WO2008110360A1 - Measurement axis having a module design - Google Patents

Abstract

The invention relates to a modular force transducer system (10) for measuring forces (20) acting substantially transversely on an axis (16), particularly a measurement axis, comprising: a first module comprising an axis body (12) extending along a longitudinal axis (16), the axis body (12) having a force application section (18), at least one bearing section (28), and at least one deformation section (22); and a second module comprising a measuring cell (100; 110; 120) having a measuring cell body (101; 111; 121), the measuring cell body (101; 111; 121) being connected to an electric measurement system (54), characterized in that the second module can be inserted into an axial bore (14) of the first module, and can be non-positively connected to the first module such that with a deformation of the deformation section (22) caused by the application of an outside force, a deformation of the measuring cell body (101; 111; 121) is caused, which is emitted in the form of a corresponding electric signal by means of the electric measurement system (54).

Description

Modular aufgebaute Messachse Modular measuring axis

Die vorliegende Erfindung betrifft ein modulares Kraftaufnehmersystem zum Messen von Kräften, die im Wesentlichen quer auf eine Achse, insbesondere eine Messachse, wirken, mit: einem ersten Modul, das einen Achskörper umfasst, der sich entlang einer Längsachse erstreckt, wobei der Achskörper einen Krafteinleitungsabschnitt, mindestens einen Lagerabschnitt und mindestens einen Verformungsabschnitt aufweist; und einem zweiten Modul, das eine Messzelle mit einem Messzellenkörper umfasst, wobei der Messzellenkörper mit einem elektrischen Messsystem verbunden ist.The present invention relates to a modular force transducer system for measuring forces acting substantially transversely on an axis, in particular a measuring axis, comprising: a first module comprising an axle body extending along a longitudinal axis, the axle body having a force introduction portion, has at least one bearing portion and at least one deformation portion; and a second module comprising a measuring cell with a measuring cell body, wherein the measuring cell body is connected to an electrical measuring system.

Gewöhnliche Kraftaufnehmer werden in der EP 0 154 728, der DE 44 07 066 C2 und der DE 21 01 961 A offenbart. Ein weiterer Kraftaufnehmer ist aus der DE 103 02 349 bekannt.Ordinary load cells are disclosed in EP 0 154 728, DE 44 07 066 C2 and DE 21 01 961 A. Another force transducer is known from DE 103 02 349.

Ein solcher Kraftaufnehmer ist exemplarisch in Figur 5 dargestellte und mit 110 bezeichnet. Der Kraftaufnehmer 110 stellt eine sogenannte Messachse dar. Die Messachse 110 erstreckt sich längs einer Längsachse 116. Sie ist ferner in drei Abschnitte Such a force transducer is shown by way of example in FIG. 5 and designated by 110. The force transducer 110 represents a so-called measuring axis. The measuring axis 110 extends along a longitudinal axis 116. It is also in three sections

unterteilt. Ein erster Abschnitt zum Einleiten einer Kraft 120 quer zur Längsachse 116 ist mit 118 bezeichnet. An den Krafteinleitungsabschnitt 118 schließt sich in axialer Richtung jeweils ein Verformungsabschnitt 122 an. Die Verformungsabschnitte 122 weisen einen geringeren Durchmesser als der Krafteinleitungsabschnitt 118 auf. An die Verformungsabschnitte 122 wiederum schließen sich sogenannte Lagerabschnitte 128 an, die von Halteschenkeln 129 mittels Bohrungen 130 gehalten werden. Der Krafteinleitungsabschnitt 118 trägt beispielsweise eine Seilrolle 131, wie sie beispielsweise bei Kränen eingesetzt wird. Über die Seilrolle 131 wird die (Gewichts-) Kraft auf den Krafteinleitungsabschnitt 118 übertragen.divided. A first section for introducing a force 120 transversely to the longitudinal axis 116 is designated by 118. The force introduction section 118 is adjoined in each case by a deformation section 122 in the axial direction. The deformation portions 122 have a smaller diameter than the force introduction portion 118. The deformation sections 122 are in turn adjoined by so-called bearing sections 128, which are held by retaining legs 129 by means of bores 130. The force introduction portion 118 carries, for example, a pulley 131, as used for example in cranes. About the pulley 131, the (weight) force is transmitted to the force introduction portion 118.

Bei dem in Figur 5 gezeigten Kraftaufnehmersystem 110 sind die Verformungsabschnitte 122 aus dem Vollmaterial des Achskörpers 112 gedreht und gefräst. Bei Einwirkung einer Kraft 120 kommt es in diesen Bereichen zu den größten Verformungen (Biegung/ Stauchung/ Scherung). Diese Verformungen werden wiederum mittels Messzellen 134 in elektrische Signale umgewandelt. Dazu ist eine Messzelle, wie zum Beispiel ein Dehnungsmessstreifen (DMS) vorgesehen. Die Messzelle 134 sitzt in einer Vertiefung, die sich in radialer Richtung, das heißt senkrecht zur Zeichnungsebene der Figur 5, in den Achskörper 112 erstreckt. Die Verdrahtung von (hier nicht dargestellten) DMS erfolgt durch hier nicht dargestellte Bohrungen, die sich im Inneren des Achskörpers 112 befinden, so dass die Signale an einem axialen Ende des Achskörpers 112 über einen Anschluss 132 abgegriffen werden können.In the force transducer system 110 shown in Figure 5, the deformation portions 122 are rotated from the solid material of the axle body 112 and milled. When a force 120 is applied, the greatest deformations occur in these areas (bending / compression / shear). These deformations are in turn converted by means of measuring cells 134 into electrical signals. For this purpose, a measuring cell, such as a strain gauge (DMS) is provided. The measuring cell 134 is seated in a recess which extends in the radial direction, that is to say perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 5, into the axle body 112. The wiring of (not shown here) DMS is effected by bores, not shown here, which are located in the interior of the axle body 112, so that the signals can be tapped at an axial end of the axle body 112 via a terminal 132.

Die für das Funktionieren des Scher- bzw. Biegebalkenprinzips erforderlichen Aussparungen im Bereich der Verformungsabschnitte 122, wo die Messzellen 134 angeordnet sind, sind aufgrund des variierenden Radius und variierenden Bohrungstiefen schwierig herzustellen. Die radialen Vertiefungen für die Messzellen 134 müssen in einem getrennten Arbeitsgang radial in den Achskörper 112 gefräst werden. Gleiches gilt für die nicht dargestellten Bohrungen, um die Messzellen 134 zu verdrahten.The necessary for the functioning of the shear or bending beam principle recesses in the region of the deformation portions 122, where the measuring cells 134 are arranged, are difficult to produce due to the varying radius and varying hole depths. The radial recesses for the measuring cells 134 must be milled radially into the axle body 112 in a separate operation. The same applies to the holes, not shown, to wire the measuring cells 134.

Die Verdrahtung der Kraftmesszellen 134 selbst ist aufwändig, da die Kabel durch Verdrahtungsbohrungen geringen Durchmessers hindurchgeführt werden müssen, um sie z.B. mit dem Anschluss 132 zu verbinden. Ein weiteres Problem stellt die Versiegelung bzw. der Verschluss der Messzellen 134 gegenüber der Außenwelt dar. Grundsätzlich sind die Messzellen 134 äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel Stößen oder wechselndem Wetter, ausgesetzt. Ist eine Messzelle 134 nicht ausreichend gegenüber der Außenwelt abgedichtet, so kann Wasser in die Messzelle 134 eindringen und den Betrieb derselben stören oder diese sogar zerstören.The wiring of the load cells 134 itself is cumbersome since the cables must be routed through small diameter wiring bores to connect them to the terminal 132, for example. Another problem is the sealing or closure of the measuring cells 134 with respect to the outside world. In principle, the measuring cells 134 are exposed to external influences, such as, for example, impacts or changing weather. If a measuring cell 134 is not sufficiently sealed off from the outside world, water can penetrate into the measuring cell 134 and disturb the operation of the latter or even destroy it.

Ein anderes Problem stellt die Anbringung der DMS in den radialen Bohrungen dar. Die radialen Vertiefungen weisen in der Regel einen relativ kleinen Durchmesser auf bzw. sind relativ tief, so dass sich das Verkleben von Folien-DMS aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Raumes problematisch und aufwändig gestaltet.Another problem is the attachment of the strain gages in the radial bores. The radial depressions are usually relatively small in diameter or relatively deep, so that the bonding of foil DMS due to the small space available problematic and elaborately designed.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Kraftaufnehmersystem bereitzustellen, welches deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen ist. Insbesondere soll die Messzelle gegenüber äußeren Einflüssen geschützt sein. Sollten Folien-DMS verwendet werden, die geklebt werden müssen, so sollen diese einfach in den Kraftaufnehmerkörper einzubauen sein.It is therefore an object of the present invention to provide an improved force transducer system which is significantly simpler and less expensive to manufacture. In particular, the measuring cell should be protected against external influences. If foil strain gauges are used which need to be glued, they should be easy to install in the force transducer body.

