DE4103856A1 - Kraft- bzw. druckmessvorrichtung und herstellungsverfahren dafuer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraft- bzw. Druckmeßvorrichtung und ein Herstellungsverfahren dafür gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 11.

Die EP-PS 02 05 509 beschreibt eine Kraftmeßvorrichtung, bei der als Krafteinleitungselement ein Kolben in einer verhältnismäßig hohen zylindrischen Ausnehmung in einem Topfgehäuse unter Bildung eines engen Ringspalts angeordnet ist, der mit elastomerem Material gefüllt ist, das fest an den Kontaktflächen haftet. Der Kolben wirkt über weiteres elastomeres Material auf einen Drucksensor. Das elastomere Material überträgt die senkrechte Kraftkomponente vollständig auf den Drucksensor, während seitliche Kraftkomponenten vom Kolben über das elastomere Material im Ringspalt auf das Topfgehäuse übertragen werden. Die bekannte Kraftmeßvorrichtung besitzt eine verhältnismäßig hohe Meßgenauigkeit, ihre Herstellung ist jedoch noch relativ aufwendig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kraft- bzw. Druckmeßvorrichtung anzugeben, die verhältnismäßig einfach in den verschiedensten Variationen herzustellen ist.

Die erfindungsgemäße Kraft- bzw. Druckmeßvorrichtung besitzt die Merkmale des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zu deren Herstellung die Merkmale des Patentanspruchs 11.

Der modulare Aufbau ermöglicht die Verwendung von in größeren Stückzahlen in Variationen hergestellten Standardelementen, aus denen abhängig von den jeweiligen Anforderungen ganz unterschiedliche Kraft- bzw. Druckmeßvorrichtungen aufgebaut werden können.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen mit Vorteil bei der Erfindung verwendbaren Drucksensor;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Drucksensor nach Fig. 1;

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraft- bzw. Druckmeßvorrichtung;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer derartigen Vorrichtung; und

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Druckmeßvorrichtung mit erheblicher Druckübersetzung.

In Fig. 1 ist eine Kraftmeßvorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels im Querschnitt dargestellt. In einem Topfgehäuse 2, vorzugsweise aus keramischem Material, ist unter Bildung eines Ringspaltes 4 ein Krafteinleitungskolben 3 eingesetzt (vgl. EP-C2-02 05 509). Der Ringspalt 4 ist sehr eng, jedoch hier der Übersichtlichkeit wegen größer dargestellt. Das Topfgehäuse 2 ist einstückig ausgebildet, wobei jedoch folgende Bereiche zu unterscheiden sind: An einem stabilen Einspannring 2a kann die Befestigung des Topfgehäuses 2 derart erfolgen, daß Einspannkräfte nicht auf die kraftmessenden Teile übertragen werden, was Meßwertverfälschungen verursacht. Hieran schließt sich ein relativ dünnwandiger flexibler Ringbereich 2b an, der im wesentlichen mit der Außenfläche des Kolbens 3 den Ringspalt 4 bildet, der mit elastomerem Material 5, beispielsweise Silikongummi oder Naturkautschuk, welches fest an den Kontaktflächen haftet, insbesondere anvulkanisiert ist, gefüllt ist. Der Kolben 3 ist mit einem Krafteinleitungsknopf 9, etwa in Form einer Kalotte versehen. An den Ringbereich 26 schließt sich ein Versteifungsring 2c an, der als Halterung einer wiederum relativ dünnwandigen Membran 2d eines Kraft- bzw. Druckmeßelements 25 dient. Die Membran 2d steht in der zum Meßkolben 3 gewandten Seite in unmittelbarem Kontakt mit dem Elastomer 5, so daß eine den Kolben 3 belastende senkrechte Kraft F praktisch reibungsfrei und proportional auf die Membran 2d weitergeleitet wird. Seitliche Kraftkomponenten werden über das elastomere Material auf das Topfgehäuse und dessen Einspannung abgeleitet. Entsprechend der Belastung verformt sich die Membran 2d geringfügig, wobei die Belastungswerte Widerstandsänderungen an Meßwiderständen 6 hervorrufen, die an der gegenüberliegenden, hier unteren Seite des Topfgehäuses 2, beispielsweise als Dickschicht-Widerstände im Siebdruckverfahren aufgebracht sind.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die hier zur Darstellung des Siebdruckverfahrens schraffiert gezeichneten Meßwiderstände 6 als Brückenschaltung ausgeführt, wobei die Widerstandsänderungen bei Belastung des Kolbens 3 und damit der Membran 2d über Kontakte 7 an eine an sich bekannte Auswerteschaltung 16 (vgl. Fig. 4) weitergeleitet werden.

