DD257295A5 - ELASTOSTATIC FORCE MEASURING DEVICE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine elastostatische Kraftmesseinrichtung, die vorteilhaft als Messzelle zum Wiegen an Bunkern oder Brueckenwaagen eingesetzt wird. Um die notwendigen Freiheitsgrade derartiger Messzellen, die die Vertikal-, Horizontal- und Winkelbewegungen des Bunkers bzw. der Brueckenwaage erlauben, weiter zu verbessern, ist erfindungsgemaess der topfartige Grundkoerper 18 der Messzelle 12 durch ein an seiner Unterseite angebrachtes, eine elastomere Platte 36 aufweisendes Topflager gehalten. Fig. 1The invention relates to an elastostatic force measuring device, which is advantageously used as a measuring cell for weighing bunkers or bridge scales. In order to further improve the necessary degrees of freedom of such measuring cells, which allow the vertical, horizontal and angular movements of the bunker or bridge weigher, according to the invention the pot-like basic body 18 of the measuring cell 12 by a mounted on its underside, an elastomeric plate 36 having pot-top held. Fig. 1
Description
Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings
Die Erfindung bezieht sich auf eine elastostatische Kraftmeßeinrichtung, die vorteilhaft als Kraftmeßzelle zum Wiegen an Bunkern oder in Brückenwaagen eingesetzt wird.The invention relates to an elastostatic force measuring device, which is advantageously used as a load cell for weighing bunkers or in weighbridges.
Beim Einsatz von Kraftmeßzellen zum Wiegen an Bunkern oder Brückenwaagen muß dafür gesorgt werden, daß die Kraftmeßzellen entsprechende Freiheitsgrade besitzen, die Vertikal-, Horizontal- und Winkelbewegungen des Bunkers bzw. der Brückenwaage erlauben. Andererseits ist darauf zu achten, daß derartige Bewegungen verhältnismäßig eng begrenzt werden, da sonst die Gefahr einer Zerstörung der Kraftmeßzelle besteht. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, eine seitliche Bewegung der.Kraftmeßzelle dadurch zu ermöglichen, daß die Kraftmeßzelle auf einer nach unten gewölbten Kalotte aufgesetzt ist und der obere Krafteinleitungspunkt über eine in einer kugelförmigen Vertiefung eingesetzte Kugel erfolgt. Es ist aber immer noch erforderlich, die Kraftmeßzelle durch Lenker und Anschläge gegen Überlastung auf Grund von Drehung und Horizontalkräften abzustützen. Am Krafteinleitungspunkt kann auch als Zwischenlage eine elastomere Platte vorgesehen sein. Allerdings ist eine statische Reibung zu überwinden, die in der Größenordnung von 5% liegen kann und die üblichen Kraftmeßzellen über Gebühr belastet. Es war bisher deshalb erforderlich, Ausgleichselemente wie Lenker oder dergleichen vorzusehen. Aus den DE-Gbm 8534719.1 ist eine Kraftmeßeinrichtung mit topfartigem Abstützteil bekannt, in das ein kolbenartiges Kraftaufnahmeteil eingesetzt ist, wobei zwischen der Stirnfläche des Kraftaufnahmeteils und dem Boden des Abstützteils sowie zwischen dem Umfangsmantel des Kraftaufnahmeteils und der zylindrischen Innenfläche des Abstützteils ein elastomerer Stoff angeordnet ist, der mit mindestens einem Drucksensor in Kontakt ist. Diese Kraftmeßeinrichtung hat den Vorteil, daß jegliche Querkräfte vom elastomeren Stoff ohne Reibung auf das Abstützteil übertragen werden.When using load cells for weighing bunkers or weighbridges must be taken to ensure that the load cells have corresponding degrees of freedom that allow vertical, horizontal and angular movements of the bunker or the weighbridge. On the other hand, it should be ensured that such movements are relatively narrow, otherwise there is a risk of destruction of the load cell. For this purpose, it is known, for example, to allow a lateral movement der.Kraftmeßzelle characterized in that the load cell is placed on a downwardly curved dome and the upper force introduction point via a ball inserted in a spherical recess. However, it is still necessary to support the load cell by handlebars and stops against overload due to rotation and horizontal forces. At the force introduction point can also be provided as an intermediate layer, an elastomeric plate. However, a static friction must be overcome, which may be on the order of 5% and charged the usual load cells over charge. It has therefore been necessary to provide compensation elements such as handlebars or the like. From DE-Gbm 8534719.1 a force measuring device with cup-like support member is known, in which a piston-like force receiving part is used, wherein between the end face of the force receiving part and the bottom of the support member and between the peripheral skirt of the force receiving part and the cylindrical inner surface of the support member is disposed an elastomeric material which is in contact with at least one pressure sensor. This force measuring device has the advantage that any lateral forces are transmitted from the elastomeric material without friction on the support member.
