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Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer zum
Messen von Druck- bzw. Schubkräften,
mit einem Meßkörper, der
zumindest eine Kraftmeßzone aufweist,
in der zumindest ein Kraftmeßsystem
angeordnet ist, das in der Lage ist, Dehnungen, Stauchungen und/oder
Biegungen des Meßkörpers in
der Kraftmeßzone
zu erfassen, und mit einer den Meßkörper umfänglich zumindest teilweise
umgebenden Hülse,
die sich zumindest über
eine Teillänge
des Meßkörpers erstreckt
und gegen den Meßkörper abgedichtet
ist, wobei die Hülse
hermetisch dicht fest mit dem Meßkörper verbunden ist.
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Ein derartiger Kraftaufnehmer ist
aus dem Dokument
DE
39 12 218 A1 bekannt.
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Der aus dem zuvor genannten Dokument
bekannte Kraftaufnehmer weist einen Lastaufnahmesitz, einen Lasteinführungsabschnitt
und einen Lastaufnahmeabschnitt auf, die zusammen den Meßkörper bilden.
Am krafteinleitungsseitigen Ende des Meßkörpers ist ein äußerer Zylinderabschnitt
angeordnet, der den Lastaufnahmesitz umgibt, und der über zwei
sich radial erstreckende voneinander beabstandete Membranen mit
einem inneren Zylinderabschnitt verbunden ist, der an seinem krafteinleitungsseitigen
Ende fest mit dem Lastaufnahmesitz verschweißt ist. Die zuvor genannten
Membranen haben die Funktion, daß sich unsymmetrisch eingeleitete
oder seitlich eingeleitete Kräfte
nicht als Meßfehler
auf die Kraftmessung auswirken.
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Des weiteren ist aus dem Dokument
DE 37 38 104 A1 eine
Kapselung für
eine Kraftmeßvorrichtung
beschrieben, bei der zur luftdichten Kapselung des Biegeelementes
mit den darauf applizierten Dehnmeßstreifen ein Balg vorgesehen
ist. Mit der Kraftmeßvorrichtung
werden Drehmomente erfaßt, die
von einer Kurbel auf eine Welle ausgeübt werden.
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Ferner ist aus dem Dokument
DE 693 08 662 T2 ein
Kraftwandler und seine Verwendung in einer Druckerfassungsschaltung
bekannt. Der Kraftwandler ist in einem rohrförmigen Gehäuse aufgenommen, das an einem
Ende eine Membran und an dem anderen Ende einen abgedichteten Anschluß aufweist,
wobei an dem abgedichteten Anschluß ein Trägerbett befestigt ist und der
Kraftübertragungsblock
des Kraftwandlers derart angeordnet ist, daß er mit der Membran in Berührung gelangt.
Mit diesem Kraftwandler werden in einem Motorzylinder Verbrennungsgasdrücke gemessen.
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Ein Kraftaufnehmer der eingangs genannten Art
wird beispielsweise zum Messen des Schneckendruckes bei Extrudern
oder zum Messen der Schließkraft
von Schleusentoren eingesetzt.
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Der Meßkörper derartiger Kraftaufnehmer
ist üblicherweise
als Ringkörper
ausgebildet, so daß derartige
Kraftaufnehmer auch als Meßringe
bezeichnet werden. Der Meßkörper kann
gemäß der vorliegenden
Erfindung einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein und eine im
Querschnitt runde oder eckige Geometrie aufweisen.
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Der Meßkörper des Kraftaufnehmers hat
die Funktion, die zu messenden Druck- bzw. Schubkräfte aufzunehmen.
Diese Druck- bzw.
Schubkräfte
führen in
der Kraftmeßzone,
die üblicherweise
gegenüber dem übrigen Bereich
des Meßkörpers mit
geringerer Materialstärke
ausgeführt
ist, zu Dehnungen, Stauchungen bzw. Biegungen des Meßkörpers, die
von zumindest einem in der Kraftmeßzone angeordneten Kraftmeßsystem,
beispielsweise auf der Basis von Dehnungsmeßstreifen, erfaßt und in
Meßsignale
umgewandelt werden, aus denen in einer Auswerteeinheit die zu messenden
Kräfte
ermittelt werden.
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Das Kraftmeßsystem bzw. die Kraftmeßsysteme
sind empfindlich gegen Umfeldeinflüsse wie Feuchtigkeit oder Verunreinigungen.
Wenn Feuchtigkeit an die Kraftmeßsysteme gelangt, werden diese zunächst ungenau
und später
sogar zerstört,
wodurch der Kraftaufnehmer seine Funktion verliert. Um das oder
die Kraftmeßsysteme
gegen derartige Umfeldeinflüsse
zu schützen,
ist um den Meßkörper umfänglich eine
Hülse angeordnet,
die gegen den Meßkörper abgedichtet
ist.
