DE102006020438A1 - Axialkraftaufnehmer - Google Patents
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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
- Die Erfindung betrifft einen 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.
- Derartige Axialkraftaufnehmer, die auch als Kraftmessdosen bezeichnet werden, wandeln die der zu messenden Axialkraft proportionale Dehnung in Bereichen des die Messfeder bildenden Verformungskörpers mittels einer elektrischen Widerstandsbrücke in ein elektrisches Signal um. Die elektrische Widerstandsbrücke ist üblicherweise als Wheatstone'sche Vollbrücke mit vier messenden Widerständen ausgeführt.
- Für diese Brückenschaltung müssen die von den Dehnungsmessstreifen gebildeten Widerstände der elektrischen Widerstandsbrücke bei der Belastung des Verformungskörpers jeweils paarweise mit entgegengesetzt gerichteten Dehnungen (Dehnungen mit unterschiedlichen Vorzeichen) beaufschlagt werden. Bei den herkömmlichen Axialkraftaufnehmern liegen die Bereiche des Verformungskörpers, die diesen Bedingungen entsprechen und deshalb zur Aufnahme der Dehnungsmessstreifen geeignet sind, üblicherweise räumlich 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'sche 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 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 Sensorkörper 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 Sensorkörper zu applizierenden Träger ausgebildet werden, so dass eine weitere Applikation des Sensorkörpers mit Dehnungsmessstreifen, Lötstützpunkten und dergleichen hinfällig 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 Unteransprüche.
- Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
- Es zeigt:
-
1 einen Axialkraftaufnehmer im Axialschnitt in unbelastetem Zustand, -
2 den Axialkraftaufnehmer nach1 im belasteten, verformten Zustand, wobei die Verformung der deutlicheren Darstellung halber übersteigert dargestellt ist, -
3 den Sensorkörper des in den1 und2 dargestellten Axialkraftaufnehmers mit den daran applizierten Dehnungsmessstreifen, wobei in einem Diagramm die Dehnungen über den Durchmesser der Verformungsscheibe des Sensorkörpers aufgetragen sind, und -
4 eine Ansicht des Sensorkörpers in Richtung des Pfeiles IV in3 , wobei die Zusammenschaltung der Dehnungsmessstreifen zu einer Wheatstone'schen Vollbrücke schematisch dargestellt ist. - Der in den
1 und2 dargestellte Axialkraftaufnehmer weist einen eine Messfeder bildenden Verformungskörper1 auf, der im Wesentlichen napfförmig ausgebildet ist. Ein zylindrischer Ring2 des Verformungskörpers1 ist mit einem Napfboden3 einstückig verbunden, der einen axial vorspringenden Krafteinleitungsring4 aufweist. Wie in2 schematisch angedeutet, wird die zu messende Druckkraft F auf den Krafteinleitungsring4 aufgebracht und über einen Stützring5 auf eine Stützfläche6 abgetragen. - Der Napfboden
3 ist in seinem zentralen Bereich als ein im Wesentlichen biegeweicher Membranring7 ausgeführt, der eine Aufnahmebohrung8 umgibt. - In der Aufnahmebohrung
8 ist vorzugsweise durch stoffschlüssige Verbindung ein einstückiger Sensorkörper9 angebracht. - Der Sensorkörper
9 weist eine Ringzarge10 auf, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als hohlzylindrischer Ring ausgebildet ist. Die Ringzarge10 ist über einen radial vorspringenden Krafteinleitungsflansch11 mit dem Bohrungsrand12 der Aufnahmebohrung8 verbunden. - Die Ringzarge
10 ist mit einer in axialem Abstand zur Aufnahmebohrung8 angeordneten, verhältnismäßig dünnen Verformungsscheibe13 verbunden, deren Scheibenrand14 über die Ringzarge10 radial vorspringt. - Einzelheiten des in der Aufnahmebohrung
8 angebrachten Sensorkörpers9 und der darauf applizierten Dehnungsmessstreifen sind in den3 und4 dargestellt. - Die Verformungsscheibe
13 trägt auf ihrer Stirnseite (in den1 –3 unten liegend) vier Dehnungsmessstreifen15 ,16 und17 ,18 . Obwohl diese Dehnungsmessstreifen15 –18 tatsächlich in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind, wie man aus4 erkennt, sind diese Dehnungsmessstreifen15 –18 der deutlicheren Darstellung halber in3 in der Schnittebene dargestellt. - Man erkennt, dass bei der Verformung der Messfeder unter Axialkraft im Bereich innerhalb des Durchmessers der Ringzarge
10 an der Stirnseite13a der Verformungsscheibe13 eine Stauchung (negative radiale oder tangentiale Dehnung) auftritt, die durch die dort applizierten Dehnungsmessstreifen17 und18 erfasst wird. - Am Scheibenrand
14 tritt gleichzeitig eine positive radiale oder tangentiale Dehnung auf, die von den dort stirnseitig applizierten Dehnungsmessstreifen15 bis18 erfasst wird. - Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 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
4 dargestellt, sind die Dehnungsmessstreifen15 ,16 und17 ,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 Dehnungsmessstreifen15 ,16 und17 ,18 etwa 1:4.
Claims (11)
- 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. - Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (
15 –18 ) mit radialer Messrichtung appliziert sind. - Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (
15 –18 ) mit tangentialer Messrichtung appliziert sind. - Axialkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Paare von Dehnungsmessstreifen (
15 und16 ;17 und18 ) in angenähert gleichem radialem Abstand zum mittleren Durchmesser der Ringzarge (10 ) angeordnet sind. - Axialkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (
15 –18 ) in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind. - 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. - Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringzarge (
10 ) einen radial vorspringenden Krafteinleitungsflansch (11 ) aufweist, der mit dem Bohrungsrand (12 ) verbunden ist. - Axialkraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringzarge (
10 ) als hohlzylindrischer Ring ausgebildet ist. - 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. - 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. - Axialkraftaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Napfboden (
3 ) einen axial vorspringenden Krafteinleitungsring (4 ) aufweist.
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