Ziel der Erfindung ist es, bei gleichzeitiger Sicherung gegen Überlastung und Reduzierung der Einbauhöhen, die Einsatzmöglichkeiten derartiger Kraftmeßeinrichtungen zu erweitern.The aim of the invention is to expand the possible applications of such force measuring devices while protecting against overloading and reducing installation heights.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Kraftmeßeinrichtungen auf noch einfachere Art und Weise mit denThe invention is based on the object, these force measuring devices in a still simpler way with the
erforderlichen Freiheitsgraden auszustatten. >equip required degrees of freedom. >
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der topfartige Grundkörper durch ein an seiner Unterseite angebrachtes, eine elastomere Platte aufweisendes Topflager gehalten ist.According to the invention the object is achieved in that the cup-shaped base body is held by a mounted on its underside, an elastomeric plate exhibiting pot bearing.
Da alle Querkräfte über den elastomeren Stoff zum Abstützteil abgeleitet werden, ergeben sich ideale Freiheitsgrade für dieSince all lateral forces are derived via the elastomeric material to the support, ideal degrees of freedom for the result
Kraftmeßzelle, so daß keine gesonderten Maßnahmen wie Lenker oder dergleichen erforderlich sind, um die Querkräfte aufzufangen.Load cell, so that no separate measures such as handlebars or the like are required to absorb the transverse forces.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. Es zeigen die Figuren 1 bis 3 Schnittansichten von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung mit unterschiedlichen Freiheitsgraden.Further features and advantages of the force measuring device according to the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. The figures 1 to 3 are sectional views of embodiments of the force measuring device according to the invention with different degrees of freedom.
Gemäß den Figuren besitzt eine Kraftmeßeinrichtung 10 der Ausführungsbeispiele eine elastostatische Kraftmeßzelle 12, über derein Krafteinleitungselement 14 angeordnet ist und die von einem Abstützteil 16 gehalten wird. Die elastostatische Kraftmeßzelle 12 weist einen topfförmigen Körper 18 auf, in dem ein Kolben 20 geführt ist, der mit der zylindrischen Innenfläche des topfförmigen körpers 18 einen verhältnismäßig engen Ringspalt 22 bildet. Dieser Ringspalt 22 sowie der Boden des topfförmigen Körpers sind mit elastomerem Stoff gefüllt (Vgl. G 8534719).Referring to the Figures, a force measuring device 10 of the embodiments has an elastostatic load cell 12 over which a force input member 14 is disposed and which is supported by a support member 16. The elastostatic load cell 12 has a pot-shaped body 18, in which a piston 20 is guided, which forms a relatively narrow annular gap 22 with the cylindrical inner surface of the pot-shaped body 18. This annular gap 22 and the bottom of the cup-shaped body are filled with elastomeric material (Cf. G 8534719).
