in one piece or firmly connected to a cylindrical recess having the structural part.
  • a force introduction plunger for initiating a force to be measured is arranged on the bottom surface, the bottom surface and the underside of the force introduction plunger directed onto the latter being respectively shaped so as to form a point support.
  • the force introduction plunger is convex so that it has different diameters in the direction of its longitudinal extent. At the longest circumferential line, ie at the largest diameter of the force introduction plunger, results with respect to the cylindrical recess an annular gap whose width is in the range of 0.05 mm to 0.45 mm.
  • This annular gap has a predetermined distance from the bottom surface of the cylindrical recess when the underside of the force introduction plunger contacts the bottom surface of the cylindrical recess in a punctiform manner.
  • the level of the liquid is at least 1.2 times higher than the distance between the annular gap and the bottom surface of the cylindrical recess.
  • an elastic cover is arranged above the liquid filling, which prevents leakage or evaporation of the liquid present in the cylindrical recess.
  • the targeted pinpoint return of the force introduction plunger is effected by the hydraulic centering device in that the liquid is pressed through the annular gap during lowering of the force introduction plunger. This results in a liquid flow at a predetermined flow velocity in the annular gap. Likewise, a predetermined liquid pressure is created in the annular gap.
  • the annular gap In a non-coaxial position of the force introduction plunger, the annular gap is of different widths. In the wider annular gap region, the flow velocity is less than in the narrower annular gap region. Likewise, in the wider annular gap area, the liquid pressure is less than in the narrower annular gap area.
  • the technical teaching of the invention is applicable to any type of load cells, regardless of the sensors used, d. H. Both strain gauges and capacitive, optical or inductive sensors can be used. Likewise, the construction of the deformation body may be different, since the technical teaching exclusively refers to the fact that a hydraulic centering device is integrated, which leads back repeatedly after many times a pressure piece, this exactly on the same support point.
  • the liquid filling is a so-called multigrade oil having a viscosity of 100,000 to 600,000 centistokes.
  • the gap width of the annular gap is 0.1 mm to 0.28 mm. These oils have a similar viscosity even at very different temperatures. Since the flow resistance in the annular gap remains approximately constant due to the almost constant viscosity of such an oil, a consistently good centering effect is achieved even with large differences in temperature.
  • the bottom surface of the cylindrical recess is a plane surface and this contacting bottom of the force introduction plunger convex.
  • the bottom surface of the cylindrical recess is convex and the contacting them underside of the force introduction plunger a plane surface.
  • the bottom surface of the cylindrical recess is concave and the contacting these bottom of the force introduction plunger convex, wherein the radius of the bottom surface is greater than the radius of the underside of the force introduction plunger.
  • the bottom surface of the cylindrical recess is convex and the contacting these underside of the force introduction plunger concave, wherein the radius of the bottom surface is smaller than the radius of the underside of the force introduction plunger.
  • Fig. 1 shows a perspective sectional view of the principal
  • Fig. 2 shows an enlarged view of the situation when the force introduction ram of the load cell is lifted from the bottom surface of the cylindrical recess.
  • Fig. 3 shows the situation when the force introduction ram is moved in the direction of the bottom surface of the cylindrical recess.
  • Fig. 4a, b show in a horizontal cross section the position of the force introduction plunger each without and with liquid filling.
  • Fig. 5 shows enlarged the cross section of a load cell without liquid filling.
  • Fig. 6 shows a second embodiment of the load cell.
  • Fig. 7 shows a third embodiment of the load cell.
  • Fig. 8 shows a fourth embodiment of the weighing cell.
  • Fig. 9a, b show an enlarged view of theoretical load situations.
  • Fig. 10a, b show an enlarged view of the actual load situation.
  • Fig. 1 shows in a perspective sectional view of the schematic structure of a load cell with a housing 1, which is releasably connected to a circular plate-shaped deformation body 2 by means of fastening screws 10.
  • strain sensors 3 such as strain gauges arranged at the bottom of the circular-plate-shaped deformation body 2 and thus within the housing 1 are strain sensors 3, such as strain gauges arranged.
  • the integrally manufactured circular-plate-shaped deformation body 2 has a section 4 with a cylindrical recess 5.
  • a force introduction plunger 6 is arranged with a convex bottom 6a and a portion 6b.
