WO2016034283A1

WO2016034283A1 - Kraftmessvorrichtung

Info

Publication number: WO2016034283A1
Application number: PCT/EP2015/001765
Authority: WO
Inventors: Manfred Rettig
Original assignee: Schenck Process GmbH
Current assignee: Qlar Europe GmbH
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2017-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung, die aus einem Oberteil (1) und einem Unterteil (2) besteht, die fest miteinander verbunden sind und einen Ringhohlraum (4) miteinander bilden, wobei das Oberteil (1) einen integrierten Krafteinleitungskörper (7) und einen Messkörper (9) mit einem ersten nach unten in den Ringhohlraum (4) gerichteten Verformungsring (10, 11) mit elektromechanischen Dehnungsmesselementen (6) enthält und das Unterteil (2) an seiner Unterseite zur Kraftausleitung einen Abstützring (8) aufweist. Dabei ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (9) koaxial zu dem ersten Verformungsring (10, 11) einen zweiten Verformungsring (11, 10) aufweist, und der Krafteinleitungskörper (7) an seiner Unterseite einen Krafteinleitungsring (5) aufweist, der sich mittig zu den Verformungsringen (10, 11) auf den Messkörper (9) abstützt und dass der mittlere Durchmesser (23) des Abstützrings (8) den gleichen mittleren Durchmesser (23) wie der Krafteinleitungsring (5) aufweist.

Description

Kraftmessvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des

Patentanspruchs 1.

Kraftmessvorrichtungen, die bevorzugt als Wägezellen eingesetzt werden, wandeln die unter der Einwirkung der zu messenden Kraft auftretenden Verformungen in elektrische Größen um. Dabei werden elektromechanische Dehnungsmesselemente eingesetzt, bei denen durch Längenänderungen Widerstandsänderungen herbeigeführt werden. Die erhaltenen elektrischen Größen werden dann in einer Messbrückenschaltung

ausgewertet. Wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere ihrer geringen Baugröße, ihrer hohen Auflösung bei großen Messbereichen und ihrer linearen

Charakteristik werden solche Kraftmessvorrichtungen in weiten Anwendungsbereichen eingesetzt, vor allem als Wägezellen im Waagenbau. Um schädliche

Umgebungseinflüsse auf die empfindlichen Dehnungsmesselemente zu vermeiden, ist es erforderlich, diese gegenüber der Umgebung abzukapseln. Eine derartige Kraftmessvorrichtung, die auch als Kraftmessdose bezeichnet wird, ist aus der DE 37 36 154 C2 bekannt. Diese besteht im Grunde aus zwei rotationssymmetrischen axial übereinander angeordneten Hälften als Ober- und Unterteil, die im inneren Bereich durch zwei Schrauben miteinander verbunden sind. Jede der beiden Hälften hat einen zentralen zylinderförmigen nach innen ragenden Teil, der beim oberen Teil als

Krafteinleitungskörper ausgebildet ist. Dabei besitzt der obere Teil eine nach oben gerichtete ebene Krafteinleitungsfläche, die zur Belastung mit einer zu messenden Kraft dient. Koaxial dazu enthält die Kraftmessdose einen nach innen gerichteten trapezartigen Verformungsring, der auf seiner sich nach unten erstreckenden horizontalen Ringfläche elektromechanische Dehnungsmesselemente aufweist. Das Oberteil der Messdose ist außen mit einem koaxial zum Verformungsring nach unten gerichteten

Krafteinleitungsring umgeben. Dabei ist der Verformungsring auf seiner oberen Ebene seitlich über zwei koaxiale Ringstege innen mit dem Krafteinleitungskörper und außen mit dem Krafteinleitungsring verbunden. Das Unterteil als untere Hälfte der Messdose ist bis auf die Krafteinleitungsfläche im Grunde vergleichbar mit der oberen Hälfte. Dabei liegen sich die Messelemente der Verformungsringe beider Hälften gegenüber und die

Krafteinleitungsringe stützen sich aufeinander ab und sind durch eine Schweißnaht miteinander verbunden. Dadurch bildet sich durch die ringförmigen Einstiche für die

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BESTÄTIGUNGSKOPIE Ringstege ein innerer Hohlraum aus, in dem die Messelemente von äußeren Einwirkungen abgekapselt und dadurch geschützt sind. Zur Abstützung der Messdose auf einer Kraftaufnahmefläche enthält das Unterteil auf seinem äußeren Durchmesserrand einen kurzen Stützring, durch den die zu messende Kraft nach unten in die

Aufstandsfläche ausgeleitet wird. Zur Messung einer in die Krafteinleitungsfläche eingeleiteten Kraft wirken die Ringstege wie elastische Gelenke, so dass sich die gegenüberliegenden Verformungskörper in entgegengesetzter Richtung als

