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Die Erfindung betrifft eine Kraft- oder Drehmomentmessvorrichtung.
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Nachteilig an bekannten Kraft- oder Drehmomentmessvorrichtungen, etwa Dehnungsmessstreifen, ist, dass deren Anwendung insbesondere in rauer Umgebung nicht ohne Risiko ist - insbesondere für den Fall hoher dynamischer Lastspitzen, die die Dehnungsmessstreifen zerstören können.
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In der Druckschrift
WO98/37387A1 wird ein Kraftsensor mit interner Parallelführung gezeigt, der einen quaderförmigen Lastkörper umfasst, mit welchem ein Messwandler gas- und feuchtigkeitsdicht mit einer Auswerteelektronik fest verbunden ist. Der Lastkörper weist auf seiner einen Hälfte eine axiale Längsbohrung und auf seiner anderen Hälfte eine dazu koaxiale, etwa gleich lange Hohlbohrung auf, welche einen stabförmigen Hebel übrig lässt. Zwei identische Ausfräsungen in der Mitte des Lastkörpers belassen in zwei seiner gegenüberliegenden Aussenflächen zwei flache, parallelführende Biegefedern. Zwischen den Bohrungen, den Ausfräsungen und zwei weiteren Ausfräsungen bleibt eine Membran bestehen, die als elastisches Gelenk für den Hebel dient. Die Deformation des Lastkörpers durch entgegengesetzt gleiche Kräfte wird über die Biegefedern auf den Hebel übertragen, an dessen freiem Ende vom Messwandler in ein elektrisches Signal umgewandelt und von der Auswerteelektronik in digitaler Form weitergegeben.
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In der Druckschrift
CH 369 609 A wird eine Kraftmeßeinrichtung mit einem Meßkörper gezeigt, dessen Deformation mittels eines Verbindungsgliedes, eines daran anschließenden federnden Metallbandes sowie eines mechanischen Getriebes auf ein Messgerät übertragen wird.
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Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Kraft- oder Drehmomentmessvorrichtung zu schaffen, die hinsichtlich eines der genannten Nachteile verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Kraft- oder Drehmomentmessvorrichtung gelöst.
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Die erfindungsgemäße Kraft- oder Drehmomentmessvorrichtung umfasst bevorzugt ein verformbares Element.
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Wenn die zu messende Kraft oder das zu messende Drehmoment über einen Krafteinleitungsbereich und mindestens einen Kraftausleitungsbereich in die Vorrichtung eingeleitet wird, dann verformt sich die Vorrichtung zwischen dem Krafteinleitungsbereich und dem mindestens einem Kraftausleitungsbereich um eine Wegstrecke.
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Bei dem verformbaren Element kann es sich um ein ausschließlich Messzwecken dienendes verformbares Element, beispielsweise eine Feder, handeln. Bei dem verformbaren Element kann es sich um ein auch andere Funktionen aufweisendes Bauelement, etwa ein tragendes Teil einer Baumaschine oder dergleichen handeln. Bei dem verformbaren Element kann es sich um eine Biegefeder handeln.
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Es sind mechanische Mittel vorgesehen, die die Wegstrecke mithilfe mindestens eines Hebels in einen messbaren Ausschlag umwandeln. Der mindestens eine Hebel ist zweiseitig ausgeführt.
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In der bevorzugten Ausführungsform sind die mechanischen Mittel als Verstärkungsmittel ausgebildet, die die Wegstrecke, um die die Vorrichtung zwischen dem Krafteinleitungsbereich und dem mindestens einem Kraftausleitungsbereich verformt wird, mechanisch in einen messbaren Ausschlag umwandeln, der größer ist, als die Wegstrecke. Hierdurch ist eine Voraussetzung dafür geschaffen, dass geringe Verformungen der Vorrichtung ausreichen können, um eine gute Messgenauigkeit zu erhalten. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei dem verformbaren Element um ein auch andere Funktionen aufweisendes Bauelement handelt, da dieses dann nicht so ausgelegt werden muss, dass es sich in hohem Maße verformt.