  • the portion 6b of the force introduction plunger 6, which forms the annular gap 7 together with the wall surface 5b of the recess 5, is also convex and has the largest diameter of the accommodated in the cylindrical recess 5 portion of the force application plunger 6, which in this embodiment, 0.4 mm is smaller than the diameter of the cylindrical recess. 5
  • the cylindrical surface forms between the wall surface 5b Recess 5 and the force introduction plunger 6 thus a uniform in all places annular gap 7 with a gap width a of 0.2 mm.
  • a silicone oil having a viscosity of 500,000 centistokes (cSt) is provided as liquid filling 8 in the cylindrical recess 5.
  • an elastic cover 9 is provided, the z. B. may consist of rubber.
  • the level h of the liquid is 22 mm.
  • Fig. 2 it is shown that the force introduction ram 6 is raised by a tensile force -F.
  • a tensile force -F When lifting the force introduction plunger 6 oil is sucked through the annular gap 7 down, which is symbolically represented by the arrows.
  • Fig. 3 it is shown that the raised force introduction plunger 6 is pressed by a pressing force F down.
  • oil is pressed through the annular gap 7 upwards, again indicated by arrows.
  • Fig. 4a a situation without liquid filling is shown.
  • the force introduction plunger 6 is not arranged concentrically because of the lack of centering, so that gaps a1 and a2 result in different widths.
  • gaps a1 and a2 result in different widths.
  • non-calculable plastic material deformations can occur when the force introduction plunger 6 is repeatedly placed on the bottom surface 5a at different locations.
  • FIG. 4b the situation is shown in FIG. 3, when the force introduction plunger 6 is pressed down and the centering of the force introduction plunger 6 by the already described centering effect, which is symbolically represented by the four directed to the center arrows.
  • Fig. 5 it is shown that the force introduction ram 6 rests against one side of the wall surface 5b.
  • the annular gap 7 on the opposite side is twice as wide and the touchdown point of the force introduction plunger 6 offset by the amount b from the concentric contact point. This situation can occur if the liquid filling 8 is missing.
  • Fig. 9a shows an enlarged view of a theoretical contact situation in which there is only a very small point of contact.
  • Fig. 9b shows an enlarged view of a theoretical load situation in which a flattening c is formed when the force introduction ram is placed.
  • a flattening c is formed when the force introduction ram is placed.
  • FIGS. 10a and 10b show a symbolically greatly enlarged plastic deformation actually occurring in practice at the placement point of the force introduction plunger. After multiple Aufsetzvor saun an annular bead of material 11 is formed. If, as shown in Fig. 10a, the force introduction ram 6 with its underside te 6a again and again centered exactly on this bulge material 11, no lateral forces arise.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wägezelle mit einer Zentriervorrichtung, welche die Kraftweiterleitung innerhalb einer Wägezelle verbessert, wobei die Zentriervorrichtung nachfolgende Merkmale aufweist: In dem Verformungskörper (2) ist eine zylinderförmige Ausnehmung (5) vorgesehen, in der ein Krafteinleitungsstempel (6) angeordnet ist, der den Boden der zylinderförmigen Ausnehmung punktförmig berührt. Der Krafteinleitungsstempel (6) ist an seinem Umfangsabschnitt (6b) konvex geformt. Dieser Abschnitt 6b bildet mit der Wandfläche (5b) einen Ringspalt (7) mit einer Breite (a) von 0,05 mm bis 0,45 mm aus. Der Ringspalt (7) hat von der Bodenfläche (5a) einen vorbestimmten Abstand. In der Ausnehmung (5) ist eine Flüssigkeitsfüllung (8) vorgesehen. Über der Flüssigkeitsfüllung (8) ist eine elastische Abdeckung (9) angeordnet.

Description

Wägezelle mit hydraulischer Zentriervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Wägezelle mit einer integrierten hydraulischen Zentriervorrichtung, welche die Kraftweiterleitung innerhalb der Wägezelle verbessert und dadurch die Messgenauigkeit erhöht.
Die Messgenauigkeit einer Wägezelle kann sich durch verschiedene Ursachen verschlechtern. Eine dieser Ursachen sind sogenannte Querkräfte. Nachfolgend wird definiert, was in diesem Dokument unter dem Begriff Querkraft zu verstehen ist.