In Abweichung zu der bekannten Kraftmeßeinrichtung nach dem genannten Gebrauchsmuster ist die untere Stirnfläche 24 des Kolbens 20 zur Längsachse des Kolbens hin vom Rand nach oben gezogen zu einer zentralen Bohrung 26, die von oben her mittels eines Stöpsels 28 oder dergleichen verschließbar ist. Der besondere Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß bei der der bekannten Kraftmeßeinrichtung verwendeten Herstellung durch Rotieren der Kraftmeßeinrichtung mittels eines Karussels die Luftblasen zum Inneren hingetrieben und über die Bohrung 26 entfernt werden, während bei der bekannten Kraftmeßeinrichtung der Boden nach unten hin gewölbt oder kegelartig ausgeformt ist und die Blasen durch ein Ringspalt ausgetrieben werden. Die erfindungsgemäße Form führt zu einer geringeren Bauhöhe. Es sei darauf hingewiesen, daß diese spezielle Ausbildung der erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung von allgemeiner erfinderischer Bedeutung ist.In contrast to the known force measuring device according to said utility model, the lower end face 24 of the piston 20 is pulled toward the longitudinal axis of the piston from the edge up to a central bore 26 which is closable from above by means of a plug 28 or the like. The particular advantage of this design is that in the known force measuring device used by rotating the power measuring device by means of a carousel, the air bubbles are driven to the interior and removed via the bore 26, while curved in the known force measuring the bottom downwards or conically shaped and the bubbles are expelled through an annular gap. The shape of the invention leads to a lower overall height. It should be noted that this particular embodiment of the force measuring device according to the invention is of general inventive importance.
In den Boden des topfförmigen Körpers 12 ist ein Drucksensor 30 eingelassen, der den auf den elastomeren Stoff vom Kolben 20 ausgeübten Druck feststellt und in geeigneter Weise zur Auswertung bringt.In the bottom of the cup-shaped body 12, a pressure sensor 30 is inserted, which detects the pressure exerted on the elastomeric substance by the piston 20 pressure and brings in a suitable manner for evaluation.
Die voranstehende Beschreibung der Grundelemente der erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung gilt im wesentlichen für alle drei Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 bis 3. Diesen ist auch die Ausbildung des Abstützteils 16 gemeinsam, die einen zentralen Kolben 32 besitzt, der in eine dazu komplementäre Vertiefung 34 an der Unterseite des topfförmigen Körpers gegen eine Elastomerscheibe 36 drückt.The above description of the basic elements of the force measuring device according to the invention applies essentially to all three embodiments shown in FIGS. 1 to 3. This is also the formation of the support member 16 together, which has a central piston 32, in a complementary recess 34 at the bottom the cup-shaped body against an elastomeric disc 36 presses.
Der Kolben 20 besitzt einen zentralen Ansatz 38 an seiner Oberseite der in eine entsprechende Vertiefung 40 an der Unterseite des Kraftaufnameelementes 14 ragt. Das Kraftaufnahmeelement 14 besitzt eine flächige Oberseite, die in geeigneter Weise mit Teilen des Bunkers bzw. einer Waagenbrücke in Verbindung steht und deren Krafteinwirkung aufnimmt. Die flächige Ausbildung des Kraftaufnahmeelementes 14 ermöglicht eine stabile Verbindung zum Bunker bzw. zur Waagenbrücke und eine gleichmäßige Kraftaufnahme.The piston 20 has a central projection 38 on its upper side which projects into a corresponding depression 40 on the underside of the force-absorbing element 14. The force receiving element 14 has a flat upper side, which is in a suitable manner with parts of the bunker or a balance bridge in connection and absorbs their force. The planar design of the force receiving element 14 enables a stable connection to the bunker or the balance bridge and a uniform force absorption.