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Die mechanischen Mittel umfassen zwei Hebel. Hierdurch kann eine besonders zuverlässige Vorrichtung erzielt sein. Denn zum einen kann die Vorrichtung auch bei einem etwaigen mechanischen Defekt eines der beiden Hebel noch zumindest weitgehend richtige Messergebnisse liefern und zum anderen kann, indem dem Positionssensor - wie bevorzugt - zwei Messbereiche zur Verfügung gestellt werden, dieser die Verlagerung der Messbereiche besonders zuverlässig bzw. genau ermitteln.
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Die mechanischen Mittel umfassen ein Basisteil und zwei jeweils um eine Achse drehbar an dem Basisteil gelagerte Hebel. Die Achsen, um die die Hebel bevorzugt an dem Basisteil gelagert sind, sind mit Vorteil voneinander beabstandet. Das Basisteil kann einen zentralen Arm umfassen.
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Ferner ist mindestens ein Endanschlag vorgesehen, zur Begrenzung der Bewegungsmöglichkeit des mindestens einen Hebels. Hierdurch kann ein Schutz der Vorrichtung vor Lastspitzen erzielt werden. Mit Vorteil ist für jeden Hebel ein eigener Endanschlag vorgesehen.
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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen Positionssensor. Positionssensoren können robust ausgeführt sein und daher die Zuverlässigkeit der Vorrichtung auch in rauer Umgebung gewährleisten.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist an dem mindestens einen Hebel mindestens ein Messbereich angeordnet. In der Ausführungsform mit zwei Hebeln ist bevorzugt an jedem Hebel ein Messbereich angeordnet.
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Bevorzugt misst der Positionssensor den Ausschlag, den ein Messbereich mindestens eines Hebels bei einem Verformen der Vorrichtung zwischen dem Krafteinleitungsbereich und dem mindestens einem Kraftausleitungsbereich vollzieht.
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In der Ausführungsform mit zwei Hebeln misst bevorzugt genau ein Positionssensor den Ausschlag der Messbereiche beider Hebel.
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Bevorzugt misst der Positionssensor die Positionsänderung eines Messbereichs relativ zu dem Basisteil.
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Besonders bevorzugt misst der Positionssensor den Ausschlag, den ein Messbereich mindestens eines Hebels bei einem Verformen der Vorrichtung zwischen dem Krafteinleitungsbereich und dem mindestens einem Kraftausleitungsbereich relativ zu dem Basisteil vollzieht.
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In einer Ausführungsform ist der Positionssensor ortsfest zu dem Basisteil angeordnet.
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Der Positionssensor kann auf verschiedene Arten ausgeführt sein. Beispielsweise kann es sich um einen optischen Sensor handeln.
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In einer wichtigen Ausführungsform ist der Positionssensor als induktiver Sensor ausgeführt. Hierdurch ist eine besonders hohe Zuverlässigkeit erzielbar.
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Der induktive Sensor umfasst mit Vorteil eine Spule. Der mindestens eine Messbereich ist mit Vorteil so ausgestaltet, dass in Abhängigkeit von seiner Entfernung zu der Spule auf messbare Art und Weise deren Induktivität oder die Güte deren Induktivität beeinflusst wird. Der mindestens eine Messbereich kann ein leitfähiges und/oder ein ferromagnetisches Teil umfassen. Der mindestens eine Messbereich umfasst mit Vorteil ein Blechteil, etwa eine Blechplatte. Die Blechplatte kann rechteckig sein oder einen anderen Umriss aufweisen. Die Blechplatte kann durchgehend sein oder Löcher aufweisen.