Jede Wägezelle hat einen Krafteinleitungspunkt, auf welchen die zu messende Kraft eingeleitet wird. Diese Kraft muss in einer durch die Wägezellenkonstruktion vorgegebenen Richtung auf den Krafteinleitungspunkt einwirken, damit die Kraft richtig gemessen werden kann. Diese vorgegebene Richtung ist die Messrichtung der Wägezelle. Eine Kraft, die nicht in der Messrichtung auf den Krafteinleitungspunkt einwirkt, ist eine Querkraft.
Wie vorstehend erwähnt, verursachen Querkräfte Messfehler. Querkräfte entstehen unter bestimmten Betriebsbedingungen und sind meist unvermeidbar. Solche Betriebsbedingungen treten z. B. bei Wägezellen auf, die in Fahrzeugen installiert sind. Durch die verschiedensten Fahrzeugbeschleunigungen bei Kurvenfahrten oder beim Bremsen entstehen Querkräfte, deren Größe und Richtung sich ständig ändern.
Aus dem Stand der Technik sind Konstruktionen bekannt, die den Krafteinleitungspunkt gegen Querkräfte abschirmen können. In der Wägetechnik werden Konstruktionen zur Abschirmung gegen Querkräfte Lenkersysteme genannt. Solche Lenkersysteme sind von stationären Großwaagen bekannt, auf denen z. B. Lastkraftwagen gewogen werden. Dazu müssen diese Lastkraftwagen auf die Waagenplattform der Fahrzeugwaage gefahren werden. Die Waagen plattform ist so groß, dass das Fahrzeug mit allen Rädern darauf stehen kann. Demzufolge ist bei solchen Waagen auch genügend Raum unterhalb der Waagenplattform vorhanden, um aufwändige Lenkersysteme zu installieren, die die verwendeten Wägezellen vor Querkräften schützen.
Wenn jedoch bei speziellen Lastkraftwagen, sogenannten Muldenkippern, die Masse der gefüllten Mulde ermittelt werden soll, werden zur Masseermittlung ebenfalls Wägezellen verwendet. Diese Wägezellen sind auf dem Fahrzeugchassis montiert. Es ist verständlich, dass hier kein Platz für voluminöse Lenkersysteme ist.
Erschwerend ist noch folgender Umstand: Während der Fahrt auf unebenem Untergrund treten auch Querkräfte auf, deren Komponenten genau entgegengesetzt zur Messrichtung wirken. Dadurch wird das zur Krafteinleitung in die Wägezelle vorgesehene Druckstück von dem dazu korrespondierendem Kraftaufnahmestück der Wägezelle abgehoben. Der Fachmann weiß, dass es aus konstruktiven Gründen unmöglich ist, die Bewegung des Druckstücks entgegengesetzt zur Messrichtung zu verhindern. Zur Begrenzung dieser Bewegung werden daher mechanische Anschläge eingesetzt, die in der Wägetechnik als Abhebesicherung bezeichnet werden.
Das Abheben des für die Krafteinleitung in die Wägezelle verwendeten Druckstücks vom Kraftaufnahmestück der Wägezelle führt zu einem Effekt, der nachfolgend erläutert wird:
Es wird angenommen, dass die Wägezelle mit einer der Messrichtung entgegengesetzt wirkenden Kraft beaufschlagt wurde und dadurch das zur Kraftübertragung auf die Wägezelle dienende Druckstück vom Kraftaufnahmestück abgehoben ist. Sobald die Kraft entgegengesetzt zur Messrichtung nicht mehr wirkt, legt sich das Druckstück wieder auf das Kraftaufnahmestück der Wägezelle.
Die Oberflächen des Druckstücks und des Kraftaufnahmestücks sind so geformt, dass an der Berührungsstelle eine Punktauflage entsteht. Nach dem Abheben des Druckstücks vom Kraftaufnahmestück ist es für die Erhöhung der Messgenauigkeit vorteilhaft, wenn das Druckstück beim Wiederaufsetzen immer genau den gleichen Aufsetzpunkt trifft.