Diese Aufgabe wird durch ein modulares Kraftaufnehmersystem gelöst, wobei das System versehen ist mit einem ersten Modul, das einen Achskörper umfasst, der sich entlang einer Längsachse erstreckt, wobei der Achskörper einen Krafteinleitungsabschnitt, mindestens einen Lagerabschnitt und mindestens einen Verformungsabschnitt aufweist; und mit einem zweiten Modul, das eine Messzelle mit einem Messzellenkörper umfasst, wobei der Messzellenkörper mit einem elektrischen Messsystem verbunden ist, wobei das zweite Modul in eine axiale Bohrung des ersten Moduls einführbar ist und derart kraftschlüssig oder formschlüssig mit dem ersten Modul verbindbar ist, dass bei einer durch äußere Kraftwirkung hervorgerufenen Verformung des Verformungsabschnitts des Achskörpers eine Verformung des Messzellenkörpers hervorgerufen wird, die in Form eines entsprechenden elektrischen Signals durch das elektrische Messsystem ausgegeben wird. Bei dem Achskörper gemäß der vorliegenden Erfindung sind im Gegensatz zu Achskörpern gemäß dem Stand der Technik keine radialen Bohrungen mehr erforderlich. Stattdessen wird lediglich eine axiale Bohrung vorgesehen, die fertigungstechnisch einfacher als Radialbohrungen herzustellen ist, weil der Achskörper in einer Aufspannung lediglich gedreht wird. Der Messzellenkörper wird anschließend in die axiale Bohrung eingeführt, wobei die Abmessungen der Bohrung und der Messzelle derart gewählt sind, dass sie kraftschlüssig miteinander verbindbar sind. Die Messzelle befindet sich dann im Inneren des Achskörpers und ist gegenüber äußeren Einflüssen geschützt. Ferner kann die Messzelle bereits außerhalb der Messzelle präpariert werden. Die Messzelle sowie deren Verdrahtung kann außerhalb des Achskörpers montiert bzw. vorbereitet werden. Anschließend wird die bereits verdrahtete Messzelle in den Achskörper eingeführt, was eine erhebliche Vereinfachung darstellt.This object is achieved by a modular force transducer system, the system being provided with a first module comprising an axle body extending along a longitudinal axis, the axle body having a force introduction portion, at least one bearing portion and at least one deformation portion; and with a second module, which comprises a measuring cell with a measuring cell body, wherein the measuring cell body is connected to an electrical measuring system, wherein the second module is insertable into an axial bore of the first module and such non-positively or positively connected to the first module, that in the case of a deformation of the deformation section of the axle body caused by an external force effect, a deformation of the measuring cell body is caused, which is output in the form of a corresponding electrical signal by the electrical measuring system. In the axle body according to the present invention, in contrast to prior art axle bodies no radial bores are required. Instead, only an axial bore is provided, which is easier to manufacture manufacture than radial bores, because the axle body is merely rotated in one clamping. The measuring cell body is then inserted into the axial bore, wherein the dimensions of the bore and the measuring cell are selected such that they are frictionally connected to each other. The measuring cell is then located inside the axle body and is protected against external influences. Furthermore, the measuring cell can already be prepared outside the measuring cell. The measuring cell and its wiring can be mounted or prepared outside the axle body. Subsequently, the already wired measuring cell is introduced into the axle body, which represents a considerable simplification.

Außerdem ist es bevorzugt, wenn der Achskörper den Messzellenkörper im eingeführten Zustand relativ zur Längsachse in Umfangsrichtung umgibt.Moreover, it is preferred if the axle body surrounds the measuring cell body in the inserted state relative to the longitudinal axis in the circumferential direction.

Da die zu messende Kraft in der Regel im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Achskörpers wirkt, können Verformungen am besten auf die Messzelle übertragen werden, wenn diese vorzugsweise entlang ihrer gesamten Längserstreckung in Umfangsrichtung vollständig vom Achskörper umgeben wird. Die Kraftübertragung erfolgt dann direkt im Inneren des Achskörpers, was die Zuverlässigkeit der Sensorik, die in der Regel auf dem Scher- bzw. Biegebalkenprinzip beruht, erhöht.Since the force to be measured usually acts essentially perpendicular to the longitudinal axis of the axle body, deformations can best be transferred to the measuring cell, if it is preferably completely surrounded by the axle body along its entire longitudinal extent in the circumferential direction. The power transmission then takes place directly in the interior of the axle body, which increases the reliability of the sensor system, which is generally based on the shear or bending beam principle.

Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die axiale Bohrung konzentrisch zur Längsachse angeordnet ist.Furthermore, it has been found to be advantageous if the axial bore is arranged concentrically to the longitudinal axis.

Im Falle einer konzentrischen Bohrung kann für die Messzelle eine Kraftmesssensorik verwendet werden, die in der Lage ist, eine Richtung der Krafteinwirkung zu bestimmen. Da sich die axiale Bohrung in der Mitte des Achskörpers befindet, herrscht die für eine richtungsabhängige Kraftmessung erforderliche Symmetrie. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die axiale Bohrung im Bereich des Verformungsabschnitts.In the case of a concentric bore can be used for the measuring cell, a force measuring sensor, which is able to determine a direction of the force. Since the axial bore is located in the middle of the axle body, the symmetry required for a direction-dependent force measurement prevails. According to a preferred embodiment, the axial bore is in the region of the deformation section.

Wie bereits oben erwähnt, ist die mechanische Verformung im Bereich des Verformungsabschnitts am größten. Wird die Messzelle genau in diesem Bereich des Achskörpers angeordnet, so erhöht sich die Empfindlichkeit der Kraftmesssensorik.As already mentioned above, the mechanical deformation is greatest in the area of the deformation section. If the measuring cell is arranged exactly in this area of the axle body, the sensitivity of the force measuring sensor system increases.

Ferner ist es bevorzugt, wenn die axiale Bohrung durch den Achskörper hindurch verläuft.Furthermore, it is preferred if the axial bore extends through the axle body.

Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Messzelle von beiden Seiten des Achskörpers einzuführen. Ferner ermöglicht dies die Einführung einer weiteren Messzelle, ohne dass die erste Messzelle zum Ein- oder Ausbau der weiteren Messzelle ein- und ausgebaut werden muss.In this embodiment, it is possible to introduce the measuring cell from both sides of the axle body. Furthermore, this allows the introduction of a further measuring cell, without the first measuring cell for installing or removing the other measuring cell has to be installed and removed.

Vorzugsweise weist die axiale Bohrung axiale Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern auf.Preferably, the axial bore has axial sections of different diameters.

Im Falle einer durchgehenden axialen Bohrung kann die axiale Bohrung in einem mittleren Bereich relativ zur Längsachse des Achskörpers einen geringeren Durchmesser als die Messzelle aufweisen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Messzelle nicht in den mittleren Bereich der axialen Bohrung einführbar ist. Im mittleren Bereich der axialen Bohrung finden in der Regel nur geringe mechanische Verformungen statt, so dass der mittlere Bereich des Achskörpers für die Messung von Kräften, die auf dem Biegebalkenprinzip beruht, relativ uninteressant ist.In the case of a continuous axial bore, the axial bore may have a smaller diameter than the measuring cell in a central region relative to the longitudinal axis of the axle body. In this way, it is ensured that the measuring cell is not insertable into the central region of the axial bore. In the central region of the axial bore usually only slight mechanical deformations take place, so that the central region of the axle body for the measurement of forces, which is based on the bending beam principle, is relatively uninteresting.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die axiale Bohrung einen Abschnitt, der zur Aufnahme der Messzelle bestimmt ist und konisch ausgebildet ist. Die konische Ausbildung der axialen Bohrung erlaubt, bei einem entsprechend ausgebildeten Messzellenkörper, eine flächige Verbindung zwischen dem Messzellenkörper und dem Achskörper, wenn die Messzelle in die axiale Bohrung eingeführt ist. Je stärker der Messzellenkörper in den Achskörper gepresst wird, desto besser ist die Flächenverbindung und desto besser ist somit die Kraftübertragung vom Achskörper auf die Messzelle. Dies wiederum erhöht die Empfindlichkeit sowie die Zuverlässigkeit des gesamten Kraftmesssystems.According to a further preferred embodiment, the axial bore comprises a portion which is intended to receive the measuring cell and is conical. The conical design of the axial bore allows, with a correspondingly formed measuring cell body, a surface connection between the measuring cell body and the axle body, when the measuring cell is inserted into the axial bore. The stronger the measuring cell body is pressed into the axle body, the better the surface connection and thus the better the transmission of power from the axle body to the measuring cell. This in turn increases the sensitivity and reliability of the entire force measuring system.