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In der bevorzugten Ausführungsform wirkt das verformbare Element zwischen den beiden Hebeln, mit Vorteil ausschließlich. Dies kann eine Gleichförmigkeit der Bewegung der beiden Hebel unterstützen. In einer Ausführungsform wirkt das verformbare Element nicht auf das Basisteil.
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In einer anderen Ausführungsform wirkt das verformbare Element zwischen einem Hebel und dem Basisteil. In der Ausführungsform mit zwei Hebeln sind dann mit Vorteil zwei verformbare Elemente vorgesehen. In einer noch anderen Ausführungsform wirkt das verformbare Element jeweils zwischen einem Hebel und dem Positionssensor, genauer gesagt, dessen Gehäuse.
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Die Vorrichtung weist mindestens einen Krafteinleitungsbereich und mindestens einen Kraftausleitungsbereich - bevorzugt zwei Kraftausleitungsbereiche - auf. In den Krafteinleitungsbereich ist mit Vorteil die zu messende Kraft einleitbar. Bevorzugt ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass sie bei einer Einleitung der zu messenden Kraft zwischen dem Krafteinleitungsbereich und dem mindestens einem Kraftausleitungsbereich verformt wird. In einer Ausführungsform umfasst die Kraftmessvorrichtung eine Gewichtskraftmessvorrichtung. Mit Vorteil ist der Krafteinleitungsbereich an dem Basisteil angeordnet. Bevorzugt ist der Kraftausleitungsbereich - oder sind die Kraftausleitungsbereiche jeweils - an einem der beiden Hebel angeordnet. Der Abstand jedes Kraftausleitungsbereichs von der Drehachse des jeweiligen Hebels ist bevorzugt kleiner, als der Abstand des Messbereichs des jeweiligen Hebels von der jeweiligen Drehachse. Auf diese Weise kann die „Übersetzung“ erzielt werden, die den Ausschlag, verglichen zu der Wegstrecke, bevorzugt vergrößert.
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Die Vorrichtung ist bevorzugt so ausgestaltet, dass das Verhältnis der Wegstrecke, um die die Vorrichtung zwischen dem Krafteinleitungsbereich und dem mindestens einem Kraftausleitungsbereich verformt wird, zu dem messbaren Ausschlag gleich groß ist, wie das Verhältnis des Abstands des Kraftausleitungsbereichs von der Drehachse des jeweiligen Hebels zu dem Abstand des Messbereichs des jeweiligen Hebels von der jeweiligen Drehachse. Die Vorrichtung ist bevorzugt so ausgestaltet, dass sich diese Verhältnisse aufgrund des Hebelgesetzes bzw. des Strahlensatzes ergeben.
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Das Verhältnis des Abstands des Kraftausleitungsbereichs von der Drehachse des jeweiligen Hebels zu dem Abstand des Messbereichs des jeweiligen Hebels von der jeweiligen Drehachse kann zwischen ½ und 1/20 liegen und beträgt in einer Ausführungsform etwa 1/10, was mit Vorteil eine etwa 10-fache Vergrößerung der Wegstrecke zu dem Ausschlag bewirkt.
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Die Messvorrichtung eignet sich in einer Ausführungsform zur Messung von Kräften von bis zu 5000N.
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Die Messvorrichtung eignet sich in einer Ausführungsform zur Messung von Kräften oder Drehmomenten bei einer Verformung des verformbaren Elements um eine Wegstrecke von 10 bis 100 Mikrometer.
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Die Erfindung soll nun anhand von in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen schematisch und ausschnittsweise:
- 1 eine Darstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Ausführung als Kraftmessvorrichtung ohne Einwirkung einer zu messenden Kraft;
- 2 eine Darstellung wie in 1 unter Einwirkung einer zu messenden Kraft;
- 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit Positionssensor und Endanschlägen;
- 4 eine Darstellung wie in 3, jedoch in der Ausführung als Drehmomentmessvorrichtung;
- 5 eine Prinzipdarstellung der mechanischen Mittel, ohne Darstellung des verformbaren Elements, im nicht ausgelenkten Zustand;
- 6 eine Darstellung wie in 5, jedoch im ausgelenkten Zustand.