Das Topfgehäuse 2 sitzt in einem Lagerring 8 umgeben, der einerseits die Membran 2d frei beweglich läßt und andererseits die Befestigung am Einspannring 2a ermöglicht. Der Lagerring 8 und das Topfgehäuse 2 können in bevorzugter Ausbildung auch einstückig als ein Keramikbauteil ausgeführt sein, so daß die Trennfläche zwischen dem Lagerring 8 und dem Einspannring 2a entfällt. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, insbesondere der Füllung des Ringspaltes 4 mit elastomerem Material 5 wird ein Verfahren verwendet, wie es in der EP-C2-02 05 509 ausführlich beschrieben ist. Zur Herstellung des keramischen Topfgehäuses 2 zusammen mit der Membran 2d wird dieses Bauteil zunächst aus ungebranntem keramischem Material, z. B. Al₂O₃ geformt und anschließend zu dem einstückigen Topfgehäuse 2 gebrannt. Geeignete Materialien, Brenntemperaturen und Verfahrensschritte sind beispielsweise in der DE-A-38 17 695 angegeben.

Fig. 3 zeigt als ein Ausführungsbeispiel eine flächige Kraft- bzw. Druckmeßvorrichtung 10 mit mehreren, vorzugsweise in gleichem Winkelabstand voneinander umfangsmäßig verteilten Drucksensoren 42, wie sie anhand von Fig. 1 näher beschrieben wurden.

Beim Ausführungsbeispiel umfaßt die Vorrichtung 10 drei Scheiben 12, 14, 16, die vorgefertigt sind und beispielsweise mittels versenkter Schrauben 20 zusammengefaßt werden. Alle Scheiben 12, 14, 16 können mit einer Durchgangsöffnung 18 versehen sein, so daß die Vorrichtung 10 beispielsweise als elastische Verbindung in einem Federbein eines Kraftfahrzeugs integriert sein kann, wie dies im deutschen Gebrauchsmuster 88 01 249 (PCT/EP 89/00 096) beschrieben ist.

Nachstehend werden nun die einzelnen Scheiben 12, 14, 16 näher beschrieben.

Scheibe 12 besteht aus einem Außenring 26 und einem Innenring 24, die miteinander einen engen Ringspalt 30 bilden, der mit im wesentlichen blasenfreiem elastomerem Material gefüllt ist, das fest an den Kontaktflächen haftet. Die Scheibe 12 kann dabei in gewünschter Dicke von einer vorgefertigten Stange abgeschnitten sein. Die einzige Nachbearbeitung besteht darin, daß zu den Köpfen der Schrauben 20 passende Senklöcher 21 angebracht werden. Das Material für den Innen- und Außenring ist vorzugsweise Metall, es kann jedoch auch Keramik oder Kunststoff verwendet werden. Alternativ zu einer stangenweisen Fertigung können der Innen- und der Außenring 24, 26 auch als individuelle Dreh- oder Preßteile hergestellt und miteinander durch Vulkanisation des elastomeren Materials im Ringspalt 30, etwa eingesetzt in eine passende Ausrichteform, verarbeitet werden, wobei die Kontaktflächen mit dem elastomeren Material mit einem Benetzungsmittel oder Primer vorbehandelt werden, um ein festes Haften zu erzielen.

Die (untere) Scheibe 16 wird in analoger Weise hergestellt aus einem Außenring 34, einem Innenring 36 mit Ringspalt 38, der wiederum mit dem elastomeren Material gefüllt ist. Der Außenring 34 wird dann mit mindestens einer durchgehenden Öffnung 40 versehen, in die, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Sensorkörper 42 eingesetzt wird. Sind mehrere Meßpositionen mit Öffnung 40 und Sensorkörper 42 vorgesehen, so werden diese bevorzugt symmetrisch um die Mittenachse verteilt angeordnet, so daß bei ungleichförmig bzw. schräg ausgeübten Kräften ein Ausgleich stattfinden kann.