Vorzugsweise ist die Messzelle hanteiförmig ausgebildet. Insbesondere weist der hanteiförmige Messzellenkörper zwei Hantelköpfe und ein Brückenelement auf, wobei das Brückenelement die Hantelköpfe in axialer Richtung verbindet.Preferably, the measuring cell is formed dumbbell-shaped. In particular, the dumbbell-shaped measuring cell body has two dumbbell heads and a bridge element, wherein the bridge element connects the dumbbell heads in the axial direction.

Die Hantelform ist ideal für das Biegebalken- oder Scherprinzip. Das Brückenelement lässt sich einfach verbiegen bzw. scheren und dient insbesondere deswegen auch als Anbringungsort für die Kraftmesssensorik. Bildhaft gesprochen stellt die hanteiförmige Messzelle selbst eine Messachse dar, die wiederum in eine größere äußere Messachse axial einführbar ist.The dumbbell shape is ideal for the bending beam or shear principle. The bridge element can be easily bent or sheared and therefore, in particular, serves as a mounting location for the force measuring sensor system. Figuratively speaking, the dumbbell-shaped measuring cell itself constitutes a measuring axis, which in turn can be inserted axially into a larger external measuring axis.

Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Messzellenkörper einstückig ausgebildet ist.It has proved to be advantageous if the measuring cell body is formed in one piece.

Bei einstückiger Ausbildung des Messzellenkörpers lässt sich das Brückenelement zwischen den Hantelköpfen auf einfache Weise herstellen. Die Hantelköpfe können beispielsweise zylinderförmig, und bevorzugt konisch, ausgebildet sein, so dass der Messzellenkörper selbst aus Rundmaterial herstellbar ist. Rundmaterial ist kostengünstig und einfach lagerbar.In one-piece design of the measuring cell body, the bridge element between the dumbbell heads can be produced in a simple manner. The dumbbell heads may for example be cylindrical, and preferably conical, so that the measuring cell body itself can be produced from round material. Round material is inexpensive and easy to store.

Alternativ können die Hantelköpfe und das Brückenelement modular ausgebildet sein. Insbesondere weisen dann die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Hantelköpfe jeweils eine Aussparung zur formschlüssigen Aufnahme des Brückenelements auf. Ist die Messzelle selbst modular aufgebaut, kann der gesamte Kraftaufnehmer aus einem beliebig variierbaren Baukastensystem gewählt werden.Alternatively, the dumbbell heads and the bridge element may be modular. In particular, then the opposite end faces of the dumbbell heads each have a recess for the positive reception of the bridge element. If the measuring cell itself has a modular design, the entire load cell can be chosen from a modular system of any type.

Je nach Anforderung (zum Beispiel unterschiedliche Messbereiche) können unterschiedlich stark ausgebildete Komponenten verwendet werden. Der modulartige Aufbau der Messzelle selbst ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Kraftmesssen- sorik mittels Sputter-Technik auf das Brückenelement aufgebracht wird. Im zusammengebauten Zustand der Hanteln lässt sich die Sputter-Technik nur schwer auf das Brückenelement anwenden, was sich schlimmstenfalls in einer nicht ausreichend homogenen Oberflächenbeschaffenheit des Brückenelements bzw. der mittels der Sputter-Technik herzustellenden Sensorik äußert.Depending on the requirement (for example, different measuring ranges), components of different strengths can be used. The modular construction of the measuring cell itself is particularly advantageous if the force measuring sensor system is applied to the bridge element by means of a sputtering technique. In the assembled state of the dumbbells, the sputtering technique is difficult to apply to the bridge element, which manifests itself in the worst case in a not sufficiently homogeneous surface finish of the bridge element or the sensor produced by the sputtering technique.

Insbesondere wenn die Sputter-Technik zur Herstellung der Kraftmesssensorik verwendet wird, das heißt wenn Dehnungsmessleitungen atomarer Größenordnung gewünscht sind, werden bevorzugt Plättchen als Brückenelement verwendet. Die Plättchen lassen sich auf einfache Weise in entsprechende Aussparungen in den Stirnseiten der Handelköpfe einführen. Das Plättchen selbst weist eine ausreichend große Fläche auf, um die Sputter-Technik zufriedenstellend anwenden zu können.In particular, when the sputtering technique is used to make the force sensing sensor, that is, when strain gauges of the atomic order are desired, platelets are preferably used as the bridge element. The platelets can be easily inserted into corresponding recesses in the front sides of the commercial heads. The wafer itself has a sufficiently large area to be able to use the sputtering technique satisfactorily.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Brückenelement einen kreuzförmigen Querschnitt auf.According to a further preferred embodiment, the bridge element has a cross-shaped cross section.

Mit einem kreuzförmigen Querschnitt lassen sich mehrere Kraftmesssensoren auf den jeweiligen Flächen des Brückenelements anordnen. Flächen, die in ein und derselben Ebene liegen, können zur Bestimmung einer Kraftkomponente in einer ersten Richtung verwendet werden. Die Sensoren, die auf der anderen Ebene angeordnet sind, können zur Bestimmung einer zweiten Kraftkomponente verwendet werden, die um 90° zur ersten Kraftkomponente gedreht orientiert ist. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Brückenelement vierkantförmig und innen hohl ausgebildet ist. Mit einem vierkantförmigen Brückenelement lassen sich sowohl (richtungsabhängig) Biegekräfte als auch Scherkräfte hervorragend messen.With a cross-shaped cross section, several force measuring sensors can be arranged on the respective surfaces of the bridge element. Surfaces lying in one and the same plane can be used to determine a force component in a first direction. The sensors disposed on the other plane may be used to determine a second force component that is oriented rotated 90 ° to the first force component. Furthermore, it is advantageous if the bridge element is square-shaped and hollow inside. With a square-shaped bridge element both (direction-dependent) bending forces and shearing forces can be measured excellently.

Für die Messung von Torsionskräften ist insbesondere die Verwendung eines zylinderförmigen Brückenelements vorteilhaft. Mit Hilfe eines Massivzylinders lassen sich hervorragend Verwindungskräfte von einer Stirnfläche her zur anderen Stirnfläche hin übertragen. In diesem Fall wird die Kraftmesssensorik an der Außenseite des Zylinders angebracht, um die mechanische Verformung des zylinderförmigen Brückenabschnitts gut detektieren zu können. Je größer der Radius des Brückenelements ist, desto geringer ist die Verwindungssteifigkeit, d.h. das Drehmoment nimmt zu.In particular, the use of a cylindrical bridge element is advantageous for the measurement of torsional forces. With the help of a solid cylinder, excellent torsional forces can be transmitted from one end face to the other end face. In this case, the force measuring sensor is mounted on the outside of the cylinder in order to detect the mechanical deformation of the cylindrical bridge section well. The larger the radius of the bridge element, the lower the torsional rigidity, i. the torque increases.

Vorzugsweise ist die Messzelle (z.B. DMS) im Bereich der Mitte in axialer Richtung angeordnet, so dass auch bei Einwirkung einer Torsionskraft gar kein bzw. nur ein geringes Drehmoment übertragen wird.The measuring cell (for example strain gauge) is preferably arranged in the axial direction in the region of the center, so that no torque or only a slight torque is transmitted even when a torsional force is applied.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zwei Messzellen vorgesehen, die jeweils in eine axiale Bohrung einführbar sind.According to a further advantageous embodiment, two measuring cells are provided which are each insertable in an axial bore.

Durch das Vorsehen von zwei Messzellen ist man richtungsunabhängig, insofern dass die Messrichtung variabel durch die Positionierung eingestellt werden kann. Es ist dadurch auch möglich Messachsen in X- und Y-Messrichtung herzustellen.By providing two measuring cells one is independent of the direction in that the measuring direction can be adjusted variably by the positioning. It is therefore also possible to produce measuring axes in the X and Y measuring direction.

Vorzugsweise sind die zwei Messzellen in zwei axiale Bohrungen einführbar, die sich von den Stirnflächen des Achskörpers in Richtung des Achsinneren konzentrisch zur Längsachse erstrecken.Preferably, the two measuring cells are insertable into two axial bores which extend concentrically with the longitudinal axis from the end faces of the axle body in the direction of the axis of the axle.