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In 1 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung prinzipiell dargestellt. Es ist ein Basisteil 5 zu erkennen, an dem zwei Hebel 1, 1 um Achsen A, A‘ drehbar gelagert sind.
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Die Vorrichtung umfasst ein verformbares Element 2.
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Bei Einleitung einer zu messenden Kraft MF (siehe etwa 2 und 3) oder eines zu messenden Drehmoments M (siehe 4) verformt sich die Vorrichtung um eine Wegstrecke h1 zwischen dem Krafteinleitungsbereich B1 und dem mindestens einem Kraftausleitungsbereich B2, B2', wie dies etwa 2 zeigt.
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Es sind mechanischen Mittel 4 vorgesehen, die diese Wegstrecke h1 mithilfe mindestens eines Hebels 1, 1', genauer gesagt mithilfe von genau zwei Hebeln 1, 1' in einen messbaren Ausschlag h2 umwandeln. Die Hebel 1,1' sind zweiseitig ausgeführt, erstrecken sich also zu beiden Seiten ihrer Drehachse.
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Die 1 bis 3 und 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Kraftmessvorrichtung, während 4 ein Ausführungsbeispiel einer Drehmomentmessvorrichtung zeigt.
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Bei dem verformbaren Element 2 handelt es sich in beiden gezeigten Ausführungsbeispielen um ein ausschließlich Messzwecken dienendes Element und zwar um eine Biegefeder 2a. Die Vorrichtung ist in beiden gezeigten Ausführungsbeispielen so ausgestaltet, dass die zu messende Kraft oder das zu messenden Moment vollständig durch die Vorrichtung hindurch geführt sind.
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Die mechanischen Mittel 4 sind als Verstärkungsmittel 4a ausgebildet, die die Wegstrecke h1, um die die Vorrichtung zwischen dem Krafteinleitungsbereich B1 und dem mindestens einem Kraftausleitungsbereich B2, B2' verformt wird, mechanisch in einen messbaren Ausschlag h2 umwandeln, der größer ist, als die Wegstrecke h1.
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Etwa 3 zeigt zwei Endanschläge 3, 3', zur Begrenzung der Bewegungsmöglichkeit der Hebel 1, 1'.
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Wie etwa die 3 und 4 zeigen, umfasst die Vorrichtung in beiden gezeigten Ausführungsbeispielen einen Positionssensor 6, und an beiden Hebel 1, 1' ist jeweils ein Messbereich MB, MB‘ angeordnet. Der Positionssensor 6 ist als induktiver Sensor ausgeführt und misst den Ausschlag h2, den die Messbereiche MB, MB‘ relativ zu dem Basisteil 5 bei einem Verformen der Vorrichtung zwischen dem Krafteinleitungsbereich und dem mindestens einem Kraftausleitungsbereich vollziehen. Anstelle der in den 3 und 4 gezeigten Anordnung des Positionssensors 6 unterhalb der mechanischen Mittel 4 kann dieser auch oberhalb der mechanischen Mittel 4 angeordnet sein. Der Positionssensor 6 ist in beiden gezeigten Ausführungsbeispielen ortsfest zu dem Basisteil 5 angeordnet.
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Die Messbereiche MB, MB‘ sind mit Vorteil so ausgestaltet, dass in Abhängigkeit von ihrer Entfernung zu der Spule des induktiven Sensors deren Magnetfeld beeinflusst wird. Beide Messbereiche MB, MB‘ umfassen ein Blechteil, und zwar jeweils eine rechteckige Blechplatte.
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Das verformbare Element 2 wirkt bei beiden gezeigten Ausführungsbeispielen zwischen den beiden Hebeln 1, 1' und ist durch eine Feder 2a, genauer gesagt eine Biegefeder, gebildet. Das verformbaren Element 2 wirkt bei beiden gezeigten Ausführungsbeispielen nicht auf das Basisteil.