Auch die mittlere Scheibe 14 weist einen Innenring 52 und einen Außenring 54 auf, zwischen denen ein verhältnismäßig breiter Ring 50 aus elastomerem Material angeordnet ist.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Ring 50 derart dimensioniert, daß er einen größeren Außenringdurchmesser besitzt als der Ringspalt 30 der Platte 12 und einen kleineren Innenringdurchmesser als der Innenringdurchmesser des Ringspalts 38. Hierdurch wird die Elastizität der Verbindung zwischen dem Innenteil, bestehend aus den Innenringen 24, 52, 36 und dem Außenteil, bestehend aus den Außenringen 26, 54, 34, in axialer Richtung erreicht und eine unmittelbare und reibungsfreie Übertragung der auf die Verbindung wirkenden senkrechten Kraftkomponente auf die Sensoren 42 ermöglicht.

Für die Ausbildung und Beschaffenheit des Ringes 50 sind die verschiedensten Ausführungen einsetzbar. Liegt der Drucksensor 41 in der in Fig. 1 gezeigten Form vor, dann kann die Scheibe 14 durchgehend vorgefertigt werden unter Einfüllen des elastomeren Materials 50 zwischen die Ringe 52, 54, vorzugsweise unter Vulkanisieren des elastomeren Materials an den Kontaktflächen. Gleiches gilt, wenn der Sensorkörper 42 bereits mit elastomerem Material vollständig gefüllt ist (Fig. 3, links).

Eine andere Möglichkeit des Integrierens besteht darin, nach Zusammensetzen der Scheiben 14 und 16 oder auch zusätzlich der Scheibe 12, den leeren Zwischenraum zwischen den Ringen 52, 54 und dem Sensorkörper 42 durch eine geeignete, nachträglich verschließbare Bohrung zu füllen, die entweder senkrecht durch den Ring 24 geführt ist oder radial durch einen der Ringe 52, 54 verläuft. Eine entsprechende Entlüftungsöffnung ermöglicht den Luftaustritt beim Einfüllen und beim Entfernen von Luftblasen aus dem eingefüllten Material vor dem Aushärten desselben.

Da nur eine vollständige Entlüftung eine vollständige Kraftübertragung auf den Drucksensor gewährleistet, kann auch die in der eingangs genannten internationalen Patentanmeldung genannte Maßnahme Anwendung finden, gemäß der ein beim Einfüllen des elastomeren Materials freigelassener Restraum an einer Gewindeöffnung mit Flüssigkeit gefüllt wird, von der ein überschüssiger Anteil beim Einschrauben einer abdichtenden Verschlußschraube herausgedrückt wird. Diese Alternative ist besonders dann vorteilhaft, wenn in dem elastomeren Material 50 oder statt diesem ringsumlaufend ein Ring von niedrigviskosem bis flüssigem Übertragungsmedium eingebracht wird, wie dies in der deutschen Patentanmeldung P 40 02 910 beschrieben ist. Dies bedeutet, daß entweder der ganze, sonst vom elastomeren Material 50 eingenommene Raum mit einem derartigen Medium gefüllt ist oder ein mit Flüssigkeit gefüllter Ringschlauch in elastomerem Material eingebettet wird. An die Stelle des Ringschlauchs kann auch ein aus Gel-Masse vorgefertigter Ring in dem elastomeren Material bei dessen Einfüllen eingebettet werden. Die Verwendung des flüssigen bis niedrigviskosen Übertragungsmediums hat den Vorteil, daß auch bei ungleichförmiger Krafteinwirkung eine gleichmäßige Druckverteilung erfolgt, so daß nur ein einziger Drucksensor benötigt wird.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, können die Öffnungen 40 mittels einer Abdeckplatte 44 abgedichtet verschlossen sein, die auf ihrer Innenseite die Sensorelektronik 46 trägt.

In Fig. 3, rechts, ist die alternative Ausführungsform mit in den Sensorkörper 42 eingesetzten Kolben 56 veranschaulicht, während in der linken Hälfte der Sensorkörper 42 vollständig mit elastomerem Material 50 (oder flüssigem Übertragungsmedium) gefüllt ist.