Ringtorsionsfederkörper verdrehen und dadurch verformt werden. Hierdurch werden auch die auf der Ringfläche applizierten Dehnungsmesselemente gedehnt oder gestaucht, was zu einer Widerstandsänderung führt, die der eingeleiteten Kraft proportional ist. Die vier auf den Verformungskörpern angebrachten Dehnungsmesselemente sind dabei als Wheatstonesche Messbrücke verschaltet, wodurch gleichzeitig gewisse

Fertigungstoleranzen in den beiden Messdosenhälften kompensierbar sind. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass durch die mittige Krafteinleitung und die dadurch radial weit entfernte Kraftausleitung über den Stützring in den Ringstegen wegen der hohen

Belastungen ein relativ hoher Hystereseeffekt entsteht, der zu einer Messungenauigkeit und einem Linearitätsfehler führt, die auch durch die Brückenschaltung nicht

kompensierbar sind. Als Weiterentwicklung ist aus der DE 38 37 683 C2 eine Kraftmessdose bekannt, die ebenfalls einen abgekapselten Ringhohlraum zwischen einem ähnlichen Unter- und Oberteil aufweist. Allerdings sind bei dieser Messdose die Ringstege zwischen den inneren Krafteinleitungskörper und dem äußeren Krafteinleitungsring jedes

Verformungsrings als radiale flache Ringfläche ausgebildet, die dadurch wie eine elastische Blattfeder wirkt. Dadurch soll der Hysteresefehler in den Gelenken verringert werden. Allerdings wird bei dieser Messdose die zu messende Kraft auch mittig in die Dosenachse eingeleitet und radial außen durch einen Stützring ausgeleitet. Bei einer Kraftbelastung entsteht dabei zwischen der Krafteinleitung und der Kraftausleitung zwangsläufig ein Moment, das mindestens auf den Stützring auch eine radiale

Kraftkomponente ausübt, die auch zu einem Hystereseeffekt führt, der eine

Messungenauigkeit bewirkt.

Aus der DE 39 37 318 C1 ist ebenfalls eine Kraftmessvorrichtung bekannt, bei der die Dehnungsmesselemente gegen äußere Einflüsse durch einen Ringinnenraum geschützt sind. Dabei wird die Kraftmessvorrichtung aus drei horizontal übereinander angeordneten Teilen gebildet wird, wobei oben ein Kraftübertragungselement, in der Mitte ein

Messkörperelement und unten eine Platte angeordnet ist. So wird das Messkörperelement durch einen scheibenförmigen Körper gebildet, der in einer radialen Ebene zwei koaxial zueinander angeordnete nach unten gerichtete Verformungsringe aufweist, zwischen denen ein nach oben gerichteter Krafteinleitungsring ausgebildet ist. Zur Übertragung der eingeleiteten Kraft ist im Zentrum des Messkörperelements ein zylinderförmiges Krafteinleitungselement und radial außen ein ringförmiges

Krafteinleitungselement angeordnet, die sich auf eine darunter angeordneten Platte abstützen. Da die Platte mit dem Messkörperelement verschweißt ist, befinden sich die Verformungsringe mit den Dehnungsmesselementen in einem abgeschlossenen

Ringraum und sind so vor störenden Umwelteinflüssen geschützt. Allerdings ist zur Krafteinleitung oben ein zylinderförmiges Kraftübertragungselement angeordnet, das mit seiner unteren ebenen Fläche lose auf dem nach oben gerichteten Krafteinleitungsring aufliegt. Da die zu messende Kraft oben zentral in das Kraftübertragungselement eingeleitet und über die radial dazu versetzt angeordneten Krafteinleitungsringe in die Dehnungsmesselemente übertragen wird, entsteht ein Moment, durch das bei den lose aufeinander liegenden Kontaktflächen eine horizontale Kraftkomponente bewirkt wird, durch dessen Reibung normalerweise eine messwertverfälschende Hysterese auftritt. Um dies zu vermeiden sind die Stege zwischen dem Krafteinleitungsring und den

Verformungselementen mit aufwendig ausgebildeten Ringstegen verbunden, die ein bestimmtes Verhältnis ihrer Dicke bzw. Höhe zum Radius der zentralen

Krafteinleitungsachse einhalten müssen, um eine reibungsbehaftete Radialverschiebung der Kontaktflächen zu vermeiden. Da in der Praxis die zu messende Krafteinleitung aber nicht immer symmetrisch zur zentralen Achse des Kraftübertragungselements einleitbar ist, kann es trotzdem zu reibungsbehafteten Radialverschiebungen kommen, durch die die Messgenauigkeit beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmessvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hohe Messgenauigkeit aufweist und möglichst einfach und genau gefertigt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den

Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird eine Kraftmessvorrichtung, die aus einem Oberteil und einem Unterteil besteht, die fest miteinander verbunden sind und einen Ringhohlraum miteinander bilden, bereitgestellt. Dabei enthält das Oberteil einen integrierten

Krafteinleitungskörper und einen Messkörper mit einem ersten nach unten in den Ringhohlraum gerichteten Verformungsring mit elektromechanischen

Dehnungsmesselementen. Weiterhin weist das Unterteil an seiner Unterseite zur

Kraftausleitung einen Abstützring auf. Erfindungsgemäß ist an dem Messkörper koaxial zu dem ersten Verformungsring ein zweiter Verformungsring angeordnet. Diese liegen vorteilhafterweise in einer Ebene. Zusätzlich weist der Krafteinleitungskörper an seiner Unterseite einen Krafteinleitungsring auf, der sich mittig zu den Verformungsringen auf den Messkörper abstützt. Dabei stimmen der mittlere Durchmesser des Abstützrings und der mittleren Durchmesser des Krafteinleitungsrings überein. Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Kraftmessvorrichtung nur durch eine zweiteilige Ausführung herstellbar und einfach zu einer hermetisch geschlossenen Vorrichtung zu montieren ist. Dabei hat die Erfindung insbesondere den Vorteil, dass der Messkörper nur in einem Teil der zweiteiligen Kraftmessvorrichtung vorgesehen ist, so dass dieser mit geringen Fertigungstoleranzen herstellbar ist, die nicht durch Fertigungstoleranzen in anderen messtechnisch relevanten Vorrichtungsteilen zusätzlich verschlechtert werden können. Dementsprechend sind im Unterteil keine messrelevanten Verformungsringe und dergleichen angeordnet, die durch eine Montageungenauigkeit beim Zusammenbau ungünstig beeinflusst werden könnten.

Gleichzeitig besitzt die Kraftmessvorrichtung keine z.B. durch Schraubverbindungen gegeneinander verschiebbare Bauteile, die reibungsbedingt Hystereseeffekte erzeugen und somit die Messgenauigkeit verschlechtern könnten.

Weiterhin hat die Erfindung den Vorteil, dass die Verformungsringe symmetrisch zu dem Krafteinleitungsring angeordnet sind und somit die Krafteinleitung durch den

Krafteinleitungsring mittig in die beiden in einer radialen Ebene angeordneten

Verformungsringe erfolgt und über ein axial unter dem Krafteinleitungsring angeordneten Abstützring wieder ausgeleitet wird. Dadurch kann zwischen den Krafteinleitungs- und Kraftausleitungsorten kein Moment entstehen, das in der Regel zu einer

Radialverschiebung führt und einen hysteresebedingten Messfehler verursachen könnte. Durch die mittige und lineare Kraftdurchleitung ist diese Kraftmessvorrichtung

vorteilhafterweise auch für große zu messende Kräfte oder Gewichte umstellbar und durch die konstruktionsbedingte Verhinderung hysteresebedingter Fehlerquellen auch eichfähig ausführbar.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Krafteinleitungskörper eine ebene Krafteinleitungsfläche enthält. Bei dieser besonderen Ausgestaltung der Erfindung mit einer flachen großflächigen Krafteinleitungsfläche ist vorteilhaft, dass hierdurch gleichzeitig die Aufstandsfläche der Kraftmessvorrichtung vergrößerbar ist, so dass diese Ausführung auch für großflächige Silofüße, transportable Waagen, hydraulische

Zylinderflächen und große Kraftbelastungen verwendbar ist. Weiterhin können der erste und der zweite Verformungsring radial durch federelastische Verbindungsstege miteinander und mit einem inneren und einem äußeren

Kraftübertragungsring verbunden sein. Dabei stützt sich der Krafteinleitungsring axial nach unten auf den mittleren Verbindungssteg ab und ist mit diesem fest verbunden. Dabei ist von Vorteil, wenn der mittlere Durchmesser des Krafteinleitungsrings auch dem Durchmesser des mittleren Verbindungsstegs entspricht.

Der Vorteil der in einer radialen Ebene liegenden Verformungsringe liegt darin, dass diese nur eine geringe axiale Höhe erfordern. Die Verformungsringe können somit in einem Ringhohlraum geschützt verkapselt werden, sodass die Kraftmessvorrichtung insgesamt in einer geringen Bauhöhe herstellbar ist.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht zudem vor, dass die Kraftübertragungsringe in ihrer axialen Erstreckung länger sind als die Verformungsringe und an ihren Enden beide eine Innen- oder Außenstufung aufweisen.

