DE10055933A1 - Aufnehmer zum Messen von Belastungen - Google Patents

Abstract

Ein Aufnehmer zum Messen von Belastungen, mit einem rotationssymmetrischen Meßkörper, der zwischen einem Kraftein- und Kraftausleitungselement Meßstege aufweist, die Wandlerelemente tragen, soll derart weitergebildet werden, daß er eine hohe Meßgenauigkeit aufweist, mit geringen Kosten hergestellt werden kann und eine hohe Störkraft-Unempfindlichkeit besitzt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Meßstege (9) mit den Wandlerelementen (12) Scherkraftaufnehmer bilden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aufnehmer zum Messen von Bela­ stungen, mit einem rotationssymmetrischen Meßkörper, der zwi­ schen einem Kraftein- und Kraftausleitungselement Meßstege aufweist, die Wandlerelemente tragen. Aufnehmer zum Messen von Belastungen werden in vielen Bereichen in der Industrie und der Forschung zur Kraft- und Gewichtsmessung eingesetzt und werden meist als Serienprodukte hergestellt. Um den unter­ schiedlichen Einsatzbereichen, Einbauverhältnissen und Genau­ igkeitsanforderungen gerecht zu werden, existieren eine Viel­ zahl von Ausführungsformen derartiger Kraftaufnehmer bzw. Wä­ gezellen.

Aus der EP 0 288 985 A2 ist eine rotationssymmetrische Biege­ ring-Wägezelle bekannt, die aus einem ringförmigen Kraftauf­ nahmeelement und einem zylindrischen Krafteinleitungselement besteht, wobei dazwischen ein ringförmiger mit Dehnungsmeß­ streifen applizierter Biegering angeordnet ist. Der Biegering ist über zwei schmale, ringförmige Stege einerseits mit dem Krafteinleitungselement und andererseits mit den Kraftaufnah­ meelement verbunden.

Ein weiterer Aufnehmer zum Messen von Belastungen ist aus der DE 44 12 377 A1 bekannt. Dieser Aufnehmer weist einen Meßfe­ derkörper auf, der mit auf einem Teilkreis angeordneten paral­ lel zur Belastungsachse sich erstreckenden Ausnehmungen verse­ hen ist, zwischen denen radial verlaufende Meßstege ausgebil­ det sind. Die Meßstege werden dabei durch quer zur Belastungs­ richtung verlaufende, mit den parallel zur Belastungsrichtung sich erstreckenden Ausnehmungen in Verbindung stehende Quer­ bohrungen gebildet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufnehmer zum Messen von Belastungen zu schaffen, der eine hohe Meßgenauig­ keit aufweist, mit geringen Kosten hergestellt werden kann und eine hohe Störkraft-Unempfindlichkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Meßstege mit den Wandlerelementen Scherkraftaufnehmer bilden.

Da bei der Messung von Zug- und Druckkräften die Meßstege mit einer Scherkraft belastet werden, zeichnet sich der Aufnehmer durch eine gute Meßgenauigkeit aus. Bei diesem sogenannten Scherkraftaufnehmer hat der Einleitungsort der zu messenden Kraft keinen Einfluß auf die Größe des zu messenden Signals uns somit auch keinen Einfluß auf den Kennwert des Aufnehmers. Durch die rotationssymmetrische Ausbildung des Meßkörpers wird eine besonders günstige Fertigung eines Präzisionsaufnehmers erreicht.

Die Meßstege lassen sich in einfacher Weise durch Einbringen von radialen Bohrungen/Ausnehmungen in den Meßkörper herstel­ len, so daß ein einteiliger Meßkörper erreicht wird. Hierdurch entfallen Probleme mit inneren Verschraubungen, die das Meßer­ gebnis verfälschen würden. Zusätzlich kann durch den einteili­ gen Meßkörper ein sehr kurzbauender Meßkörper hergestellt wer­ den.