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 könnte der Kolben 20 einstückig mit dem Kraftaufnahmelement 14 ausgeführt sein, denn diese Ausführungsform bietet nur den kardanischen Freiheitsgrad, der ein Schwenken des Bunkers bzw. der Waagenbrücke erlaubt. Bei der Ausführungsform nach Fig.3 ergibt sich zusätzlich ein Freiheitsgrad sowohl in X-als Y-Richtung dadurch, daß zwischen dem Kraftaufnahmeelement 14 und dem Kolben 20 eine Kunststoffscheibe 42 eingelegt ist, die gegenüber den Metallflächen des Kraftaufnahmeelementes 14 und des Kolbens 20 eine geringe Reibung aufweist. Das Material für die Kunststoffscheibe kann beispielsweise Polytetrafluorethylen (Teflon) sein. Bei dieser Ausführungsform ist zu beachten, daß zwischen dem Ansatz 38 und den Wänden der Vertiefung 40 ein ausreichender Abstand vorhanden ist, dereine Horizontalbewegung des Kraftaufnahmeelementes 14 bezüglich des Kraftmeßelementes 12 erlaubt. Die Kunststoffscheibe 42 wird bevorzugt in Aussparungen untergebracht, die auf der Oberseite des Kolbens 20 und/oder der Unterseite des Kraftaufnehmerelementes 14 angebracht sind.In the embodiment of Fig. 1, the piston 20 could be integral with the force receiving element 14, because this embodiment provides only the gimbal degree of freedom, which allows pivoting of the bunker or the balance bridge. In the embodiment according to Figure 3 results in addition to a degree of freedom in both X and Y direction in that between the force receiving member 14 and the piston 20, a plastic disc 42 is inserted, compared to the metal surfaces of the force receiving member 14 and the piston 20 a small Having friction. The material for the plastic disc may be, for example, polytetrafluoroethylene (Teflon). In this embodiment, it should be noted that there is sufficient clearance between the boss 38 and the walls of the recess 40 which allows horizontal movement of the force receiving member 14 with respect to the force measuring member 12. The plastic disk 42 is preferably housed in recesses which are mounted on the top of the piston 20 and / or the underside of the Kraftaufnehmerelementes 14.
Fig.2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei dereine Querbewegung des Kraftaufnahmeelementes 14 nur in einer Richtung2 shows a further embodiment, in which a transverse movement of the force receiving element 14 in one direction only
z. B. der X-Richtung gegeben ist. Dabei wird zwischen dem Ansatz 38 und der zylindrischen Fläche der Vertiefung 40, die beide rechteckig, bevorzugt quadratisch sind, an nur zwei sich gegenüberliegenden Seiten je eine Teflonscheibe 44 eingesetzt, so daß eine Bewegung des Kraftaufnahmeelementes lediglich in Richtung senkrecht zur Zeichenebene möglich ist. Die Kunststoffscheiben sind mit Schmiertaschen versehen, die der Speicherung eines Schmierstoffes zur Sicherung der Dauerschmierung der Gleitflächen dienen.z. B. the X direction is given. In this case, between the projection 38 and the cylindrical surface of the recess 40, which are both rectangular, preferably square, on only two opposite sides each used a Teflon washer 44, so that a movement of the force receiving element is only possible in the direction perpendicular to the plane. The plastic discs are provided with lubrication pockets, which serve to store a lubricant to secure the permanent lubrication of the sliding surfaces.
Es sei darauf hingewiesen, daß die bei den Ausführungsbeispielen verwendete Abstützung zwischen den Kolben 32, der Elastomerplatte 36 in der Vertiefung 34 ein kardanisch wirkendes Topflager darstellt, das vom Prinzip herein Festlager ist, bei dem Verdrehungen oder Schwenkbewegungen um die Horizontalachse durch Verformung der Elastomerplatte 36 ermöglicht wird. Das verwendete Elastomer hält unter allseitigem Druck sein Volumen konstant und ist damit inkompressibel. Der Kolben 32 verhindert ein Auspressen der Elastomerplatte.It should be noted that the support used in the embodiments between the piston 32, the elastomer plate 36 in the recess 34 is a gimbal acting pot bearing, which is in principle a fixed bearing in the rotations or pivotal movements about the horizontal axis by deformation of the elastomer plate 36th is possible. The elastomer used keeps its volume constant under all-round pressure and is therefore incompressible. The piston 32 prevents the elastomer plate from being pressed out.