Bei Punktberührungen entstehen sehr hohe Drücke, so dass die sich berührenden sehr kleinen Flächen stark belastet werden und zu einer bleibenden Deformation neigen. Um eine hohe Messgenauigkeit und eine geringe Streuung der Messwerte zu erreichen, werden für den Krafteinleitungsstempel und den Boden der zylinderförmigen Ausnehmung spezielle Stähle verwendet, die zusätzlich noch gehärtet werden. Mit anderen Worten, die sich punktförmig berührenden Oberflächen des krafteinleitenden Elements und des kraftempfangenden Elements sind sehr hart und neigen nur wenig zu Deformationen. Diese Maßnahmen sind aus dem Stand der Technik bekannt, aber nicht ausreichend, da es bei einer längeren Krafteinwirkung auch bei gehärteten Oberflächen letztlich doch zu plastischen, d. h. bleibenden Materialdeformationen kommt. Es entsteht auf der Auflagefläche eine ringförmige Wulst. Wenn der Krafteinleitungsstempel nach dem Abheben vom Boden der zylindrischen Ausnehmung nicht wieder genau in der Mitte des ringförmigen Wulstes sondern auf dessen Rand aufsetzt, wird der Krafteinleitungsstempel seitlich verschoben. Dadurch entsteht eine Querkraft, die die Messeigenschaften der Wägezelle vermindert.
Daher ist anzustreben, dass nach einem Abheben des Krafteinleitungsstempels dieser wieder genau auf den ursprünglichen Berührungspunkt zurückgeführt wird.
Das könnte jedoch nur mittels sehr aufwändiger konstruktiver Maßnahmen näherungsweise erreicht werden. Die dazu erforderlichen Lenkersysteme müssten sehr präzise gefertigt sein und wären somit kostenintensiv in ihrer Herstellung. Darüber hinaus müssen derart präzise Lenkersysteme auch sehr stabil sein, was wiederum voluminösere und somit entsprechend schwere Bauteile erfordert. Durch das relativ hohe Gewicht solcher Lenkersysteme würde zudem auch noch die Nutzlast der Fahrzeuge reduziert. Deshalb sind derart voluminöse und schwere mechanische Konstruktionen bei Wägezellen in Fahrzeugen nicht einsetzbar.
In den Dokumenten DE 20 2012 103 701 U1 , DE 195 24 571 A1 , EP 1 069 412 B1 und DE 295 21 150 U1 werden eine Vielzahl von Vorschlägen für den optimalen Einbau von Wägezellen in Fahrzeugen unterbreitet, um den Einfluss von Kräften, die in anderen Richtungen als der Messrichtung auf die Wägezelle einwirken, zu verringern. Diese mechanischen Konstruktionen sind jedoch wenig geeignet, vorstehend beschriebene Probleme zu lösen.
Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, mittels einfacher und kostengünstiger Maßnahmen zu gewährleisten, dass das Druckstück nach jedem Abheben zuverlässig immer auf den gleichen Punkt am Kraftaufnahmestück auftrifft.
Diese Aufgabe wird mit einer Wägezelle mit integrierter hydraulischer Zentriervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beansprucht.
Die Wägezelle umfasst ein Wägezellengehäuse, wenigstens einen Verformungskörper und Sensoren zur Messung von Verformungen des Verformungskörpers bei Krafteinwirkung.
Die Wägezelle weist weiterhin eine hydraulische Zentriervorrichtung mit nachfolgenden Merkmalen auf:
In dem Verformungskörper ist eine zylinderförmige Ausnehmung mit einer Bodenfläche und einer Wandfläche vorgesehen. Der Verformungskörper kann einstückig gefertigt sein oder mit einem die zylindrische Ausnehmung aufweisenden Konstruktionsteil fest verbunden sein.
In der zylinderförmigen Ausnehmung ist ein Krafteinleitungsstempel zur Einleitung einer zu messenden Kraft auf die Bodenfläche angeordnet, wobei die Bodenfläche und die auf diese gerichtete Unterseite des Krafteinleitungsstempels jeweils so geformt sind, dass eine Punktauflage entsteht.
Der Krafteinleitungsstempel ist konvex ausgebildet, sodass dieser in Richtung seiner Längserstreckung unterschiedliche Durchmesser aufweist. An der längsten Um- fangslinie, d. h. am größten Durchmesser des Krafteinleitungsstempels, ergibt sich bezüglich der zylinderförmigen Ausnehmung ein Ringspalt, dessen Breite im Bereich von 0,05 mm bis 0,45 mm liegt.