Durch die symmetrische Kraftein- und -ausleitung der fluchtend übereinander angeordneten Kraftein- und -ausleitungsringe wird einer Hysterese entgegengewirkt. Durch diese Anordnung wird eine Einleitung von Biegemomenten vermieden. Zusätzlich können störende Querkräfte bei der Krafteinleitung vermieden werden, wenn das Krafteinleitungselement ballig ausgeführt wird. Da das Kraftein- und Kraftausleitungselement über je einen ge­ lenkartigen Abschnitt mit den Meßstegen in Verbindung steht, werden nur Scherkräfte in die Meßstege eingeleitet. Weiterhin werden durch einteiligen Aufbau des erfindungsgemäßen Aufneh­ mers Einspannfehler und Schraubeinflüsse, die zu einer Verfäl­ schung der Meßwerte führen können, vermieden. Es kann somit ein Aufnehmer hergestellt werden, der eine hohe Meßgenauigkeit aufweist.

Die doppelseitige Applikation der Dehnungsmeßstreifen auf den Meßstegen bewirkt weiterhin eine Kompensation von Meßfehlern.

Der erfindungsgemäße Aufnehmer besitzt eine hohe Steifigkeit und damit eine große Biegeeigenfrequenz.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Aufnehmers in Seitenan­ sicht;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch den Aufnehmer längs dem Schnitt A-A in Fig. 1;

Fig. 3 einen Radialschnitt durch den Aufnehmer längs dem Schnitt B-B in Fig. 1;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemä­ ßen Aufnehmers nach Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Aus­ führungsform eines Aufnehmers;

Fig. 6 einen Radialschnitt durch den Aufnehmer nach Fig. 5.

In den Fig. 1 bis 4 ist ein erfindungsgemäßer Aufnehmer 1 zum Messen von Belastungen dargestellt. Dieser Aufnehmer 1 weist einen rotationssymmetrisch ausgebildeten Meßkörper 2 auf. Die Rotationssymmetrieachse 3 entspricht der Belastungs­ richtung in der die Krafteinleitung und Kraftausleitung er­ folgt. Der Meßkörper 2 besitzt ringförmige Kraftein- und -ausleitungselemente 4, 5. Das ringförmige Krafteinleitungsele­ ment 4 und -ausleitungselement 5 sind jeweils stirnseitig ko­ axial angeordnet und weisen jeweils den gleichen Außen- und Innendurchmesser auf. Der Meßkörper weist mittig eine axiale Durchgangsbohrung 6 auf. Weiterhin sind ausgehend von der Man­ telfläche des Meßkörpers 2 vier radiale Bohrungen 7, 7', 7", 7''' in den Meßkörper eingebracht, wobei die Bohrun­ gen als Durchgangsbohrungen ausgebildet sind. Die Bohrungen 7, 7', 7", 7''' sind im Querschnitt rechteckig ausgebildet und weisen Endseitig halbkreisförmige Ausnehmungen 8 auf. Die er­ ste und zweite Bohrung 7, 7' sind benachbart zueinander ange­ ordnet und bilden ein erstes Bohrungspaar, so daß zwischen dem Bohrungspaar ein erster Meßsteg 9 und ein dem Meßkörper radial gegenüberliegender zweiter Meßsteg 9 gebildet wird. Die dritte und vierte Bohrung 7", 7''' sind entsprechend der ersten und zweiten Bohrung benachbart zueinander angeordnet und bilden ein zweites Bohrungspaar. Das zweite Bohrungspaar ist um 90° versetzt zu dem ersten Bohrungspaar in den Meßkörper 2 einge­ bracht. Zwischen dem zweiten Bohrungspaar wird entsprechend ein dritter Meßsteg 9 und ein diesem radial gegenüberliegender vierter Meßsteg 9 gebildet. Die Bohrungen 7, 7', 7", 7''' können auch einen anderen Querschnitt aufweisen. Im einfachsten Fall besitzen die Bohrungen einen kreisförmigen Querschnitt.