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Die Hülse darf andererseits nicht
die Meßempfindlichkeit
des Meßkörpers beeinträchtigen,
d.h. der Meßkörper muß stets
in der Lage sein, auf die zu messenden Druck- bzw. Schubkräfte mit
Dehnungen, Stauchungen und/oder Biegungen in der Kraftmeßzone antworten
zu können,
um eine genaue Kraftmessung zu ermöglichen. Dementsprechend muß die Hülse relativ
zum Meßkörper eine
gewisse Beweglichkeit in Längsrichtung
des Meßkörpers aufweisen,
damit die zu messenden Druck- bzw. Schubkräfte zu den zur Messung der
Kräfte
erforderlichen Dehnungen, Stauchungen bzw. Biegungen des Meßkörpers in
der zumindest einen Kraftmeßzone
führen können, ohne
daß diese
Kräfte
von der Hülse
aufgenommen werden. Denn ansonsten würde die Empfindlichkeit des
Kraftaufnehmers und damit die Meßgenauigkeit vermindert.
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Um die zuvor genannte Relativbeweglichkeit zwischen
der Hülse
und dem Meßkörper zu
ermöglichen,
wurde bei den bekannten Kraftaufnehmern die Hülse gegen den Meßkörper mittels
Dichtungen, beispielsweise O-Ringen, abgedichtet, ohne daß die Hülse starr
mit dem Meßkörper verbunden
ist.
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Eine Abdichtung der Hülse gegen
den Meßkörper mittels
Dichtungen in Form von O-Ringen hat jedoch den Nachteil, daß die O-Ringe im Laufe der Zeit
durch Verschleiß oder
Umfeldeinflüsse
undicht werden, so daß Verunreinigungen
und Feuchtigkeit an. die Kraftmeßeinrichtungen gelangen können, woraus
sich die zuvor erwähnten
schädlichen
Folgen für den
Kraftaufnehmer ergeben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, die Standzeit eines Kraftaufnehmers der eingangs genannten
Art zu erhöhen,
ohne dabei die Meßempfindlichkeit
zu beeinträchtigen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich
des eingangs genannten Kraftaufnehmers dadurch gelöst, daß die Hülse zwischen
Längsendabschnitten
zumindest eine Biegezone aufweist, in der die Hülse im wesentlichen in Längsrichtung
des Meßkörpers biegsam
ist, so daß die
Hülse eine
Relativbeweglichkeit relativ zum Meßkörper in Längsrichtung des Meßkörpers besitzt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer
wird das bzw. werden die Kraftmeßsysteme sicher gegen Umfeldeinflüsse, wie
Verunreinigungen oder Feuchtigkeit, dadurch geschützt, daß die Hülse hermetisch
dicht fest mit dem Meßkörper verbunden ist.
Beispielsweise kann die Hülse
vollumfänglich
im Bereich beider Längsendabschnitte
mit dem Meßkörper verschweißt sein
oder auf den Meßkörper aufgeschrumpft
sein. Damit sich die dadurch ergebende an sich starre Verbindung
der Hülse
mit dem Meßkörper nicht
nachteilig auf die Meßempfindlichkeit
und damit auf die Meßgenauigkeit
des Kraftaufnehmers auswirkt, ist des weiteren erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Hülse zumindest
eine Biegezone aufweist, in der die Hülse im wesentlichen in Längsrichtung
des Meßkörpers biegsam
ist. Die auf den Meßkörper wirkenden
zu messenden Druck- bzw. Schubkräfte
werden in Folge der zumindest einen Biegezone nicht oder zumindest
im wesentlich geringeren Umfang von der Hülse aufgenommen und können sich
somit unvermindert auf die Kraftmeßzone übertragen, während die
Hülse sich
dabei in der Biegezone in Längsrichtung
des Meßkörpers biegt.
Die Standzeit des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers
ist somit ohne Beeinträchtigung
der Meßempfindlichkeit
erhöht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
ist die zumindest eine Biegezone im Querschnitt balgartig ausgebildet.
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Durch die im Querschnitt balgartige
Ausgestaltung der Biegezone wird bei der Hülse eine besonders hohe Biegsamkeit
erreicht, ohne daß bei
der Herstellung der Hülse
biegsame Materialien wie Elastomere oder Kunststoffe oder dergleichen
verwendet werden müssen.