Dieser Ringspalt weist einen vorbestimmten Abstand von der Bodenfläche der zylinderförmigen Ausnehmung auf, wenn die Unterseite des Krafteinleitungsstempels die Bodenfläche der zylinderförmigen Ausnehmung punktförmig berührt.
Der Füllstand der Flüssigkeit ist wenigstens 1 ,2 Mal höher als der Abstand zwischen dem Ringspalt und der Bodenfläche der zylinderförmigen Ausnehmung.
Weiterhin ist über der Flüssigkeitsfüllung eine elastische Abdeckung angeordnet, die ein Auslaufen oder Verdunsten der in der zylindrischen Ausnehmung vorhandenen Flüssigkeit verhindert.
Nachfolgend wird die Wirkung der Zentriervorrichtung beschrieben:
Die angestrebte punktgenaue Rückführung des Krafteinleitungsstempels wird von der hydraulischen Zentriervorrichtung dadurch bewirkt, dass die Flüssigkeit beim Absenken des Krafteinleitungsstempels durch den Ringspalt gepresst wird. Dadurch entsteht in dem Ringspalt eine Flüssigkeitsströmung mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit. Ebenso entsteht in dem Ringspalt ein vorbestimmter Flüssigkeitsdruck.
Bei einer nicht koaxialen Lage des Krafteinleitungsstempels ist der Ringspalt unterschiedlich breit. In dem breiteren Ringspaltbereich ist die Strömungsgeschwindigkeit geringer als in dem schmaleren Ringspaltbereich. Ebenso ist in dem breiteren Ringspaltbereich der Flüssigkeitsdruck geringer als in dem schmaleren Ringspaltbereich.
Somit gibt es entlang des Ringspalts unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und unterschiedliche Drücke. Die unterschiedlichen Drücke haben die Tendenz sich auszugleichen und erzeugen dadurch Verschiebekräfte, die Verschiebungen des Krafteinleitungsstempels bewirken, sodass sich ein gleich breiter Ringspalt ausbildet. Mit anderen Worten, der Krafteinleitungsstempel wird durch diesen Effekt in eine zentrierte Position verschoben bzw. daran gehindert, seine zentrierte Position zu verlassen.
Es ist besonders zu erwähnen, dass der vorstehend beschriebene Zentriereffekt auch dann generiert wird, wenn der Krafteinleitungsstempel nach oben abgehoben wird. Das bewirkt folgenden Zusatznutzen: Wenn der Krafteinleitungsstempel bereits zentriert angehoben wird und sich zur Wandfläche der zylinderförmigen Ausnehmung in einer koaxialen Lage befindet, erfolgt dadurch auch eine präzisere Zentrierung beim Absenken.
Die technische Lehre der Erfindung ist bei jeder Art von Wägezellen anwendbar, unabhängig von der verwendeten Sensorik, d. h. es können sowohl Dehnungsmessstreifen als auch kapazitive, optische oder induktive Sensoren eingesetzt werden. Ebenso kann die Konstruktion des Verformungskörpers unterschiedlich sein, da sich die technische Lehre ausschließlich darauf bezieht, dass eine hydraulische Zentriervorrichtung integriert ist, die auch nach vielfachem Abheben eines Druckstücks, dieses immer wieder genau auf den gleichen Auflagepunkt zurückführt.
Nach Anspruch 2 ist die Flüssigkeitsfüllung ein sogenanntes Mehrbereichsöl mit einer Viskosität von 100 000 bis 600 000 Zentistokes. Die Spaltbreite des Ringspalts beträgt 0,1 mm bis 0,28 mm. Diese Öle haben auch bei sehr unterschiedlichen Temperaturen eine ähnliche Viskosität. Da wegen der nahezu gleichbleibenden Viskosität eines solchen Öls der Strömungswiderstand in dem Ringspalt näherungsweise konstant bleibt, wird auch bei großen Temperaturunterschieden eine gleichbleibend gute Zentrierwirkung erreicht.
Nach Anspruch 3 ist die Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung eine Planfläche und die diese berührende Unterseite des Krafteinleitungsstempels konvex ausgebildet. Nach Anspruch 4 ist die Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung konvex ausgebildet und die diese berührende Unterseite des Krafteinleitungsstempels eine Planfläche.