Zudem kann das Unterteil ringförmig ausgebildet sein und einen rechteckigen oder quadratischen Ringquerschnitt aufweisen. Weiterhin kann es an seiner Oberseite eine Stufenbohrung enthalten, deren Außenstufung an die Innenstufung des Messkörpers formschlüssig angepasst ist.

Die formschlüssige aneinander angepasste Innen- und Außenstufung der beiden Teile hat den Vorteil, dass diese bei einer Montage leicht ineinander steckbar sind und durch feste Verbindungstechniken, wie z.B. Verschweißung oder Verklebung, einfach hermetisch dicht miteinander verbindbar sind, um die empfindlichen Messelemente dauerhaft kraftnebenschlussfrei zu schützen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Unterteil scheibenförmig ausgebildet ist und in seinem Zentrum symmetrisch zu einer Längsachse einen nach oben gerichteten Zylinderstumpf aufweist, dessen axiale Erstreckung zwischen seiner Oberseite und der Unterseite des Krafteinleitungskörpers einen definierten Luftspalt S_v als axialen Überlastschutz enthält.

Zudem kann der Außendurchmesser des Zylinderstumpfes durch einen definierten Luftspalt S_H kleiner als der Innendurchmesser der axialen Bohrung des Messkörpers sein und einen radialen Überlastschutz darstellen. Durch die horizontalen und vertikalen Überlastschlitze zwischen dem Unterteil und dem Oberteil weist die Kraftmessvorrichtung den Vorteil einer einfachen Überlastsicherung sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung auf. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Unterteil von einem auf einer Aufstandsfläche oder am Untergrund befestigten Fixierring als

Verschiebeschutz koaxial umgeben sein. Dies hat den Vorteil, dass die

Kraftmessvorrichtung horizontal gegen seitliche Verschiebung geschützt ist. Zusätzlich können axial auf dem Fixierring ein einteiliger L-förmiger Befestigungsring oder mindestens zwei separate Befestigungselemente angeordnet sein, die ein gegenüber dem Oberteil im Umfang vergrößertes Unterteil umgreifen und als Abhebeschutz dienen.

Der das Unterteil umgreifende Fixierring kann auch einteilig vorgesehen sein, so dass gleichzeitig eine horizontale Sicherung und eine Abhebesicherung erfolgt.

Zudem kann an der Unterseite des Unterteils ein elastisches Element in Form eines Elastomers oder Elastomerringes mit vergrößerter Aufstandsfläche angeordnet sein. Damit kann die Kraftmessvorrichtung auch auf weniger harten Untergründen verwendet werden. Dabei sollte die Breite und Höhe des elastischen Elements so vorgesehen sein, dass die aus dem Abstützring in das elastische Element eingeleitete Kraft voll übertragen werden kann.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : eine Vorderansicht einer Kraftmessvorrichtung;

Fig. 2: ein Schnittbild der Kraftmessvorrichtung aus Fig.1 ; Fig. 3: ein Schnittbild einer zweiten abgeflachten Kraftmessvorrichtung;

Fig. 4: ein Schnittbild einer weiteren abgeflachten Kraftmessvorrichtung mit einem

Elastomerring zur Lastausleitung, und Fig. 5: ein Schnittbild einer Vorderansicht einer Kraftmessvorrichtung mit

Überlastschutz und Stützkonstruktion. In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Kraftmessvorrichtung in Vorderansicht dargestellt, die im wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer axialen Längsachse 18 ausgebildet ist und nur aus einem einstückigen Oberteil 1 und einem einstückigen Unterteil 2 besteht, die in einer Verbindungsebene 3 fest und hermetisch dicht miteinander verbunden sind.

Das einstückige Oberteil 1 besteht dabei oben aus einem Krafteinleitungskörper 7 und einem axial darunter eingearbeiteten Messkörper 9. Dabei ist der Krafteinleitungskörper 7 durch zwei zylindrische Abschnitte unterschiedlicher Durchmesser gebildet, die durch einen kegelstumpfförmigen Zwischenabschnitt axial miteinander verbunden sind. Der obere Abschnitt besitzt dabei einen Durchmesser der etwa 4/10 bis 5/10 des

Außendurchmessers der Kraftmessvorrichtung beträgt und oben eine radiale ebene Krafteinleitungsfläche 17 aufweist, die zur axialen Einleitung der zu messenden Kraft dient. Der untere zylindrische Abschnitt des Krafteinleitungskörpers 7 ist innen hohl und deshalb als Krafteinleitungsring 5 ausgebildet, dessen mittlerer Durchmesser ca. 7/10 des Außendurchmessers der Kraftmessvorrichtung aufweist und sich auf dem Messkörper 9 abstützt.