Alternativ können an ein und derselben Stirnfläche zwei koaxiale Bohrungen vorgesehen werden. Die Verbindung zwischen dem ersten Modul, das den Achskörper umfasst, und dem zweiten Modul, das die Messzelle (mit eigenem Messzellenkörper) umfasst, erfolgt vorzugsweise kraftschlüssig. Eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Messzelle und Achskörper ist insofern von Vorteil, dass das Messzellenmodul einfach in das Achsmodul eingebaut werden kann, wobei geringere Anforderungen an die Genauigkeit der äußeren Kontur gestellt werden können. Die äußere Gestalt des Messzellenmoduls muss nicht mehr zwingend annähernd identisch zur Gestalt der axialen Bohrung im Achskörpermodul sein, da die Kraftübertragung (während einer Messung) nicht mehr (ausschließlich) über die Flächenverbindung, sondern über den Kraft- schluss zwischen den beiden Modulen erfolgt. Ein großer Vorteil ist also darin zu sehen, dass die Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit geringer werden. Weiter wird der Einbau auch erleichtert. Gleiches gilt für Wartungen und einen Austausch des Messzellenmoduls.Alternatively, two coaxial bores can be provided on one and the same end face. The connection between the first module, which comprises the axle body, and the second module, which comprises the measuring cell (with its own measuring cell body), preferably takes place in a force-locking manner. A frictional connection between the measuring cell and the axle body is advantageous in that the measuring cell module can be easily installed in the axle module, with lower demands on the accuracy of the outer contour can be made. The outer shape of the measuring cell module no longer necessarily has to be approximately identical to the shape of the axial bore in the axle module, since the force transmission (during a measurement) is no longer (exclusively) via the surface connection, but via the frictional connection between the two modules. A great advantage is therefore to be seen in the fact that the requirements for manufacturing accuracy are lower. Next, the installation is also facilitated. The same applies to maintenance and replacement of the measuring cell module.

Vorzugsweise weist der Messzellenkörper mindestens einen ersten Befestigungsabschnitt sowie einen Verformungsabschnitt auf. Der Messzellenkörper kann ferner einen zweiten Befestigungsabschnitt aufweisen. Der Verformungsabschnitt ist insbesondere in axialer Richtung zwischen dem ersten und zweiten Befestigungsabschnitt angeordnet. Ferner trägt er das elektrische Messsystem.The measuring cell body preferably has at least one first fastening section and a deformation section. The measuring cell body may further comprise a second attachment portion. The deformation section is arranged in particular in the axial direction between the first and second attachment section. He also carries the electrical measuring system.

Ein derartiger Aufbau ermöglicht eine einfache Implementierung des Scher- bzw. Biegebalkenprinzips.Such a construction allows a simple implementation of the shear beam principle.

Ferner ist es von Vorteil, wenn die Befestigungsabschnitte Bohrungen in axialer Richtung zur Aufnahme von vorzugsweise Schrauben aufweisen, wobei die Bohrungen so angeordnet sind, dass sie sich, in axialer Richtung betrachtet, nicht überdecken und in axialer Richtung gleichzeitig zugänglich sind.Further, it is advantageous if the fastening portions have bores in the axial direction for receiving preferably screws, wherein the bores are arranged so that they, viewed in the axial direction, do not overlap and are simultaneously accessible in the axial direction.

Somit ist gewährleistet, dass das Messzellenmodul einfach mit dem Achskörpermodul verschraubt werden kann. Das Einsetzen der Schrauben wird dadurch vereinfacht, dass alle Bohrungen frei zugänglich sind, insbesondere gleichzeitig frei zugänglich sind. Deshalb ist es auch egal, in welcher Reihenfolge die Schrauben eingesetzt werden. Notfalls können auch nur einzelne Schrauben ausgetauscht werden. Sollte es erforderlich sein, können einzelne Schrauben auch nachgezogen werden, um die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Messzellenmodul und dem Achskörpermodul sicherzustellen.This ensures that the measuring cell module can be simply screwed to the axle body module. The insertion of the screws is simplified in that all holes are freely accessible, especially at the same time freely accessible are. Therefore, it does not matter in which order the screws are used. If necessary, only a few screws can be replaced. Should it be necessary, individual screws can also be tightened to ensure the frictional connection between the measuring cell module and the axle body module.

Auch ist es von Vorteil, wenn die Bohrungen im Messzellenkörper gewindefrei sind.It is also advantageous if the holes in the measuring cell body are thread-free.

So umgeht man Probleme, die auf ein Spiel in axialer Richtung aufgrund des Gewindespiels zurückzuführen sind.This avoids problems that are due to a game in the axial direction due to the thread play.

Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Befestigungsabschnitte im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung orientiert sind.In particular, it is preferred if the attachment portions are oriented substantially perpendicular to the axial direction.

Dies erleichtert den Einbau des Messzellenmoduls in den Achskörper. Es kann in axialer Richtung unter Vermeidung von Anstellwinkeln eingebaut werden.This facilitates the installation of the measuring cell module in the axle body. It can be installed in the axial direction while avoiding angles of attack.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Befestigungsabschnitte entweder parallel versetzt oder senkrecht zueinander orientiert.According to a further preferred embodiment, the fastening portions are either offset in parallel or oriented perpendicular to each other.

Auch diese Maßnahme ermöglicht es, dass die verschiedenen Schrauben jederzeit zugänglich sind und einzeln ausgetauscht werden können. Bei Sicherung über Kreuz lassen sich auch Torsionskräfte gut übertragen. Eine gute verteilte Anordnung der Schrauben ist von Vorteil.This measure also makes it possible that the various screws are accessible at any time and can be replaced individually. When secured crosswise, torsional forces can also be transferred well. A good distributed arrangement of the screws is advantageous.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Verformungsabschnitt plättchenförmig ausgebildet. Er weist insbesondere eine geringere Stärke als die Befestigungsabschnitte auf.According to a further embodiment, the deformation section is platelet-shaped. In particular, it has a lower thickness than the fastening sections.

Diese Maßnahme erhöht die Empfindlichkeit des Gesamtmesssystems. Ferner ist es bevorzugt, wenn eine Form bzw. Gestalt der axialen Bohrung des Achskörpers so gewählt ist, dass das zweite Modul von außen eingeführt werden kann, wobei die Form der axialen Bohrung des Achskörpers so gewählt ist, dass zumindest einer der Befestigungsabschnitte formschlüssig aufgenommen wird.This measure increases the sensitivity of the overall measuring system. Further, it is preferred if a shape or shape of the axial bore of the axle body is chosen so that the second module can be inserted from the outside, wherein the shape of the axial bore of the axle body is selected so that at least one of the mounting portions is positively received ,

Insbesondere wird auch der andere Befestigungsabschnitt zumindest teilweise formschlüssig aufgenommen.In particular, the other attachment portion is at least partially positively received.

Bei dieser Ausgestaltung kommt es zu einer Kraftübertragung sowohl aufgrund eines Formschlusses als auch eines Kraftschlusses, so dass jederzeit gewährleistet ist, dass das elektrische Messsystem auch tatsächlich ein Signal erzeugt, das durch eine Verformung des Gesamtsystems hervorgerufen wird.In this embodiment, there is a force transmission both due to a positive connection and a frictional connection, so that it is ensured at all times that the electrical measuring system actually generates a signal that is caused by a deformation of the entire system.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messachse, die in Längsrichtung geschnitten dargestellt ist;Figure 1 is a perspective view of a measuring axis according to the invention, which is shown in section in the longitudinal direction;

Figuren 2A-C verschiedene Darstellungen einer Messzelle gemäß der vorliegenden Erfindung;FIGS. 2A-C show different representations of a measuring cell according to the present invention;

Figuren 3A-C verschiedene Ausgestaltungen eines Brückenelements einerFigures 3A-C different embodiments of a bridge element of a

Messzelle gemäß der vorliegenden Erfindung; Figur 4 eine Schnittansicht eines Achskörpers mit konisch ausgestalteter axialer Bohrung und konischer Messzelle gemäß der vorliegenden Erfindung;Measuring cell according to the present invention; Figure 4 is a sectional view of an axle body with conical axial bore and conical measuring cell according to the present invention;

Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer Messachse gemäß dem Stand der Technik;Figure 5 is a perspective view of a measuring axis according to the prior art;

Figuren 6A-D eine Vorderansicht, Seitenansicht, Draufsicht bzw. perspektivische Ansicht einer abgewandelten Messzelle gemäß der vorliegenden Erfindung;FIGS. 6A-D are a front view, a side view, a plan view and a perspective view, respectively, of a modified measuring cell according to the present invention;

Figuren 7A-D eine Vorderansicht, Seitenansicht, Draufsicht bzw. perspektivische Ansicht einer weiteren abgewandelten Messzelle gemäß der vorliegenden Erfindung; undFIGS. 7A-D are front, side, top and perspective views, respectively, of another modified measuring cell according to the present invention; and

Figur 8A-D eine Vorderansicht, Seitenansicht, Draufsicht bzw. perspektivische Ansicht einer noch weiter abgewandelten Messzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.Figure 8A-D is a front view, side view, plan view and perspective view of a still further modified measuring cell according to the present invention.

In den nachfolgenden Figuren werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.In the following figures, the same elements will be denoted by the same reference numerals.