Nach Anspruch 5 ist die Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung konkav und die diese berührende Unterseite des Krafteinleitungsstempels konvex ausgebildet, wobei der Radius der Bodenfläche größer ist als der Radius der Unterseite des Krafteinleitungsstempels.
Nach Anspruch 6 ist die Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung konvex und die diese berührende Unterseite des Krafteinleitungsstempels konkav ausgebildet, wobei der Radius der Bodenfläche kleiner ist als der Radius der Unterseite des Krafteinleitungsstempels.
Die Vorteile der Ausführungsformen nach den Ansprüchen 3 bis 6 ergeben sich aus konkreten konstruktiven Anforderungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Schnittdarstellung den prinzipiellen
Aufbau einer Wägezelle.
Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung die Situation, wenn der Krafteinleitungsstempel der Wägezelle von der Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung abgehoben wird.
Fig. 3 zeigt die Situation, wenn der Krafteinleitungsstempel in Richtung Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung bewegt wird.
Fig. 4a, b zeigen in einem horizontalen Querschnitt die Lage des Krafteinleitungsstempels jeweils ohne und mit Flüssigkeitsfüllung. Fig. 5 zeigt vergrößert den Querschnitt einer Wägezelle ohne Flüssigkeitsfüllung.
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Wägezelle.
Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der Wägezelle.
Fig. 8 zeigt eine vierte Ausführungsform der Wägezelle.
Fig. 9a, b zeigen in vergrößerter Darstellung theoretische Belastungssituationen.
Fig. 10a, b zeigen in vergrößerter Darstellung die tatsächliche Belastungssituation.
Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Schnittdarstellung den schematischen Aufbau einer Wägezelle mit einem Gehäuse 1 , welches mit einem kreisplattenförmigen Verformungskörper 2 mittels Befestigungsschrauben 10 lösbar verbunden ist. An der Unterseite des kreisplattenförmigen Verformungskörpers 2 und somit innerhalb des Gehäuses 1 sind Dehnungssensoren 3, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen, angeordnet.
Der einstückig gefertigte kreisplattenförmige Verformungskörper 2 weist einen Abschnitt 4 mit einer zylinderförmigen Ausnehmung 5 auf. In der zylinderförmigen Ausnehmung 5 mit einer Bodenfläche 5a und einer Wandfläche 5b ist ein Krafteinleitungsstempel 6 mit einer konvex ausgebildeten Unterseite 6a und einem Abschnitt 6b angeordnet. Der Abschnitt 6b des Krafteinleitungsstempels 6, welcher zusammen mit der Wandfläche 5b der Ausnehmung 5 den Ringspalt 7 ausbildet, ist ebenfalls konvex gestaltet und weist den größten Durchmesser des in der zylinderförmigen Ausnehmung 5 untergebrachten Teils des Krafteinleitungsstempels 6 auf, der bei diesem Ausführungsbeispiel 0,4 mm kleiner ist als der Durchmesser der zylinderförmigen Ausnehmung 5.
Wenn der Krafteinleitungsstempel 6 in der zylinderförmigen Ausnehmung 5 konzentrisch angeordnet ist, bildet sich zwischen der Wandfläche 5b der zylinderförmigen Ausnehmung 5 und dem Krafteinleitungsstempel 6 somit ein an allen Stellen gleichgroßer Ringspalt 7 mit einer Spaltbreite a von 0,2 mm aus.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist als Flüssigkeitsfüllung 8 in der zylindrischen Ausnehmung 5 ein Silikonöl mit einer Viskosität von 500 000 Zentistokes (cSt) vorgesehen. Um ein Auslaufen der Flüssigkeitsfüllung 8 zu verhindern, ist eine elastische Abdeckung 9 vorgesehen, die z. B. aus Gummi bestehen kann.
Wenn der Krafteinleitungsstempel 6 die Bodenfläche 5a der zylinderförmigen Ausnehmung 5 berührt, beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel der Abstand des
Ringspalts 7 von der Bodenfläche 5a 14 mm. Der Füllstand h der Flüssigkeit beträgt 22 mm.
In Fig. 2 ist gezeigt, dass der Krafteinleitungsstempel 6 durch eine Zugkraft -F angehoben wird. Beim Anheben des Krafteinleitungsstempels 6 wird Öl durch den Ringspalt 7 nach unten gesaugt, was mit den Pfeilen symbolisch dargestellt ist.