Wie es aus der Fig. 3 ersichtlich ist, sind die vier Meßstege jeweils um den Winkel ϕ = 90° versetzt, gleichmäßig über den Umfang des Meßkörpers 2 verteilt angeordnet. Weiterhin sind in den Meßkörper 2 ausgehen von der Mantelfläche vier quer ver­ laufende Trennschlitze 10 eingebracht, die jeweils in die nebeneinanderliegenden Bohrungen des benachbarten Bohrungspaares münden. Durch die oben beschriebene Anordnung der Bohrungspaare 7/7', 7"/7''' und der Trennschlitze 10 re 7/7', 7"/7''' und der Trennschlitze 10 steht das Kraftein­ leitungselement 4 und das Kraftausleitungselement 5 nur über die vier Meßstege 9 miteinander in Verbindung.

Die vier Meßstege 9 sind als Scherkraftmeßelemente ausgebil­ det. Hierzu sind auf den Meßstegen 9 jeweils auf den durch die Bohrungen 7, 7', 7", 7''' gebildeten Seitenwände 11 Dehnungsmeß­ streifen 12 als Wandlerelemente appliziert. Wie es insbesonde­ re aus der Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Dehnungsmeßstrei­ fen jeweils als Doppeldehnungsmeßstreifen mit in +/-45° Kon­ figuration angeordneten Meßgittern appliziert. Die Meßgitter­ achsen 13 liegen dabei in Belastungsrichtung. Wie es aus der Fig. 2 weiterhin ersichtlich ist, erfolgt die Krafteinleitung (schematisch dargestellt durch Pfeil F) exakt in Richtung der Meßgitterachsen. Hierdurch werden Scherkräfte wie beispiels­ weise Biegemomente kompensiert.

Die Meßgitterachsen 13 der Dehnungsmeßstreifen 12 liegen dabei alle auf dem gleichen Durchmesser. Weiterhin kann aus der Fig. 2 ersehen werden, daß die auf den gegenüberliegenden Meßstegen angeordneten Dehnungsmeßstreifenanordnungen in gleicher Rich­ tung angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, daß Störkräfte durch die Dehnungsmeßstreifen-Verschaltung und die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen kompensiert werden.

Das ringförmige Krafteinleitungselement 4 ist über einen er­ sten gelenkartigen Abschnitt 14 mit den Meßstegen 9 verbunden. Der gelenkartige Abschnitt 14 wird dabei über eine ausgehend von der zentralen Durchgangsbohrung 6 des Meßkörpers 2 einge­ brachten, radial umlaufenden Nut 15 gebildet. Das ringförmige Kraftausleitungselement 5 ist über einen zweiten gelenkartigen Abschnitt 16 mit den Meßstegen 9 verbunden. Der zweite gelenk­ artige Abschnitt 16 wird über eine ausgehend von der äußeren Mantelfläche des Meßkörpers 2 eingebrachten radial umlaufenden Nut 17 gebildet.

In den Fig. 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aufnehmers 20 dargestellt. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel sind wie es zu den Fig. 1 bis 4 bereits be­ schrieben ist ein Krafteinleitungs- und Krafausleitungselement 4, 5 vorgesehen. In den Meßkörper 21 des Aufnehmers 20 ist ebenfalls eine zentrale Durchgangsbohrung 6 eingebracht. Wei­ terhin sind in den Meßkörper 21 ausgehend von dessen Mantel­ fläche gleichmäßig über den Umfang verteilt acht taschenförmi­ ge Ausnehmungen 22 eingebracht, die radial verlaufend ausge­ bildet sind und sich im Querschnitt ausgehend von der Mantel­ fläche radial nach innen verlaufend verjüngen. Zwischen den taschenförmigen Ausnehmungen 22 verbleiben jeweils schmale ra­ dial verlaufende Meßstege 23. Auf den durch die taschenförmi­ gen Ausnehmungen 22 gebildeten Seitenwänden 24 der Meßstege 23, sind jeweils Dehnungsmeßstreifen als Wandlerelemente ap­ pliziert, so daß Scherkraftmeßelemente gebildet werden. Die Dehnungsmeßstreifenanordnungen sind, wie bereits zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben derart, daß jeweils eine Dop­ peldehnungsmeßstreifenanordnung mit in +/-45°Konfiguration angeordneten Meßgittern vorgesehen ist. Dabei liegt die Meß­ gitterachse in Richtung der Belastungsrichtung.