Der mit dem Krafteinleitungsring 5 als Einheit verbundene Messkörper 9 ist zylinderförmig ausgebildet und besitzt vorzugsweise den gleichen Außendurchmesser wie das ebenfalls zylinderförmig ausgebildete Unterteil 2. Dabei ist an der unteren Abschlussfläche 36 des Unterteils 2 noch ein Abstützring 8 angeordnet, dessen mittlerer Durchmesser dem mittleren Durchmesser des Krafteinleitungsrings 5 entspricht und der zur Kraftausleitung auf einer nicht dargestellten Aufstandsfläche vorgesehen ist. Die Einzelheiten der Kraftmessvorrichtung sind aus dem Schnittbild in Fig. 2 der

Zeichnung näher ersichtlich. So ist das Oberteil 1 aus einem einteiligen Edelstahl- oder Aluminiummaterial gefertigt, wobei die verschiedenen Funktionselemente vorzugsweise durch eine spanabhebende Bearbeitung von unten aus dem Metallrohmaterial

vorzugsweise durch programmgesteuerte Metallbearbeitungsmaschinen auf einfache Art herausgearbeitet wurden. Dabei besitzt der untere Abschnitt des Krafteinleitungskörpers 7 einen scheibenförmigen inneren Hohlraum 19, wodurch der Krafteinleitungsring 5 gebildet wird. Desweiteren enthält der an den Krafteinleitungsring 5 axial nach unten

anschließende Messkörper 9 im Zentrum eine axiale Bohrung 20 von ca. 2/10 bis 3/10 des Außendurchmessers, wodurch der Messkörper 9 ringförmig ausgebildet ist und vorzugsweise einen etwa rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist. Innerhalb der Ringfläche des Messkörpers 9 sind zwei nach unten gerichtete Verformungsringe 10,11 konzentrisch in einer radialen Ebene angeordnet. Diese sind durch drei von unten eingebrachte axiale Ausdrehungen von gleicher axialer Tiefe in das Metallrohmaterial ausgearbeitet und belassen an ihrem oberen Bereich bis zu ihrer Deckfläche 21 zum Krafteinleitungskörper 7 drei federelastische ringförmige

Verbindungsstege 12, 13,14. Dabei sind die Verbindungsstege 12,13,14 in radialer Richtung schmaler als die Verformungsringe 10,11 und wirken wie federelastische Gelenke. Durch die axial geraden ringförmigen Einstiche sind die Verformungsringe 10,1 1 bis auf die abgerundeten Endbereiche wie rechteckige nach unten ausgerichtete Ringe mit einem etwa rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Dabei sind auf deren unteren radialen Deckflächen jeweils elektromechanische Dehnungsmesselemente 6

vorzugsweise Dehnungsmessstreifen appliziert.

Der ringförmige Messkörper 9 besitzt durch die drei Einstiche zur Herausarbeitung der Verbindungsstege 12,13,14 und der Verformungsringe 10,11 , radial innen einen axialen inneren Kraftübertragungsring 15 und radial außen einen axialen äußeren

Kraftübertragungsring 16. Dabei ist die axiale Länge der Kraftübertragungsringe 15,16 ca. 1/3 länger als die der Verformungskörper 10,1 1. Die Kraftübertragungsringe 15, 16 enthalten zur Einpassung und Verbindung mit dem Unterteil 1 an ihren unteren

Ringenden eine Innenstufung 22. Zwischen dem inneren Kraftübertragungsring 15 und dem inneren Verformungsring 10 ist ein innerer Verbindungssteg 12 und zwischen dem inneren Verformungsring 10 und dem äußeren Verformungsring 11 ist ein mittlerer Verbindungssteg 13 angeordnet. Dabei ist der mittlere Verbindungssteg 13

rotationssymmetrisch zur Längsachse 18 mit einem mittleren Durchmesser (D_M) 23 vorgesehen, auf den sich axial oben der Krafteinleitungsring 5 abstützt. Zusätzlich entspricht die radiale Breite des Krafteinleitungsrings 5 vorzugsweise der radialen Breite des mittleren Verbindungstegs. Desweiteren ist der innere Verbindungssteg 12 koaxial zwischen dem inneren axialen Kraftübertragungsring 5 und dem inneren

Verformungsring 10 und der äußere Verbindungssteg 14 koaxial zwischen dem äußeren Verformungsring 11 und den äußeren axialen Kraftübertragungsring 16 angeordnet.