Aus Fig. 3 ist ferner ersichtlich, daß der Innenring 24 der Platte 12 geringfügig erhöht ist gegenüber dem Außenring 26, während umgekehrt der Außenring 34 der Platte 16 gegenüber dem Innenring 36 erhöht ist. Eine derartige Maßnahme bietet sich dort an, wo die Krafteinleitung über eine Vorrichtung, etwa eine Platte erfolgt, die sich radial über den Innenring 24 hinauserstreckt bzw. wo die Abstützung des Außenrings 34 bis unter den Innenring 36 der Platte 16 reicht. Hierdurch wird gewährleistet, daß sich das Innenteil bezüglich des Außenteils ungehindert bewegen kann. Gleichzeitig wird die Anordnung gegen Überlastung geschützt.

Obwohl das Zusammenfügen der drei Scheiben 12, 14, 16 mittels der Schrauben 20 beschrieben wurde, kommen auch andere passende Möglichkeiten in Frage, die auch von dem verwendeten Material abhängen. Bei einer Metallausführung lassen sich die Scheiben am Rand mittels einer Laser- oder Elektronenstrahltechnik verschweißen, bei keramischen Ausführungen oder Verwendung von Kunststoff ist ein Verkleben oder Verschmelzen anwendbar. Wird Flüssigkeit als Übertragungsmedium verwendet, dann werden die Scheiben 12, 14, 16 gegeneinander mittels auf die planen Flächen aufgetragener Gummierung abgedichtet.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit modularem Aufbau einer Kraftmeßvorrichtung mit besonders hoher Zylinder-/Kolbenanordnung, wie sie in der EP-PS 02 05 509 beschrieben ist.

Hierbei wird jedoch nicht ein ganzheitliches Topfgehäuse verwendet, sondern die Kraftmeßvorrichtung 60 wird unterteilt in ein Oberteil 62 und ein Unterteil 64. Das Oberteil 62, das in seiner Länge nun je nach Anwendung variiert und ggf. von einer vorgefertigten Stange abgeschnitten werden kann, umfaßt ein rohrförmiges Teil 66, in dem wiederum unter Bildung eines engen Ringspaltes 63 ein Kolben 68 eingesetzt ist, wobei das elastomere Material fest an den Kontaktflächen haftet. Auf der Oberseite des Kolbens 68 kann ein kalottenförmiges Krafteinleitungselement 65 angeformt oder aufgesetzt, etwa angeschraubt sein. Der Kegelansatz am unteren Ende des Kolbens 68 ist zweckmäßig, jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Das Unterteil 64 stellt nun ein Gehäuse 70 dar mit einer zentralen zylindrischen Ausnehmung 72, die entweder ganz mit elastomerem Material gefüllt ist bzw. noch einen unteren Teil des Kolbens 68 umfaßt, wenn dieser weiter als in Fig. 4 gezeigt in den Raum 72 eindringt. Das blasenfreie elastomere Material im Raum 72 haftet wiederum fest an den Kontaktflächen und liegt an der Druckaufnahmefläche eines Drucksensors 74 an, der in einer zentralen Ausnehmung des Unterteils 64 ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Drucksensor 74 mittels eines mit Schrauben befestigten Halteringes 79 stabil in seiner Lage gehalten werden, wobei die Halterung 79 auch zur Aufnahme einer bedruckten Schaltungsplatte 75 dienen kann, auf der in integrierter Bauweise eine Sensorschaltung 76 angeordnet ist. Eine Abdeckplatte 78 verschließt dicht die Ausnehmung 73.

Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben, können Ober- und Unterteil 62, 64 beispielsweise mittels Schrauben 79 zusammengefügt werden, wobei die Kontaktflächen gummiert sein können.

Es ist ersichtlich, daß ganz verschiedene Ober- und Unterteile 62 und 64 zur Anwendung kommen können, die in ihrer Höhe bzw. in ihrem Drucksensor variieren.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer modular aufgebauten Druckmeßvorrichtung 80 mit hohem Übersetzungsverhältnis, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 40 03 048 näher beschrieben ist.

Nachdem vorstehend anhand der Fig. 3 die verschiedenen Möglichkeiten des Zusammenbaus und der Beschaffenheit grundsätzlich beschrieben wurden, seien für dieses Ausführungsbeispiel lediglich kurz die einzelnen Elemente aufgeführt.