In Figur 1 ist eine Messachse bzw. ein Kraftaufnehmersystem 10 in perspektivischer Ansicht dargestellt.FIG. 1 shows a measuring axis or a force transducer system 10 in a perspective view.

Die Messachse 10 weist einen Messachsenkörper 12 mit einer konzentrischen axialen Bohrung 14 auf. Die axiale Bohrung 14 erstreckt sich entlang einer Längsachse 16.The measuring axis 10 has a measuring axis body 12 with a concentric axial bore 14. The axial bore 14 extends along a longitudinal axis 16.

Der Messachsenkörper 12 umfasst des Weiteren einen Krafteinleitungsabschnitt 18, auf den gewöhnlicherweise eine mit einem Pfeil 20 symbolisierte Kraft im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse 16 auf die Messachse 10 wirkt. An den Kraftein- leitungsabschnitt 18 schließen sich Verformungsabschnitte 22 an. Der Achskörper 12 ist dort in umfängliche Richtung 24 weniger stark ausgebildet als im Krafteinleitungsbereich 18. Der Achskörper 12 kann zum Beispiel aus Rundmaterial hergestellt werden, in das rundumlaufende Nuten 25 gefräst oder gedreht werden, um die Verformungsabschnitte 22 auszubilden.The measuring axis body 12 further comprises a force introduction section 18, to which usually acts a symbolized by an arrow 20 force substantially perpendicular to the longitudinal axis 16 on the measuring axis 10. At the power line section 18 close to deformation sections 22. The axle body 12 is formed there less extensively in the circumferential direction 24 than in the force introduction region 18. The axle body 12 may be made of round material, for example, are milled or rotated in the circumferential grooves 25 to form the deformation sections 22.

An die Verformungsabschnitte 22 wiederum schließen sich Lagerabschnitte 28 an, die zur Aufnahme in entsprechend ausgebildeten Halteelementen, wie sie exemplarisch in Figur 5 bereits dargestellt sind, geeignet sind.The deforming sections 22 are adjoined by bearing sections 28, which are suitable for receiving in correspondingly formed holding elements, as they are already exemplarily illustrated in FIG.

Es ist festzustellen, dass die Messachse 10 mit jeweils mindestens einem Verformungsabschnitt 22 und mindestens einem Lagerabschnitt 28 ausgebildet ist.It should be noted that the measuring axis 10 is formed with at least one deformation section 22 and at least one bearing section 28.

Was die axiale Bohrung 14 betrifft, so kann deren Durchmesser im Lagerabschnitt 28 in Richtung der äußeren Stirnseiten der Messachse 10 stufenartig oder kontinuierlich variieren. Im Bereich der Verformungsabschnitte 22 und des Krafteinleitungsabschnitts 16 weist der Durchmesser üblicherweise einen konstanten Wert auf. Der Durchmesser entspricht dabei im Wesentlichen dem Durchmesser einer Messzelle 30, die einen Messzellenkörper 32 umfasst. Auf die Form des Messzellenkörpers 32 wird in Zusammenhang mit Figuren 2A bis 2C noch detailliert Bezug genommen.As far as the axial bore 14 is concerned, its diameter in the bearing section 28 can vary stepwise or continuously in the direction of the outer end faces of the measuring axis 10. In the region of the deformation sections 22 and the force introduction section 16, the diameter usually has a constant value. The diameter corresponds essentially to the diameter of a measuring cell 30, which comprises a measuring cell body 32. The shape of the measuring cell body 32 will be referred to in detail in connection with FIGS. 2A to 2C.

Im Bereich der inneren axialen Bohrung 14 ist diese bei der Ausgestaltung gemäß der Figur 1 in drei Abschnitte unterteilt. Die axiale Bohrung 14 weist zwei Messzellenabschnitte 34 sowie einen Mittelabschnitt 36 auf. Der Durchmesser der Messzellenabschnitte 34 entspricht dabei, wie bereits oben erwähnt, nahezu dem Durchmesser der Messzelle. Der Durchmesser des Mittelabschnitts 36 kann wiederum variieren. Vorzugsweise nimmt der Durchmesser im Mittelabschnitt 36 nochmals ab, so dass sich eine Stufe im Mittelabschnitt 36 ausbildet, die als mechanischer Anschlag für die Messzellen 30 dient. Bezug nehmend auf Figuren 2A - C ist eine weitere Ausführungsform einer Messzelle 30' gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Figur 2A zeigt eine Schnittansicht, ähnlich zu dem in Figur 1 dargestellten Schnitt. Figur 2B zeigt eine Draufsicht auf ein mittleres Element der Messzelle 30'. Figur 2C zeigt eine Vorderansicht einer Stirnseite der Messzelle 30' entlang der Längsachse 16.In the region of the inner axial bore 14, this is divided into three sections in the embodiment according to FIG. The axial bore 14 has two measuring cell sections 34 and a middle section 36. The diameter of the measuring cell sections 34 corresponds, as already mentioned above, almost to the diameter of the measuring cell. The diameter of the central portion 36 may in turn vary. The diameter in the middle section 36 preferably decreases again, so that a step is formed in the middle section 36, which serves as a mechanical stop for the measuring cells 30. Referring to Figures 2A-C, another embodiment of a measuring cell 30 'according to the present invention is illustrated. FIG. 2A shows a sectional view, similar to the section shown in FIG. FIG. 2B shows a plan view of a middle element of the measuring cell 30 '. FIG. 2C shows a front view of an end face of the measuring cell 30 'along the longitudinal axis 16.

In Figur 2A ist in der seitlichen Schnittansicht links ein Hantelkopf 40 und rechts ein Hantelkopf 42 dargestellt. Die beiden Hantelköpfe 40 und 42 werden mittels eines Brückenelements 44 miteinander verbunden. Die Messzelle 30' kann sowohl einteilig als auch mehrteilig ausgebildet sein. Bei der Ausgestaltung gemäß der Figur 2A ist ein mehrteiliger Aufbau gezeigt.FIG. 2A shows a dumbbell head 40 on the left in the lateral sectional view and a dumbbell head 42 on the right. The two dumbbell heads 40 and 42 are connected to each other by means of a bridge element 44. The measuring cell 30 'may be formed both in one piece and in several parts. In the embodiment according to FIG. 2A, a multi-part construction is shown.

In sich gegenüberliegenden Stirnflächen 46 und 48 der Hantelköpfe 40 bzw. 42 sind entsprechende Aussparungen 50 (vgl. auch Figur 2C) dargestellt, die zur Aufnahme des plättchenförmigen Brückenelements 44 geeignet sind.In opposite end surfaces 46 and 48 of the dumbbell heads 40 and 42 corresponding recesses 50 (see also Figure 2C) are shown, which are suitable for receiving the platelet-shaped bridge member 44.

Das plättchenförmige Element 44 ist in Figur 2B in Draufsicht schematisch dargestellt. In einem mittleren Bereich 52 des Brückenelements 44 ist ein Kraftmesssensor 54 angeordnet. Der Kraftmesssensor 54 wird hier durch zwei Folien-DMS 56 und 58 realisiert. Aus Gründen der Redundanz sind zwei DMS vorgesehen. Ein DMS (Vollbrücke) würde jedoch ausreichen.The plate-shaped element 44 is shown schematically in plan view in FIG. 2B. In a middle region 52 of the bridge element 44, a force measuring sensor 54 is arranged. The force measuring sensor 54 is realized here by two foil strain gages 56 and 58. For reasons of redundancy, two strain gauges are provided. A DMS (full bridge) would be sufficient.

Der mehrteilige Aufbau der Messzelle 30' hat den Vorteil, dass das plättchenförmige Brückenelement 44 nicht nur mit Folien-DMS 56 und 58 beklebt werden kann, sondern dass auch Sputter-Techniken angewendet werden können. Die Fläche des plättchenförmigen Brückenelements 44 ist ausreichend groß, um einen Ionenstrahl bei der Sputter-Technik präzise führen zu können, damit eine homogene Verteilung auf der Oberfläche erzielt wird, die bei einer einstückig ausgebildeten Messzelle nicht erreichbar wäre, da unter Umständen die Hantelköpfe 40 und 42 im Weg wären. Alternativ könnten gesputterte Zellen auch aufgeschweißt werden. Zurückkehrend zur Figur 2A können die Hantelköpfe 40 und 42 zusätzlich auch mit Rillen bzw. Vertiefungen 60 versehen sein, die sich in Umfangsrichtung 24 erstrecken. Die Rillen 60 dienen u.a. zur Aufnahme von O-Ringen 62. Ferner kann Klebstoff in die Rillen 60 eingefügt werden, um die Messzelle 30' mit dem Achskörper 12 zu verkleben. Auf diese Weise erhält man eine sichere Fixierung der Messzelle 30' im Achskörper 12. Die O-Ringe 62 dichten dann die Messzelle gegenüber der Außenwelt ab. Die Messzelle ist dann vor äußeren Einflüssen geschützt.The multi-part construction of the measuring cell 30 'has the advantage that the platelet-shaped bridge element 44 can not only be stuck with foil DMS 56 and 58, but that sputtering techniques can also be used. The area of the plate-shaped bridge element 44 is sufficiently large to precisely guide an ion beam in the sputtering technique, so that a homogeneous distribution on the surface is achieved, which would not be achievable in a one-piece measuring cell, as may the dumbbell heads 40 and 42 would be in the way. Alternatively, sputtered cells could also be welded on. Returning to FIG. 2A, the dumbbell heads 40 and 42 may additionally be provided with grooves or recesses 60 which extend in the circumferential direction 24. The grooves 60 are used inter alia for receiving O-rings 62. Furthermore, adhesive can be inserted into the grooves 60 in order to glue the measuring cell 30 'to the axle body 12. In this way, a secure fixation of the measuring cell 30 'in the axle body 12 is obtained. The O-rings 62 then seal off the measuring cell from the outside world. The measuring cell is then protected against external influences.