Die Hülse
kann daher insgesamt aus Metall ausgebildet werden. Des weiteren hat
die balgartige Ausgestaltung auch den Vorteil, daß die Hülse in der
zumindest einen Biegezone im wesentlichen elastisch biegsam ist,
d.h, sich in diesem Bereich nicht bleibend verformt, so daß die Nullage
des Kraftaufnehmers stets wieder erreicht wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist
die Hülse
in der zumindest einen Biegezone von ihrer Außenseite und/oder Innenseite
her quer zur Längsrichtung
des Meßkörpers verlaufende
Ausnehmungen oder Einschnitte auf.
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Diese Maßnahme, die zu einer im Querschnitt
balgartigen Ausgestaltung der Biegezone führt, hat den Vorteil, daß sich die
zumindest eine Biegezone mit besonders einfachen Bearbeitungsmaßnahmen,
beispielsweise Dreh- oder Fräsvorgängen, herstellungstechnisch
einfach und kostengünstig
an der Hülse
ausbilden läßt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung bildet
die zumindest eine Biegezone ein Längsende der Hülse, und
ist ein äußeres Ende
der Biegezone mit dem Meßkörper hermetisch
dicht fest verbunden.
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Diese Maßnahme führt zu einer noch einfacheren
und kostengünstigeren
Herstellung der Hülse,
da die Längsenden
der Hülse
für eine
maschinelle Bearbeitung besonders geeignet sind.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn das äußere Ende
der zumindest einen Biegezone mit dem Meßkörper verschweißt ist.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch eine
Verschweißung
des äußeren Endes
der Biegezone mit dem Meßkörper eine
hermetisch dichte feste Verbindung zwischen der Hülse und
dem Meßkörper auf
verfahrenstechnisch einfache Weise realisiert werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist
die Hülse
an zumindest einem ihrer Längsendabschnitte
auf den Meßkörper aufgeschrumpft.
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Auch durch diese Maßnahme wird
ebenfalls eine hermetisch dichte feste Verbindung zwischen der Hülse und
dem Meßkörper erreicht,
und zwar ebenfalls durch einen einfachen Herstellungsschritt. Diese
Maßnahme
kann auch mit der zuvor genannten Maßnahme in der Weise kombiniert
sein, daß das äußere Ende
der Biegezone mit dem Meßkörper verschweißt ist,
während
das gegenüberliegende Längsende
bzw. der gegenüberliegende
Längsendabschnitt
auf den Meßkörper aufgeschrumpft
ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, daß die vorstehend
genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angege benen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird in bezug auf diese hiernach
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines Kraftaufnehmers zum Messen von Druck- bzw. Schubkräften;
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2 einen
Schnitt durch den Kraftaufnehmer in 1 entlang
seiner Längsachse;
und
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3 eine
vergrößerte Darstellung
des in 2 mit X bezeichneten
Ausschnitts des Kraftaufnehmers in 1 und 2.
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In 1 und 2 ist ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehener
Kraftaufnehmer dargestellt. Der Kraftaufnehmer 10 dient
zum Messen von Druck- bzw. Schubkräften, die auf den Kraftaufnehmer 10 wie
mit Pfeilen 12 angedeutet, in Richtung einer Längsachse 14 des
Kraftaufnehmers 10 wirken.
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Der Kraftaufnehmer 10 weist
einen im gezeigten Ausführungsbeispiel
einteiligen Meßkörper 16 auf,
der in Form eines Ringes ausgebildet ist und eine mittige Montagebohrung 17 aufweist, über die der
Kraftaufnehmer 10 an seinem Einsatzort eingebaut wird.
Der Meßkörper 16 ist
im Querschnitt im wesentlichen rund.
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Der Meßkörper 16 weist eine
Kraftmeßzone 18 auf,
in der der Meßkörper 16 durch
eine vollumfangliche Aussparung dünnwandiger ausgebildet ist als
im übrigen
Bereich des Meßkörpers 16.
Die zu messenden Druck- bzw. Schubkräfte gemäß den Pfeilen 12 bewirken
Dehnungen, Stauchungen bzw. Biegungen des Meßkörpers 16 in der Kraftmeßzone 18.
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In der Kraftmeßzone 18 sind jeweils
ein oder mehrere Kraftmeßsysteme 22, 24, 26, 28 angeordnet,
die beispielsweise auf der Basis von Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sind
und zusammen zu einer Meßbrücke verschaltet
sind. Die Kraftmeßeinrichtungen 22 bis
28 erfassen die aufgrund der auf den Meßkörper 16 wirkenden
Druck- bzw. Schubkräften
bewirkten Dehnungen, Stauchungen und/oder Biegungen des Meßkörpers 16 in
der Kraftmeßzone 18 und
erzeugen entsprechende Meßsignale,
die in einer nicht dargestellten externen Auswerteeinheit verarbeitet
werden, um daraus die zu messende Kraft bzw. Kräfte zu ermitteln. Der Kraftaufnehmer 10 weist
dazu ferner einen Anschluß 30 zum
Verbinden des Kraftaufnehmers 10 mit einer Spannungsversorgung
für die
Kraftmeßsysteme 22 bis 28 und
der zuvor genannten nicht dargestellten Auswerteeinheit auf.