Eine Grundscheibe 82 ist zentral mit der Sensorvorrichtung 85 versehen, nämlich durch Ausbildung einer Vertiefung, deren Boden eine Membran 84 darstellt, die mit Druckwandlerelementen 86 an ihrer Unterseite versehen ist. Der untere Teil 90a eines Kolbens 90 ist in die Vertiefung unter Bildung eines Bodenraumes 88 eingesetzt, der ebenso wie der enge Umfangsspalt 87 mit elastomerem Material gefüllt ist.

Der mittlere Teil 90b des Kolbens 90 ist in der Mittelscheibe 92 integriert, während ein oberer Teil 90c des Kolbens 90 an der Unterseite einer Platte 97 anliegt, die wie der Innenring 24 gemäß Fig. 3 über elastomeres Material in einem Ringspalt 98 mit einem Außenring 96 integriert ist. Ein Zwischenring 94 mit der Stärke des oberen Teils 90c des Kolbens 90 bildet einen freien Ringraum 95 um den Kolben 90, so daß ein auf die Oberseite der Platte 97 ausgeübter Druck ungehindert über den Kolben 90 auf den Drucksensor 85 übertragen wird und zwar mit einer Übersetzung, die dem Flächenverhältnis der Platte 97 zum Querschnitt des Kolbens 90 entspricht.

Es sei abschließend darauf hingewiesen, daß bei dem erfindungsgemäßen modularen Aufbau mit sehr dünnen Scheiben gearbeitet werden kann.

Claims (13)

1. Kraft- bzw. Druckmeßvorrichtung mit mindestens einem Drucksensor, der über elastomeres Material mit einer Kraft bzw. einem Druck beaufschlagt wird, die bzw. der zwischen zwei durch das elastomere Material in Kraft- bzw. Druckübertragungsverbindung stehenden, axial zueinander ausgerichteten Teilen in axialer Richtung anlegbar ist, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau der Vorrichtung unter Zusammensetzung aus mehreren vorgefertigten Scheibenelementen (12, 14, 16; 62, 64; 82, 92, 94, 99).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Scheibe (12; 62; 99) einen Außenring (26; 66; 96) aufweist, in den unter Bildung eines engen Ringspalts (30; 63; 98) ein Innenteil (24; 68; 97) eingesetzt ist, wobei der enge Ringspalt (30; 63; 98) mit elastomerem Material gefüllt ist, das fest an den Kontaktflächen haftet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Scheibe (16; 64; 82) mit mindestens einer Sensorvorrichtung (42; 74; 85) versehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Scheibe (14; 92) einen Raum (50; 72; 88) aufweist, der mit Übertragungsmedium gefüllt ist, das in Druckübertragungskontakt mit dem Drucksensor (42; 74; 84) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsmedium elastomeres Material ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsmedium zumindest teilweise eine Flüssigkeit bzw. ein niedrigviskoses Gel, im übrigen elastomeres Material ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (12, 14, 16) eine zentrale Durchgangsöffnung (I8) mit vornehmlich gleichem Durchmesser aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (50) ringförmig ist und vorzugsweise mehrere Drucksensoren (42) umfangsmäßig verteilt mit dem darin enthaltenen Übertragungsmedium in Kontakt sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Scheiben (92, 99) mit verhältnismäßig unterschiedlichen Spaltringdurchmessern aneinandergesetzt sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (12, 14, 16) vorzugsweise gegeneinander abgedichtet miteinander verschraubt sind.

11. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:

• - Formen der Einzelelemente der verschiedenen Scheiben einschließlich Außenringen und kreisförmigen Innenteilen;
• - Zusammensetzen von zueinander passenden Außenringen und Innenteilen unter Bildung eines engen Ringspalts;
• - blasenfreies Füllen des Ringspalts mit elastomerem Material, vorzugsweise nach Vorbehandlung der Kontaktflächen mit einem Benetzungsmittel;
• - Aushärten des elastomeren Materials; und
• - Zusammenfügen zugehöriger Scheiben.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in eine der Scheiben zumindest ein Drucksensor vor dem Einfüllen des elastomeren Materials eingesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens eine der Scheiben mindestens ein Drucksensor derart eingesetzt wird, daß er in unmittelbarem Druckübertragungskontakt mit elastomerem Material ist.