In den Figuren 3A bis 3C sind weitere Querschnittsformen für das Brückenelement 44 gezeigt. So zeigt Figur 3A einen kreuzförmigen Querschnitt, Figur 3B einen (massiven) kreisförmigen Querschnitt und Figur 3 C einen vierkantförmigen Querschnitt, der innen hohl ist. Die Kraftmesssensorik lässt sich an den jeweiligen Außenflächen anbringen.FIGS. 3A to 3C show further cross-sectional shapes for the bridge element 44. Thus, FIG. 3A shows a cross-shaped cross-section, FIG. 3B a (solid) circular cross-section, and FIG. 3C a square-shaped cross-section, which is hollow on the inside. The force measuring sensor can be attached to the respective outer surfaces.

Die massive zylindrische Form des Brückenelements 44 der Figur 3B hat sich insbesondere bei der Messung von Scherkräften als vorteilhaft herausgestellt.The massive cylindrical shape of the bridge element 44 of Figure 3B has been found to be particularly advantageous in the measurement of shear forces.

Figur 4 zeigt eine weitere Möglichkeit, wie eine Messzelle 30" gemäß der vorliegenden Erfindung zuverlässig mit einem Achskörper 12" verbunden werden kann.FIG. 4 shows a further possibility of how a measuring cell 30 "according to the present invention can be reliably connected to an axle body 12".

Figur 4 zeigt eine Schnittansicht entlang der Längsachse 16. Die Messzelle 30" ist in die axiale Bohrung 14" eingeführt. Die axiale Bohrung 14" ist im Messzellenabschnitt 34" konisch ausgebildet. Um dies besser grafisch darstellbar machen zu können, ist eine Hilfslinie 70 eingezeichnet, die den „normalen" Verlauf einer zylindrischen Axialbohrung zeigt (vgl. Figur 1).FIG. 4 shows a sectional view along the longitudinal axis 16. The measuring cell 30 "is inserted into the axial bore 14". The axial bore 14 "is conical in the measuring cell section 34". In order to make this better graphically representable, an auxiliary line 70 is shown, which shows the "normal" course of a cylindrical axial bore (see Figure 1).

Damit die Messzelle 30" in die axiale Bohrung 14" einführbar ist, sind die Hantelköpfe 40" und 42" ebenfalls entsprechend konisch ausgebildet.So that the measuring cell 30 "into the axial bore 14" is inserted, the dumbbell heads 40 "and 42" are also formed correspondingly conical.

An den Messzellenabschnitt 34 der axialen Bohrung 14" schließt sich ein Gewindeabschnitt 72 mit einem Gewinde 74 an. Der Gewindeabschnitt 72 dient zur Aufnah- me eines Sperrkörpers 76, der außenumfänglich ebenfalls mit einem entsprechenden Gewinde 78 versehen ist.The measuring cell section 34 of the axial bore 14 "is adjoined by a threaded section 72 with a thread 74. The threaded section 72 serves for receiving me a locking body 76, the outer circumference is also provided with a corresponding thread 78.

Mit Hilfe des Sperrkörpers 76 lässt sich die Messzelle 30" auf einfache Weise ins Innere der axialen Bohrung 14 pressen. Ferner ist die Messzelle 30" gegen ein Herausfallen gesichert.With the aid of the blocking body 76, the measuring cell 30 "can be pressed in a simple manner into the interior of the axial bore 14. Furthermore, the measuring cell 30" is secured against falling out.

Um die Verdrahtung einer Kraftmesssensorik 54 durchführen zu können, weisen sowohl der Sperrkörper 76 als auch die Messzelle 30" vorzugsweise entsprechende Durchführungen 80 bzw. 82 auf.In order to be able to carry out the wiring of a force-measuring sensor system 54, both the blocking body 76 and the measuring cell 30 "preferably have corresponding feedthroughs 80 and 82, respectively.

Es versteht sich, dass man die Messzelle auch auf andere Art und Weise mit dem Achskörper verbinden kann. Die Messzelle könnte beispielsweise auch mit dem Achskörper verschweißt werden. Der Sperrkörper wäre dann überflüssig. Die Schweißnaht würde die Messzelle sichern.It is understood that you can connect the measuring cell in other ways with the axle body. The measuring cell could for example also be welded to the axle body. The blocking body would then be superfluous. The weld would secure the measuring cell.

Ferner kann das erfindungsgemäße modulare Kraftaufnehmersystem auch Anwendung bei Kraftmessdosen bzw. -ringen, Messlaschen und ähnlichen Kraftmesssystemen finden.Furthermore, the modular force transducer system according to the invention can also find application in load cells or measuring rings, measuring straps and similar force measuring systems.

Nachfolgend werden Abwandlungen der Messzelle beschrieben werden, wobei am modularen Gedanken festgehalten wird, d.h. die Messzelle wird weiterhin außerhalb der Messachse präpariert (Verklebung, Verdrahtung, etc.) und anschließend in den Achskörper eingeführt, um das Gesamtsystem zu vervollständigen.Hereinafter, modifications of the measuring cell will be described taking the modular idea, i. The measuring cell is further prepared outside the measuring axis (gluing, wiring, etc.) and then introduced into the axle body to complete the overall system.

Abweichend von dem bisher vorgeschlagenen Lösungsweg, das erste Modul (Messachsenkörper) formschlüssig mit dem zweiten Modul (Messzelle) zu verbinden, werden nachfolgend verschiedene Messzellentypen im Zusammenhang mit den Figuren 6 bis 8 erläutert werden. Es versteht sich, dass die axiale Bohrung 14 im Achskörper 12 - was ihre Gestalt betrifft - entsprechend abgewandelt wird. Eine Abwandlung der Ausgestaltung der axialen Bohrung 14 des Achskörpers 12 ist nachfolgend nicht graphisch dargestellt, jedoch für einen Fachmann ohne weiteres aufgrund der bisher vorliegenden Beschreibung nachvollziehbar.Deviating from the previously proposed solution, the first module (measuring axis body) positively to connect to the second module (measuring cell), various types of measuring cells will be explained below in connection with Figures 6 to 8. It is understood that the axial bore 14 in the axle body 12 - which is their shape - is modified accordingly. A modification of the configuration of the axial bore 14 of the axle body 12 is not below illustrated graphically, but readily understandable for a person skilled in the art due to the description available so far.

Figur 6A zeigt eine Vorderansicht einer ersten abgewandelten Messzelle 100 zur kraftschlüssigen Verbindung mit dem Messachsenkörper 12. Figur 6B zeigt eine Seitenansicht der Figur 6A. Figur 6C zeigt eine Draufsicht auf die erste Abwandlung gemäß den Figuren 6A und 6B. Figur 6B zeigt eine perspektivische Ansicht der ersten Abwandlung der Messzelle 100.FIG. 6A shows a front view of a first modified measuring cell 100 for non-positive connection with the measuring axis body 12. FIG. 6B shows a side view of FIG. 6A. FIG. 6C shows a plan view of the first modification according to FIGS. 6A and 6B. FIG. 6B shows a perspective view of the first modification of the measuring cell 100.