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Der Kraftaufnehmer 10 weist
weiterhin eine Hülse 32 auf,
die sich im gezeigten Ausführungsbeispiel
im wesentlichen über
die gesamte Länge
des Meßkörpers 16 in
Richtung der Längsachse 14 erstreckt
und den Meßkörper 16 umfänglich,
im gezeigten Ausführungsbeispiel
vollumfänglich,
umgibt.
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Der Meßkörper 16 und die Hülse 32 sind
aus Metall, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, hergestellt. Der
Anschluß 30 ist
an der Hülse 32 befestigt, die
zum Durchgang der elektrischen Leitun gen mit einer entsprechenden Öffnung 34 versehen
ist. Ein rohrförmiger
Abschnitt 36 des Anschlusses 30 ist dabei hermetisch
dicht in die Öffnung 34 der
Hülse 32 eingesetzt.
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Die Hülse 32 ist vollumfänglich hermetisch dicht
gegen den Meßkörper 16 abgedichtet
und fest mit dem Meßkörper 16 verbunden.
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Zwischen den Längsendabschnitten 38 und 40 weist
die Hülse 32 zumindest
eine, im gezeigten Ausführungsbeispiel
genau eine sich hier vollumfänglich
um die Hülse 32 erstreckende
Biegezone 42 auf, die in 3 in
vergrößertem Maßstab dargestellt ist.
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Im Bereich der Biegezone 42 ist
die Hülse 32 in
Richtung der Längsachse 14 des
Kraftaufnehmers 10 bzw. des Meßkörpers 16 biegsam,
wie mit Pfeilen 44 und 46 in 3 angedeutet ist.
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Die Biegezone 42 der Hülse 32 ist
im Querschnitt balgartig ausgebildet. Die Hülse 32 weist in der
Biegezone 42 eine Ausnehmung bzw. einen Einschnitt 48 auf,
der von der Innenseite der Hülse 32 her
in die Hülse 32 eingebracht
ist, sowie eine Ausnehmung bzw. einen Einschnitt 50, der
von der Außenseite
der Hülse 32 in
diese eingebracht wurde.
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Die Biegezone 42 bildet
ein Längsende
der Hülse 32,
im gezeigten Ausführungsbeispiel
den Längsendabschnitt 40 der
Hülse 32,
und ein äußeres Ende 52 der
Biegezone 42 ist mit dem Mcßkörper 16 über eine
vollumfänglich
um den Meßkörper ausgebildete
Schweißnaht 54 hermetisch
dicht und fest verbunden.
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Der gegenüberliegende Längsendabschnitt 38 der
Hülse 32 ist
auf den Meßkörper 16 hermetisch dicht
aufgeschrumpft, kann jedoch auch lediglich auf den Meßkörper 16 aufgeschoben
und mit einer entsprechenden vollumfänglichen Schweißnaht am äußeren Ende
des Längsendabschnitts 38 mit
dem Meßkörper 16 verschweißt sein.
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Die Biegezone 42 der Hülse 32 bewirkt
nun, daß sich
die Hülse 32 bei
auf den Meßkörper 16 wirkenden
Druck- bzw. Schubkräften 12 im
Bereich der Biegezone 42 in der Art eines Gelenks biegen
kann, so daß die
Hülse 32 die
erforderliche Relativbeweglichkeit relativ zum Meßkörper 16 in
Richtung der Längsachse 14 besitzt,
wodurch sich die Druck- bzw. Schubkräfte gemäß den Pfeilen 12 in
vollem Umfang auf die Kraftmeßzone 18 übertragen
und dort die zur Messung der Kraft erforderlichen Dehnungen, Stauchungen
und/oder Biegungen hervorrufen, wobei die Hülse 32 nur einen kleinen
Teil der Kräfte
aufnimmt und dadurch keine Verfälschung
der Messung bewirkt. Mit anderen Worten reduziert die Hülse 32 aufgrund
der zumindest einen Biegezone 42 die Meßempfindlichkeit des Kraftaufnehmers 10 nicht
oder nicht in wesentlichem Maße.
Andererseits gewährleistet
die Hülse 32 durch
die hermetisch dichte feste Verbindung mit dem Meßkörper 16 einen
dauerhaften und verschleißfreien
Schutz der Kraftmeßeinrichtungen 22 und 28 gegen
Verunreinigungen und Feuchtigkeit, wodurch die Standzeit des Kraftaufnehmers 10 erhöht wird.