Dabei sind die Verformungsringe 10,1 1 , die Verbindungsstege 12,13,14, als auch die Kraftübertragungsringe 15,16 rotationssymmetrisch oder koaxial zur Längsachse 18 des Messkörpers 9 angeordnet. Unterhalb des Oberteils 1 ist das Unterteil 2 angeordnet und form- und kraftschlüssig mit diesem verbunden. Vorzugsweise sind die beiden Teile 1 , 2 über eine Laserschweißung hermetisch dicht miteinander verbunden sind. Das Unterteil 2 ist dabei ebenfalls ringförmig ausgebildet und besitzt im Zentrum eine axiale Durchgangsbohrung 24, dessen Durchmesser vorzugsweise dem Durchmesser der axialen Bohrung 20 des Oberteils 1 zuzüglich Schweißnahtbreite entspricht. Der Außendurchmesser des Unterteils 2 entspricht ebenfalls dem Außendurchmesser des Messkörperteils 9, so dass das Unterteil 2 mit dem Messkörperteil 9 eine zylindrische Einheit bildet. Zur Verbindung des Unterteils 2 mit dem Oberteil 1 ist axial oben am Unterteil 2 eine ringförmige Stufenbohrung 25 angeordnet, an deren Rändern eine Außenstufung 26 belassen ist, die formschlüssig an die Innenstufung 22 des Oberteils 1 angepasst ist. Die axiale Höhe des Unterteils 2 entspricht vorzugsweise ca. 5/10 bis 20/10 der axialen Höhe des Messkörperteils 9 und ist im Wesentlichen von der zulässigen Kraftbelastung und dem Platzbedarf einer

Kabeldurchführung 27 abhängig, die eine Kabelverbindung zu den

Dehnungsmesselementen 6 von Außen bis in einen Ringhohlraum 4 ermöglicht und nach der Montage abgedichtet ausgeführt ist. Als Aufstandskörper ist an der unteren radialen Abschlussfläche 36 des Unterteils 2 ein Abstützring 8 angeordnet, der rotationssymmetrisch zur Längsachse 18 mit einem mittleren Ringdurchmesser (D_M) 23 angeordnet ist. Dabei besitzt der Abstützring 8 vorzugsweise eine axiale Höhe von ca. 1 bis 5 mm und eine radiale Breite von 1 bis 5 mm, vorzugsweise aber die radiale Breite des Krafteinleitungsrings 5. Die Abmessungen des Abstützrings 8 sind dabei im Einzelnen von der Nennlast und der zulässigen

Druckbelastung der Anschlusskonstruktion abhängig. Dadurch stützt sich die zu messende Kraft Fe in einer ringförmigen Ebene, die dem mittleren Ringdurchmesser (D_M) 23 des Krafteinleitungsrings 5 entspricht, auf eine nicht dargestellte kraftaufnehmende Unterlage ab.

Bei einer zu messenden Kraft Fe oder eines Gewichts wird diese durch die

Kraftmessvorrichtung wie folgt ermittelt:

Bei der dargestellten Anordnung wird die Kraftmessvorrichtung meist als Wägezelle zur Ermittlung eines Gewichts eingesetzt, das senkrecht zur Erdoberfläche gerichtet ist.

Deshalb wird die Gewichtskraft Fe symmetrisch zur Längsachse 18 in den

Krafteinleitungskörper 7 eingeleitet, die axial unten von einer steifen kraftaufnehmenden Unterlage als Kraft Fa aufgenommen wird. Da die Verformungskörper 10, 1 1 symmetrisch zum Krafteinleitungsring 5 angeordnet sind, wird die Gewichtskraft ohne Zusatzmoment in den Messkörper 9 eingeleitet. Durch den Krafteinleitungskörper 7 wird die Gewichtskraft über den Krafteinleitungsring 5 symmetrisch zur Längsachse 18 in den Messköperteil 9 eingeleitet, wobei sich die Verformungsringe 10, 1 1 als Ringtorsionsfederköper entsprechend der eingezeichneten Biegerichtung 28 verformen. Dadurch entsteht auf der unteren Deckfläche des inneren Verformungsrings 10 eine Stauchung (-) und in dem äußeren Verformungsring 1 1 eine gleichgroße Dehnung (+), die beide der eingeleiteten Kraft proportional sind und in den elektromechanischen Dehnungsmesselementen 6 eine entsprechende Widerstandsänderung bewirken. Die auf den Ringflächen der

Verformungsringe 10,1 1 symmetrisch verteilten mindestens vier elektromechanischen Dehnungsmesselemente 6 werden zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet, so dass im mittleren Brückenzweig ein Messsignal abgreifbar ist, das dem zu messenden Gewicht entspricht. Da die Krafteinleitung über den Krafteinleitungsring 5 mittig in beide Verformungsringe 10,11 eingeleitet wird, entsteht in beiden eine symmetrische Dehnung bzw. Stauchung, durch die eine hochgenaue Messung der eingeleiteten Gewichtskraft erfolgt. Diese Messkraft wird durch die beiden Kraftübertragungsringe 15,16 auch über das symmetrisch ausgebildete Unterteil 2 und dessen Abstützringe 8 symmetrisch auf die nicht dargestellte Unterlage ausgeleitet. Dadurch treten insbesondere durch die axial mit dem mittleren Ringdurchmesser (D_M) 23 linear übereinander angeordneten