Die Messzelle 100 umfasst einen Messzellenkörper 101. Der Messzellenkörper 101 weist einen Verformungsabschnitt 102 sowie einen ersten Befestigungsabschnitt 104 und einen zweiten Befestigungsabschnitt 106 auf. Der Verformungsabschnitt 102 ist zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt 104 und dem zweiten Befestigungsabschnitt 106 angeordnet. Auch hier ist die lichte Länge des Verformungsabschnittes 102 (vgl. lichte Länge des Brückenelements 44 der Figur 2) vorzugsweise so lang wie die axiale Länge des Verformungsabschnitts 22 des Messachsenkörpers 12 (vgl. z.B. Figur 4). Auch hier kann der Messzellenkörper 101 einstückig oder mehrteilig aufgebaut sein. Der Verformungsabschnitt trägt das elektrische Messsystem, wie in den Figuren 6A und 6B durch exemplarische Folien-DMS 56 angedeutet.The measuring cell 100 comprises a measuring cell body 101. The measuring cell body 101 has a deformation section 102 as well as a first fastening section 104 and a second fastening section 106. The deformation portion 102 is disposed between the first attachment portion 104 and the second attachment portion 106. Again, the clear length of the deforming portion 102 (see the clear length of the bridge member 44 of Figure 2) is preferably as long as the axial length of the deforming portion 22 of the measuring axis body 12 (see, e.g., Figure 4). Again, the measuring cell body 101 may be constructed in one piece or in several parts. The deformation section carries the electrical measuring system, as indicated in FIGS. 6A and 6B by exemplary foil SGs 56.

In Figur 6B ist die axiale Richtung mittels eines Pfeils 130 angedeutet. Die Messzelle 100 wird in Richtung des Pfeils 130 in axialer Richtung in den Messzellenkörper 12 eingebaut (vgl. Figur 1). Der Pfeil 130 ist dabei parallel zur Längsachse 16 der Figur 1 orientiert.In FIG. 6B, the axial direction is indicated by means of an arrow 130. The measuring cell 100 is installed in the direction of the arrow 130 in the axial direction in the measuring cell body 12 (see Figure 1). The arrow 130 is oriented parallel to the longitudinal axis 16 of Figure 1.

Die Messzelle 100 der Figur 6 umfasst eine Vielzahl von in axialer Richtung verlaufenden Bohrungen 108 (vgl. Figuren 6C und 6D). Diese sind vorzugsweise gewindefrei. Durch die Bohrungen bzw. Öffnungen 108 laufen - im eingebauten Zustand der Messzelle 100 - beispielsweise Schrauben, die in entsprechende Öffnungen im Messachsenkörper eingreifen (nicht dargestellt). Dazu weist auch der Messachsenkörper 12 entsprechende Gewindebohrungen auf. Im ersten Befestigungsabschnitt 104 sind exemplarisch vier Bohrungen 108 vorgesehen. Im zweiten Befestigungsabschnitt 106 sind hier zwei Bohrungen 108 vorgesehen. Die Bohrungen 108 des ersten Befestigungsabschnittes 104 sind im Wesentlichen entlang Parallelen zu einer Hilfslinie 103 orientiert. Die Bohrungen 108 des zweiten Befestigungsabschnittes 106 sind entlang einer Hilfslinie 105 angeordnet. Die Hilfslinie 105 verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Hilfslinie 103 (vgl. Figur 6D). Die Hilfslinien 103 und 105 wiederum stehen vorzugsweise senkrecht auf der Längsachse 16 (vgl. Figur 1) bzw. dem senkrechten Pfeil 130.The measuring cell 100 of Figure 6 comprises a plurality of bores 108 extending in the axial direction (see Figures 6C and 6D). These are preferably thread-free. Through the holes or openings 108 run - in the installed state of the measuring cell 100 - for example, screws which engage in corresponding openings in the measuring axis body (not shown). For this purpose, the measuring axis body 12 has corresponding threaded holes. In the first attachment portion 104, four holes 108 are provided by way of example. In the second attachment portion 106, two holes 108 are provided here. The holes 108 of the first attachment portion 104 are oriented substantially parallel to an auxiliary line 103. The bores 108 of the second attachment portion 106 are arranged along an auxiliary line 105. The auxiliary line 105 runs essentially perpendicular to the auxiliary line 103 (see FIG. 6D). The auxiliary lines 103 and 105, in turn, are preferably perpendicular to the longitudinal axis 16 (cf., FIG. 1) or the vertical arrow 130.

In Figur 6D erkennt man deutlich, dass der erste Befestigungsabschnitt 104 wesentlich breiter ausgebildet ist (nahezu doppelt so breit) wie der zweite Befestigungsabschnitt 106. Dies hat den einfachen Grund, um eine größere Fläche zum Vorsehen von mehreren Bohrungen 108 bereitzustellen. In der Draufsicht der Figur 6C ist deutlich zu erkennen, dass alle Bohrungen 108 gleichzeitig zugänglich sind, so dass bei einem Einbau der Messzelle 100 in einen Messachsenkörper alle Schrauben gut zugänglich sind. Es versteht sich, dass die Kontur der axialen Bohrung 14 (vgl. Figur 1) entsprechend an die Form der Befestigungsabschnitte 104 und 106 angepasst ist.In Figure 6D, it can be seen clearly that the first attachment portion 104 is substantially wider (nearly twice as wide) as the second attachment portion 106. This has the simple reason to provide a larger area for providing multiple holes 108. In the plan view of Figure 6C can be clearly seen that all holes 108 are accessible at the same time, so that when installing the measuring cell 100 in a Meßachsenkörper all screws are easily accessible. It is understood that the contour of the axial bore 14 (see Figure 1) is adapted to the shape of the mounting portions 104 and 106 accordingly.

Die Form der axialen Bohrung 14 ist für den Befestigungsabschnitt 106 vorzugsweise so gewählt, dass dieser formschlüssig aufgenommen wird. Der Verformungsabschnitt 102 ist im eingebauten Zustand vorzugsweise vollständig im Bereich des Verformungsabschnitts 22 der Messachse angeordnet. Die axiale Bohrung 14 hat im Bereich des Verformungsabschnitts 102 mindestens die Breite desselben, so dass der Verformungsabschnitt 102 vorzugsweise nicht mit dem Messachsenkörper 12 in Berührung steht. Dazu kann der Verformungsabschnitt 102 entsprechende seitliche Ausnehmungen aufweisen, wie es exemplarisch in der Figur 6A angedeutet ist.The shape of the axial bore 14 is preferably selected for the attachment portion 106 so that it is received in a form-fitting manner. In the installed state, the deformation section 102 is preferably arranged completely in the region of the deformation section 22 of the measuring axis. The axial bore 14 has in the region of the deformation portion 102 at least the width thereof, so that the deformation portion 102 is preferably not in contact with the measuring axis body 12. For this purpose, the deformation section 102 can have corresponding lateral recesses, as is indicated by way of example in FIG. 6A.

Der Durchmesser der Bohrung 14 nimmt dann - je weiter man axial nach außen geht - weiter zu, um beim Einführen der Messzelle 100 einen Anschlag für den ersten Befestigungsabschnitt 104 zu bilden. In diesem Bereich sind ebenfalls Bohrungen im Messachsenkörper 12 vorzusehen, die deckungsgleich mit den Bohrungen 108 der Messzelle 100 sind, um die Messzelle 100 mit dem Messachsenkörper 12 kraftschlüs- sig verschrauben zu können. Es versteht sich, dass auch andere kraftschlüssige Befestigungsarten (z.B. Nieten) gewählt werden könnten.The diameter of the bore 14 then increases - the further one goes axially outwards - to continue to form upon insertion of the measuring cell 100, a stop for the first mounting portion 104. In this area, bores are likewise to be provided in the measuring axis body 12 which are congruent with the bores 108 of the measuring cell 100, in order to force-lock the measuring cell 100 to the measuring axis body 12. to screw sig. It is understood that other non-positive fastening types (eg rivets) could be selected.

Figur 7 A bis 7D zeigt eine weitere Abwandlung der Messzelle 110, die ganz ähnlich zu der Messzelle 100 der Figur 6 aufgebaut ist. Im Nachfolgenden werden deshalb nur noch die Unterschiede detaillierter erläutert werden.FIGS. 7A to 7D show a further modification of the measuring cell 110, which is constructed very similar to the measuring cell 100 of FIG. In the following, therefore, only the differences will be explained in more detail.

Die Messzelle 110 der Figur 7 weist einen Messzellenkörper 111 auf. Ferner umfasst sie einen Verformungsabschnitt 112 sowie einen ersten Befestigungsabschnitt 114 und einen zweiten Befestigungsabschnitt 116. Auch sind Bohrungen 118 vorgesehen.The measuring cell 110 of FIG. 7 has a measuring cell body 111. Further, it includes a deformation portion 112 and a first attachment portion 114 and a second attachment portion 116. Also, holes 118 are provided.