In Fig. 3 ist gezeigt, dass der angehobene Krafteinleitungsstempel 6 durch eine Druckkraft F abwärts gedrückt wird. Dabei wird Öl durch den Ringspalt 7 nach oben gepresst, wiederum angedeutet durch Pfeile.
In Fig. 4a ist eine Situation ohne Flüssigkeitsfüllung gezeigt. Der Krafteinleitungsstempel 6 ist wegen der fehlenden Zentrierung nicht konzentrisch angeordnet, sodass sich Spalte a1 und a2 unterschiedlicher Breite ergeben. Dadurch können beim wiederholten Aufsetzen des Krafteinleitungsstempels 6 auf die Bodenfläche 5a jeweils an unterschiedlichen Stellen nicht kalkulierbare plastische Materialverformungen entstehen.
In Fig. 4b ist die Situation gemäß Fig. 3 gezeigt, wenn der Krafteinleitungsstempel 6 abwärts gedrückt wird und die Zentrierung des Krafteinleitungsstempels 6 durch den bereits beschriebenen Zentriereffekt erfolgt, der symbolisch durch die vier auf den Mittelpunkt gerichteten Pfeile dargestellt ist. In Fig. 5 ist gezeigt, dass der Krafteinleitungsstempel 6 an einer Seite der Wandfläche 5b anliegt. Dadurch ist der Ringspalt 7 an der gegenüberliegenden Seite doppelt so breit und der Aufsetzpunkt des Krafteinleitungsstempels 6 um den Betrag b vom konzentrischen Aufsetzpunkt versetzt. Diese Situation kann eintreten, wenn die Flüssigkeitsfüllung 8 fehlt.
In Figur 6 ist gezeigt, dass die Unterseite des Krafteinleitungsstempels 6 eine Planfläche und die Bodenfläche 5a der Ausnehmung 5 konvex ausgebildet ist.
In Figur 7 ist gezeigt, dass die Unterseite des Krafteinleitungsstempels 6 konvex und die Bodenfläche 5a der Ausnehmung 5 konkav ausgebildet ist
In Figur 8 ist gezeigt, dass die Unterseite des Krafteinleitungsstempels 6 konkav und die Bodenfläche 5a der Ausnehmung 5 konvex ausgebildet ist.
Die Konstruktionen nach den Fig. 6 bis 8 arbeiten alle nach dem gleichen, vorstehend beschriebenen Prinzip der Zentrierung.
Die Fig. 9a zeigt in vergrößerter Darstellung eine theoretische Berührungssituation, bei der lediglich ein sehr kleiner Berührungspunkt vorliegt.
Die Fig. 9b zeigt in vergrößerter Darstellung eine theoretische Belastungssituation, bei der eine Abplattung c entsteht, wenn der Krafteinleitungsstempel aufgesetzt wird. Hierbei wird jedoch angenommen, dass bei Beaufschlagung der Wägezelle mit der Druckkraft +F sowohl die Unterseite 6a des Krafteinleitungsstempels 6 als auch die Bodenfläche 5a lediglich elastisch verformt werden, d. h. Abplattungen c entstehen, die sich bei Entlastung vollständig zurückbilden.
Die Fig. 10a und 10b zeigen symbolisch stark vergrößert die in der Praxis tatsächlich auftretende plastische Verformung an der Aufsetzstelle des Krafteinleitungsstempels. Nach vielfachen Aufsetzvorgängen wird eine ringförmige Materialwulst 11 ausgebildet. Wenn, wie in Fig. 10a gezeigt, der Krafteinleitungsstempel 6 mit seiner Untersei- te 6a immer wieder genau zentrisch auf diese Materialwulst 11 aufsetzt, entstehen keine Querkräfte.
Wenn jedoch, wie in Fig. 10b gezeigt, der Krafteinleitungsstempel 6 mit seiner Unterseite 6a nicht zentrisch auf diese Materialwulst 11 aufsetzt, entstehen Querkräfte, die die Messgenauigkeit der Wägezelle vermindern.