Krafteinleitungs- 5 und Kraftausleitungsringe (Stützringe 8) keine Momente quer zur Kraftmessrichtung auf, die zu einer Hysterese führen könnten. Dazu dient insbesondere auch die verschweißte Verbindung zwischen dem Oberteil 1 und dem Unterteil 2 an der Innenstufung 22 und der Außenstufung 26, die keine reibungsbedingte axiale oder radiale Bewegung zulässt und somit hysteresefrei ist. Dadurch wird gleichzeitig ein abgedichteter Ringhohlraum 4 geschaffen, durch den die empfindlichen Dehnungsmesselemente 6 luftdicht gegenüber schädlichen Umwelteinflüssen geschützt sind, ohne dass dadurch Kraftnebenschluss verursachende Abdeckungen notwendig wären. Eine besondere Ausführung der Kraftmessvorrichtung ist in Fig. 3 der Zeichnung näher dargestellt, die insbesondere für großfläche Silostützen, Hydraulikzylinder oder andere Transportbehälter sowie transportable Waagen vorgesehen ist. Deshalb ist die

Krafteinleitungsfläche 17 mit einer besonders großen flachen Aufstandsfußfläche versehen und gleichzeitig auch die Krafteinleitungsfläche am Abstützring 8 durch einen verhältnismäßig großen Aufstandsdurchmesser vergrößert. Dazu ist die axiale Bohrung 20,24 mit einem großen Innendurchmesser versehen, der vorzugsweise 5/10 bis 8/10 des Außendurchmessers aufweist. Gleichzeitig unterscheiden sich die Ringquerschnitte des Oberteils 1 mit seinem Messkörperteil 9 und des Unterteils 2 nicht wesentlich von den gleichartigen Teilen nach Fig. 1 und Fig. 2 der Zeichnung. Um den Krafteinleitungskörper 7 besonders biegesteif und flach auszuführen, ragt dieser wie ein Kegelstumpf 29 nach unten in die axiale Bohrung 20. Dadurch ist insbesondere auch eine sehr flache

Ausführung der Kraftmessvorrichtung erreichbar, ohne dass sich dadurch die Messgenauigkeit verschlechtert. Ansonsten entspricht diese Ausführung wie die bereits zu Fig. 1 und Fig. 2 der Zeichnung beschriebene.

In Fig. 4 der Zeichnung ist eine Kraftmessvorrichtung dargestellt, die der nach Fig. 3 entspricht, aber vorzugsweise für weniger harte Aufstandflächen ausgebildet ist. Dazu ist unterhalb der unteren Abschlussfläche 36 des Unterteils 2 symmetrisch zum Abstützring 8 ein Elastomerring 30 angeordnet, durch den die Aufstandsfläche des Unterteils 2 flächenmäßig vergrößert wird. Dadurch kann diese Kraftmessvorrichtung vorzugsweise auch auf Betonflächen mit entsprechend niedriger Flächenhärte aufgestellt werden, ohne dass dadurch die Messgenauigkeit beeinträchtigt wird, da die Kraftausleitung weiterhin symmetrisch und axial linear zur Krafteinleitung erfolgt.

In Fig. 5 der Zeichnung ist eine besondere Ausführung der Kraftmessvorrichtung dargestellt, die einen zusätzlichen Überlastschutz enthält. Dazu ist das Unterteil 2 weitgehend scheibenförmig mit einem zentralen nach oben gerichteten Zylinderstumpf 31 ausgebildet. Dabei ist der Zylinderstumpf 31 so bemessen, dass dessen

Außendurchmesser um eine Spaltbreite S_H kleiner ist als die axiale Bohrung 20 des Messkörperteils 9, deren Spaltbreite von der Nennlast abhängt. Dadurch wird ein radialer Überlastschutz bei einer schrägen Krafteinleitung erreicht, der eine Beschädigung und eine Messwertverfälschung verhindert. Gleichzeitig ist die Länge des axialen

Zylinderstumpfes 31 auf einen vertikalen Spaltabstand S_v eingeschränkt, dessen

Spaltabstand ebenfalls von der Nennlast abhängt, wodurch ein vertikaler Überlastschutz erreichbar ist, der ansonsten zu einer Beschädigung oder Messwertverfälschung der Kraftmessvorrichtung führen könnte.