Der erste Befestigungsabschnitt 114 unterscheidet sich vom ersten Befestigungsabschnitt 104 der Figur 6 dadurch, dass lediglich zwei Bohrungen 118 (anstatt vier Bohrungen 108) vorgesehen sind. Dafür wurde der Durchmesser der Bohrungen im Bereich des ersten Befestigungsabschnitts 114 vergrößert. Die axiale Bohrung 14 im Messachsenkörper 12 kann so gestaltet sein, dass auch der erste Befestigungsabschnitt 114 formschlüssig aufgenommen wird. Dies bedeutet, dass zusätzlich zur kraftschlüssigen Kraftübertragung die formschlüssige Kraftübertragung hinzutritt. Dies resultiert in einer besseren Gesamtkraftübertragung.The first attachment portion 114 differs from the first attachment portion 104 of FIG. 6 in that only two holes 118 (instead of four holes 108) are provided. For this purpose, the diameter of the bores in the area of the first fastening section 114 has been increased. The axial bore 14 in the measuring axis body 12 may be designed so that the first fastening portion 114 is received positively. This means that in addition to the non-positive power transmission, the positive power transmission is added. This results in a better overall power transmission.

Figur 8 zeigt eine weitere Messzelle 120 ähnlich den Messzellen der Figuren 6 und 7.FIG. 8 shows a further measuring cell 120 similar to the measuring cells of FIGS. 6 and 7.

Die Messzelle 120 mit Messzellenkörper 121 in Figur 8 weist ebenfalls einen Verformungsabschnitt 122 sowie Befestigungsabschnitte 124 und 126 auf. Beide Verformungsabschnitte 124 und 126 sind mit Bohrungen 128 durchsetzt. Die Bohrungen 128 sind jedoch entlang parallelen Hilfslinien 123 und 125 orientiert. Bei den beiden vorhergehenden Messzellen 100 und 110 waren die Hilfslinien senkrecht zueinander orientiert. Die Messzelle 120 baut in einer vorbestimmten Raumrichtung wesentlich kleiner als die Messzellen 100 und 110. Dieser "eingesparte Raum" kann zur Durchführung von Drähten verwendet werden. The measuring cell 120 with measuring cell body 121 in FIG. 8 likewise has a deformation section 122 and fastening sections 124 and 126. Both deformation sections 124 and 126 are penetrated by bores 128. However, the holes 128 are oriented along parallel auxiliary lines 123 and 125. In the two previous measuring cells 100 and 110, the auxiliary lines were oriented perpendicular to each other. The measuring cell 120 builds in a predetermined spatial direction substantially smaller than the measuring cells 100 and 110. This "saved space" can be used to carry out wires.

Claims

Patentansprüche claims

1. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) zum Messen von Kräften (20), die im Wesentlichen quer auf eine Achse (16), insbesondere eine Messachse, wirken, mit: einem ersten Modul, das einen Achskörper (12) umfasst, der sich entlang einer Längsachse (16) erstreckt, wobei der Achskörper (12) einen Krafteinleitungsabschnitt (18), mindestens einen Lagerabschnitt (28) und mindestens einen Verformungsabschnitt (22) aufweist; und einem zweiten Modul, das eine Messzelle (100; 110; 120) mit einem Messzellenkörper (101; 111; 121) umfasst, wobei der Messzellenkörper (101; 111; 121) mit einem elektrischen Messsystem (54) verbunden ist, wobei das zweite Modul in eine axiale Bohrung (14) des ersten Moduls einführbar ist und derart kraftschlüssig oder formschlüssig mit dem ersten Modul verbindbar ist, dass bei einer durch äußere Krafteinwirkung hervorgerufenen Verformung des Verformungsabschnitts (22) eine Verformung des Messzellenkörpers (101; 111; 121) hervorgerufen wird, die in Form eines entsprechenden elektrischen Signals durch das elektrische Messsystem (54) ausgegeben wird.Modular force transducer system (10) for measuring forces (20) acting substantially transversely on an axis (16), in particular a measuring axis, comprising: a first module comprising an axle body (12) extending along a first axis The longitudinal axis (16) extends, wherein the axle body (12) has a force introduction portion (18), at least one bearing portion (28) and at least one deformation portion (22); and a second module comprising a measuring cell (100; 110; 120) with a measuring cell body (101; 111; 121), wherein the measuring cell body (101; 111; 121) is connected to an electrical measuring system (54), the second one Module in an axial bore (14) of the first module is insertable and such positively or positively connected to the first module, that in a caused by external force deformation of the deformation section (22) causing a deformation of the measuring cell body (101, 111, 121) which is output in the form of a corresponding electrical signal by the electrical measuring system (54).

2. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Messzellenkörper (101; 111; 121) einen ersten Befestigungsabschnitt (104; 114; 124), einen zweiten Befestigungsabschnitt (106; 116; 126) und einen Verformungsabschnitt (102; 112; 122) aufweist, wobei der Verformungsabschnitt (102; 112; 122) in axialer Richtung (130) zwischen dem ersten und zweiten Befestigungsabschnitt angeordnet ist und das elektrische Messsystem trägt.The modular force transducer system (10) of claim 1 wherein the sensing cell body (101; 111; 121) includes a first attachment portion (104; 114; 124), a second attachment portion (106; 116; 126), and a deformation portion (102; 112; 122), wherein the deformation portion (102; 112; 122) is disposed in the axial direction (130) between the first and second attachment portions and supports the electrical measurement system.

3. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach Anspruch 2, wobei die Befestigungsabschnitte Bohrungen (108; 118; 128) in axialer Richtung (130) zur Aufnahme von vorzugsweise Schrauben aufweisen, wobei die Bohrungen (108; 118; 128) so angeordnet sind, dass sie sich aus axialer Richtung (130) betrachtet nicht überdecken und in axialer Richtung gleichzeitig zugänglich sind. 3. Modular force transducer system (10) according to claim 2, wherein the mounting portions bores (108; 118; 128) in the axial direction (130) for receiving preferably screws, wherein the bores (108; 118; 128) are arranged so that they do not overlap viewed from the axial direction (130) and are simultaneously accessible in the axial direction.

4. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach Anspruch 3, wobei die Bohrungen (108; 118; 128) im Messzellenkörper (101; 111; 121) gewindefrei sind.4. Modular force transducer system (10) according to claim 3, wherein the bores (108; 118; 128) in the measuring cell body (101; 111; 121) are thread-free.

5. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befestigungsabschnitte (104, 106; 114, 116; 124, 126) im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung (130) orientiert sind.5. Modular force transducer system (10) according to any one of the preceding claims, wherein the fastening portions (104, 106, 114, 116, 124, 126) are oriented substantially perpendicular to the axial direction (130).

6. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsabschnitte (104, 106; 114, 116; 124, 126) entweder parallel versetzt oder senkrecht zueinander orientiert sind.6. Modular force transducer system (10) according to claim 5, characterized in that the fastening portions (104, 106; 114, 116; 124, 126) are either offset in parallel or oriented perpendicular to each other.

7. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verformungsabschnitt (102; 112; 122) plättchenförmig ausgebildet ist.7. Modular force transducer system (10) according to any one of the preceding claims, wherein the deformation portion (102; 112; 122) is formed platelet-shaped.

8. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach Anspruch 7, wobei der Verformungsabschnitt (102; 112; 122) eine geringere Stärke als die Befestigungsabschnitte (104, 106; 114, 116; 124, 126) aufweist.The modular force transducer system (10) of claim 7, wherein the deformation portion (102; 112; 122) has a lower thickness than the attachment portions (104, 106; 114, 116; 124, 126).

9. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Form der axialen Bohrung (14) des Achskörpers (12) so gewählt ist, dass das zweite Modul von außen eingeführt werden kann, und dass zumindest einer der Befestigungsabschnitte (106; 116; 126) dort formschlüssig aufgenommen wird.9. Modular force transducer system (10) according to any one of the preceding claims, wherein a shape of the axial bore (14) of the axle body (12) is selected so that the second module can be inserted from the outside, and that at least one of the fastening portions (106; 116, 126) is received there positively.

10. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach Anspruch 9, wobei der andere Befestigungsabschnitt (104; 114; 124) zumindest teilweise formschlüssig aufgenommen wird. 10. Modular force transducer system (10) according to claim 9, wherein the other fastening portion (104; 114; 124) is at least partially positively received.

11. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die axiale Bohrung (14) im Achskörper (12) so ausgebildet ist, dass der Verformungsabschnitt (102; 112; 122) des Messzellenkörpers (101; 111; 121) im eingebauten Zustand im Wesentlichen im Verformungsabschnitt (22) des Achskörpers (12) liegt.11. Modular force transducer system (10) according to one of the preceding claims, wherein the axial bore (14) in the axle body (12) is formed so that the deformation portion (102; 112; 122) of the measuring cell body (101; 111; 121) in the built Condition substantially in the deformation section (22) of the axle body (12).

12. Modulares Kraftaufnehmersystem (10) nach Anspruch 11, wobei die Verformungsabschnitte (22, 102; 22, 112; 22, 122) in axialer Richtung im Wesentlichen gleich lang sind. 12. Modular force transducer system (10) according to claim 11, wherein the deformation portions (22, 102; 22, 112; 22, 122) in the axial direction are substantially equal in length.