Der erste und zweite gelenkartige Abschnitt 14, 16 ist entspre­ chend der Beschreibung zu den Fig. 1 bis 4 ausgebildet, so daß der Kraftfluß ausgehend von dem Krafteinleitungselement 4 über den ersten gelenkartigen Abschnitt über die Scherkraftmeßele­ mente in den zweiten gelenkartigen Abschnitt und von dort in das Kraftausleitungselement 5 erfolgt. Durch diese Anordnung werden nur Scherkräfte in die Scherkraftmeßelemente eingelei­ tet.

Selbstverständlich können abweichend von dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel mit vier Meßstegen und dem zweiten Ausführungsbeispiel mit acht Meßstegen auch eine andere Anzahl von Meß­ stegen ausgebildet werden.

Um Zugkräfte einleiten zu können, sind das Krafteinleitungs­ element und Kraftausleitungselement mit entsprechenden An­ schlußelementen versehen. Anstelle der Verwendung von Deh­ nungsmeßstreifen können auch andere bekannte Wandlerelemente eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Aufnehmer zum Messen von Belastungen, mit einem rotati­ onssymmetrischen Meßkörper, der zwischen einem Kraftein- und Kraftausleitungselement Meßstege aufweist, die Wand­ lerelemente tragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß­ stege (9) mit den Wandlerelementen (12) Scherkraftaufneh­ mer bilden.

2. Aufnehmer zum Messen von Belastungen nach Patentanspruch 1, wobei die Meßstege (9) durch radial in den Meßkörper (2) eingebrachte Bohrungen (7, 7', 7", 7''') gebildet wer­ den.

3. Aufnehmer zum Messen von Belastungen nach Patentanspruch 2, wobei vier Bohrungen (7, 7', 7", 7''') in den Meßkörper (2) eingebracht werden, die als Durchgangsbohrungen aus­ gebildet sind und wobei zwischen zwei Bohrungen (7, 7') die ein erstes Bohrungspaar bilden ein erster und ein zweiter Meßsteg (9) sowie zwischen zwei Bohrungen (7", 7''') die ein zweites Bohrungspaar bilden ein drit­ ter und ein vierter Meßsteg (9) gebildet werden, und wo­ bei die nebeneinander liegenden Bohrungen des benachbar­ ten Bohrungspaares über quer verlaufende Trennschlitze (10) verbunden sind.

4. Aufnehmer zu Messen von Belastungen nach Patentanspruch 2, wobei acht radial verlaufende taschenförmige Ausneh­ mungen (22) in die Mantelfläche des Meßkörpers (21) ein­ gebracht sind, und wobei zwischen benachbarten Ausnehmun­ gen jeweils radial verlaufende Meßstege (23) gebildet werden.

5. Aufnehmer zum Messen von Belastungen nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, wobei auf beiden Seitenflächen je­ des Meßsteges (9, 23) jeweils Dehnungsmeßstreifenanordnun­ gen (12) als Wandlerelemente appliziert sind.

6. Aufnehmer zum Messen von Belastungen, nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, wobei das Kraftein- und -ausleitungselement (4, 5) jeweils ringförmig ausgebildet und fluchtend übereinander angeordnet sind.

7. Aufnehmer zum Messen von Belastungen nach Patentanspruch 6, wobei das Kraftein- und -ausleitungselement (4, 5) je­ weils über einen gelenkartigen Abschnitt (14, 16) mit den Meßstegen (9, 23) verbunden ist.