Zusätzlich ist zu dieser Kraftmessvorrichtung noch ein Fixierring 32 vorgesehen, dessen Innendurchmesser etwa 1/10 bis 5/10 mm größer als der Außendurchmesser des Unterteils 2 ist. Dieser Fixierring 32 ist vorzugsweise durch eine Verschweißung 33 mit einer Aufstandsfläche 37 der Kraftmessvorrichtung verbunden, um eine seitliche

Verschiebung zu verhindern. Zusätzlich sind vorzugsweise am Fixierring 32 noch mindestens zwei oder mehrere Befestigungselemente 34 angeschraubt oder anderweitig befestigt, die auf einem Ringelement 35 des Unterteils 2 unter Belassung eines

Luftspaltes als Abhebesicherung aufliegen. Dazu ist der Außendurchmesser des

Unterteils 2 um einen Ringelementanteil 35 größer als der Außendurchmesser des Oberteils 1. Ansonsten ist die Kraftmessvorrichtung nach Fig. 5 der Zeichnung so ausgebildet, wie die zu Fig. 1 und 2 der Zeichnung zuvor beschriebene, außer das nur die äußere Schweißnaht 38 am äußeren Kraftübertragungsring 16 notwendig ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Kraftmessvorrichtung,

- die aus einem Oberteil (1 ) und einem Unterteil (2) besteht, die fest miteinander verbunden sind und einen Ringhohlraum (4) miteinander bilden,

- wobei das Oberteil (1 ) einen integrierten Krafteinleitungskörper (7)

und einen Messkörper (9) mit einem ersten nach unten in den Ringhohlraum

(4) gerichteten Verformungsring (10,1 1) mit elektromechanischen

Dehnungsmesselementen (6) enthält,

- und das Unterteil (2) an seiner Unterseite zur Kraftausleitung einen Abstützring (8) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Messkörper (9) koaxial zu dem ersten Verformungsring (10, 1 1) einen zweiten Verformungsring (11 , 10) aufweist, und

der Krafteinleitungskörper (7) an seiner Unterseite einen Krafteinleitungsring

(5) aufweist, der sich mittig zu den Verformungsringen (10, 11 ) auf den Messkörper (9) abstützt und

- dass der mittlere Durchmesser (23) des Abstützrings (8) den gleichen mittleren Durchmesser (23) wie der Krafteinleitungsring (5) aufweist.

2. Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Verformungsring (10, 11) radial durch federelastische

Verbindungsstege (13, 12, 14) miteinander und mit einem inneren (15) und einem äußeren Kraftübertragungsring (16) verbunden sind.

3. Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass der Krafteinleitungskörper (7) eine ebene Krafteinleitungsfläche (17) enthält.

4. Kraftmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der Krafteinleitungsring (5) sich axial nach unten auf den mittleren Verbindungssteg (13) abstützt und mit diesem fest verbunden ist.

5. Kraftmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser (23) des Krafteinleitungsrings (5) dem Durchmesser des mittleren Verbindungsstegs (13) entspricht.

6. Kraftmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsringe (15,16) in ihrer axialen Erstreckung länger sind als die Verformungsringe (10,1 1) und an ihren Enden beide eine Innen- (22) oder Außenstufung aufweisen.

7. Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das

Unterteil (2) ringförmig ausgebildet ist und einen rechteckigen oder quadratischen Ringquerschnitt aufweist und an seiner Oberseite eine Stufenbohrung (25) enthält, dessen Außenstufung (26) an die Innenstufung (22) des Messkörpers 9

formschlüssig angepasst ist.

8. Kraftmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass das Unterteil (2) scheibenförmig ausgebildet ist und in seinem Zentrum symmetrisch zu einer Längsachse 18 einen nach oben

gerichteten Zylinderstumpf (31 ) aufweist, dessen axiale Erstreckung zwischen seiner Oberseite und der Unterseite des Krafteinleitungskörpers (7) einen definierten Luftspalt (S_v) als axialen Überlastschutz enthält.

9. Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der

Außendurchmesser des Zylinderstumpfes (31) durch einen definierten Luftspalt (S_H) kleiner als der Innendurchmesser der axialen Bohrung (20) des Messkörpers (9) ist und einen radialen Überlastschutz darstellt.

10. Kraftmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass das Unterteil (2) von einem auf einer Aufstandsfläche (37) befestigten Fixierring (32) als Verschiebeschutz koaxial umgeben ist.

11. Kraftmessvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass axial auf dem Fixierring (32) ein einteiliger L-förmiger Befestigungsring oder mindestens zwei separate Befestigungselemente (34) angeordnet sind, die ein gegenüber dem Oberteil im Umfang vergrößertes Unterteil (2) umgreifen und als Abhebeschutz dienen.

12. Kraftmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass an der Unterseite (36) des Unterteils (2) ein elastisches Element (30) mit vergrößerter Aufstandsfläche angeordnet ist.