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Wie insbesondere die 2 und 3 zeigen, weist das gezeigte Ausführungsbeispiel einer Kraftmessvorrichtung genau einen Krafteinleitungsbereich B1 und genau zwei Kraftausleitungsbereiche B2, B2' auf.
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Die Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass die Vorrichtung bei der Einleitung der zu messenden Kraft MF zwischen dem Krafteinleitungsbereich B1 und den beiden Kraftausleitungsbereichen B2, B2' verformt wird (vergleiche 1 und 2).
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Kraftmessvorrichtung ist der Krafteinleitungsbereich B1 der zu messenden Kraft MF an dem Basisteil 5 angeordnet und die beiden Kraftausleitungsbereiche B2, B2' sind jeweils an einem der beiden Hebel 1,1' angeordnet. Die Kraftausleitungsbereiche B2, B2' können auch als Reaktionskraft RF, RF‘ Einleitungsbereiche bezeichnet werden.
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Zur Erzielung der „Übersetzung“ der kleineren Wegstrecke h1 in den größeren Ausschlag h2 ist der Abstand I1 jedes Kraftausleitungsbereichs B2, B2' von der Drehachse A, A‘ des jeweiligen Hebels 1,1' kleiner, als der Abstand I2 des Messbereich MB, MB des jeweiligen Hebels 1, 1' von der jeweiligen Drehachse A, A‘.
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Das gezeigte Ausführungsbeispiel der Kraftmessvorrichtung ist so ausgeführt, dass das Verhältnis der Wegstrecke h1, um die die Vorrichtung zwischen dem Krafteinleitungsbereich B1 und den Kraftausleitungsbereichen B2, B2' verformt wird, zu dem messbaren Ausschlag h2 gleich groß ist, wie das Verhältnis des Abstands I1 des jedes Kraftausleitungsbereichs B2, B2' von der Drehachse A, A‘ des jeweiligen Hebels 1, 1' zu dem Abstand I2 des Messbereichs MB, MB des jeweiligen Hebels 1, 1' von der jeweiligen Drehachse A, A‘.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Ausführung als Kraftmessvorrichtung ohne Einwirkung einer zu messenden Kraft. Der Positionssensor 6 ist in dieser Darstellung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Gut erkennbar ist, dass der Abstand I1 der Kraftausleitungsbereiche B2, B2' von der jeweiligen Drehachse A, A‘ deutlich kleiner ist, als der Abstand I2 der Messbereiche von der Drehachse.
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Dies führt dazu, dass bei Einleitung einer zu messenden Kraft MF, wie in 2 gezeigt, der Ausschlag h2, den die Messbereiche MB, MB‘ dabei vollziehen, deutlich größer ist, als die Wegstrecke h1, um die sich die Vorrichtung zwischen dem Krafteinleitungsbereich B1 und dem mindestens einem Kraftausleitungsbereich B2, B2' dabei verformt.
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3 zeigt, wie der Positionssensor 6 den Ausschlag h2 der Messbereiche MB, MB‘ misst und lässt auch die Endanschläge 3, 3' gut erkennen.
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4 zeigt die Ausführung als Drehmomentmessvorrichtung. Das zu messende Drehmoment M wird in die Hebelarme 1, 1' eingeleitet. Die Begriffe Hebel und Hebelarme werden im Rahmen dieser Druckschrift synonym verwendet.
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Die 5 und 6 dienen der Veranschaulichung der Wirkungsweise der Hebelarme 1, 1'. 6 zeigt das Basisteil 5 in durchgezogener Linie, nachdem sich die Vorrichtung zwischen dem Krafteinleitungsbereich B1 und den Kraftausleitungsbereichen B2, B2' um Wegstrecke h1 verformt hat und in gestrichelter Linie in der Ausgangsposition.