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse der Wägezelle
2 kreisplattenförmiger Verformungskörper
3 Dehnungssensoren
4 Abschnitt des kreisplattenförmigen Verformungskörpers
5 zylinderförmige Ausnehmung im Abschnitt 4
5a Bodenfläche der zylinderförmigen Ausnehmung 5
5b Wandfläche der zylinderförmigen Ausnehmung 5
6 Krafteinleitungsstempel
6a Unterseite des Krafteinleitungsstempels 6
6b Abschnitt des Krafteinleitungsstempels 6
7 Ringspalt
8 Flüssigkeitsfüllung
9 Abdeckung
10 Befestigungsschrauben
11 Materialwulst
a1 , a2 Spaltbreite des Ringspalts
b Versatz
c Abplattung
h Füllstand
- F Zugkraft
+ F Druckkraft

Claims

Ansprüche
1. Wägezelle mit einem Wägezellengehäuse (1 ), welche wenigstens
- einen Verformungskörper (2) und
- Sensoren (3) zur Messung von Verformungen des Verformungskörpers (2) bei Krafteinwirkung umfasst,
wobei die Wägezelle weiterhin eine hydraulische Zentriervorrichtung mit nachfolgenden Merkmalen aufweist:
- in dem Verformungskörper (2) ist eine zylinderförmige Ausnehmung (5) mit einer Bodenfläche (5a) und einer Wandfläche (5b) vorgesehen,
- in der zylinderförmigen Ausnehmung (5) ist ein Krafteinleitungsstempel (6) zur Einleitung einer zu messenden Kraft (F) auf die Bodenfläche (5a) angeordnet, wobei
- die Bodenfläche (5a) und die Unterseite (6a) des Krafteinleitungsstempels (6), die auf die Bodenfläche (5a) drückt, so ausgebildet sind, dass sich eine Punktauflage ergibt,
- der Krafteinleitungsstempel (6) am Abschnitt (6b), der in der zylinderförmigen Ausnehmung (5) angeordnet ist, konvex ausgebildet ist,
- der Abschnitt (6b) an seinem größten Umfang bezüglich der Wandfläche (5b) einen Ringspalt (7) mit einer Spaltbreite (a) von 0,05 mm bis 0,45 mm ausbildet,
- der Ringspalt (7) einen vorbestimmten Abstand von der Bodenfläche (5a) aufweist, wenn Berührung zwischen der Unterseite (6a) des Krafteinleitungsstempels (6) und der Bodenfläche (5a) vorliegt,
- eine Flüssigkeitsfüllung (8) mit einer Viskosität der Flüssigkeit größer als 30 Zentis- tokes (cST) in der zylinderförmigen Ausnehmung (5) vorgesehen ist, wobei die Flüssigkeitsfüllung (8) einen Füllstand (h) aufweist, der wenigstens 1 ,2 Mal größer ist als der vorbestimmten Abstand des Ringspalts (7) von der Bodenfläche (5a), wenn Berührung zwischen der Unterseite (6a) des Krafteinleitungsstempels (6) und der Bodenfläche (5a) vorliegt, und
- über der Flüssigkeitsfüllung (8) eine elastische Abdeckung (9) angeordnet ist.
2. Wägezelle nach Anspruch 1 , wobei die Flüssigkeitsfüllung ein Mehrbereichsöl ist, welches eine Viskosität von 100 000 bis 600 000 Zentistokes aufweist, und die Spaltbreite (a) des Ringspalts (7) 0,1 mm bis 0,28 mm beträgt.
3. Wägezelle nach Anspruch 1 , wobei die Bodenfläche (5a) eine Planfläche ist und die Unterseite (6a) des Krafteinleitungsstempels (6) konvex ausgebildet ist.
4. Wägezelle nach Anspruch 1 , wobei die Bodenfläche (5a) konvex ausgebildet ist und die Unterseite (6a) des Krafteinleitungsstempels (6) als Planfläche ausgebildet ist.
5. Wägezelle nach Anspruch 1 , wobei die Bodenfläche (5a) konkav und die Unterseite (6a) des Krafteinleitungsstempels (6) konvex ausgebildet ist und der Radius der Bodenfläche (5a) größer ist als der Radius der Unterseite (6a) des Krafteinleitungsstempels (6).
6. Wägezelle nach Anspruch 1 , wobei die Bodenfläche (5a) konvex und die Unterseite (6a) des Krafteinleitungsstempels (6) konkav ausgebildet ist und der Radius der Bodenfläche (5a) kleiner ist als der Radius der Unterseite (6a) des Krafteinleitungsstempels (6).
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