Mit den erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Kraftmeßeinrichtung lassen sich entsprechende Lagerungen für einen Bunker, eine Waagenbrücke oder dergleichen zusammenstellen. Bei einer Dreipunktlagerung sind folgende FreiheitsgradeWith the embodiments of the force measuring device according to the invention, corresponding bearings for a bunker, a balance bridge or the like can be put together. With a three-point bearing the following degrees of freedom are
erforderlich: required:
Eine Kraftmeßeinrichtung mit kardanischem Festpunkt (Fig. 1),A force measuring device with gimbal fixed point (FIG. 1),
eine Kraftmeßeinrichtung mit kardanischem Festpunkt und mit horizontalem Freiheitsgrad in X-Richtung und eine Kraftmeßeinrichtung mit kardanischem Festpunkt und zwei Freiheitsgraden in X-Richtung und Y-Richtung. (Fig.3) Bei vier Abstützpunkten ist zusätzlich noch eine Kraftmeßeinrichtung nach Fig. 3 erforderlich.a force measuring device with gimbal fixed point and with horizontal degree of freedom in the X direction and a force measuring device with gimbal fixed point and two degrees of freedom in the X direction and Y direction. (Figure 3) At four support points, a force measuring device according to FIG. 3 is additionally required.
Die Paarungen der Werkstoffe der Kraftmeßeinrichtung werden so gewählt, daß sich eine möglichst kleine Bauform bei hoher Überlastungsgrenze ergibt.The pairings of the materials of the force measuring device are chosen so that the smallest possible design results in high overload limit.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Meßzelle 12 bezüglich der Ausbildung der Unterseite des Kolbens 20 auch anders ausgeführt sein kann, etwa mit vorstehendem Kegel. Die erfindungsgemäß verwendete Form besitzt jedoch den Vorteil, daß damit eine sehr niedrige Bauhöhe erreicht werden kann, obwohl ein verhältnismäßig hoher Ringspalt 22 verwendet wird.It should be noted that the measuring cell 12 with respect to the formation of the underside of the piston 20 may also be designed differently, such as with the above cone. However, the mold used in the invention has the advantage that it allows a very low overall height can be achieved, although a relatively high annular gap 22 is used.
Ferner ist zu beachten, daß für alle drei Ausführungsformen im wesentlichen die gleichen Grundelemente verwendet werden können.It should also be noted that substantially the same basic elements can be used for all three embodiments.
Wie bereits eingangs erwähnt, besitzt die erfindungsgemäße Kraftmeßeinrichtung den Vorteil, daß durch den elastomeren Stoff im Ringspalt 22 Querkräfte vom Kolben 20 auf den topfförmigen Körper 18 und das Abstützteil 16 übertragen werden, und daß erst bei höheren Kräften, die die Reibung zwischen den Metallischen des Kraftaufnahmeelementes und der Kolben und der Teflonscheibe überwinden, ein Verschieben des Kraftaufnahmeelementes 14 bezüglich der Meßzelle 12 erfolgt. Da kein Durchbiegen des Kolbens oder des Abstützteils auftritt, ergibt sich auch kein Schwenken des Bunkers oder der Waagenbrücke.As already mentioned, the force measuring device according to the invention has the advantage that transverse forces are transmitted from the piston 20 to the cup-shaped body 18 and the support member 16 by the elastomeric material in the annular gap 22, and that only at higher forces, the friction between the metallic of the Overcome power receiving element and the piston and the Teflon disk, a displacement of the force receiving element 14 with respect to the measuring cell 12 takes place. Since no bending of the piston or the support member occurs, there is no pivoting of the bunker or the balance bridge.
Die erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtungen können beispielsweise mit 100t belastet werden und haben in dieser Ausführungsform etwa einen Durchmesser von 200 mm.The force measuring devices according to the invention can be loaded, for example, with 100 t and in this embodiment have a diameter of approximately 200 mm.
Obwohl die Verbindung zwischen Kraftaufnahmeelement 14 und dem Kolben 20 durch einen Ansatz am Kolben 20 erfolgt, kann auch eine gerade, komplementäre Verbindung verwendet werden. Es ist auch nicht erforderlich einen zentralen Ansatz zu verwenden. Statt dessen könnte auch ein entsprechender Umfangsrand am Kolben zum Einsatz kommen.Although the connection between the force receiving member 14 and the piston 20 is made by an approach on the piston 20, also a straight, complementary connection can be used. It is also not necessary to use a central approach. Instead, a corresponding peripheral edge could also be used on the piston.
Voranstehend wurde eine Kraftmeßeinrichtung beschrieben, die vollständig „absturzsicher" ist und auf Grund der großen Spaltflächen erhebliche Querkräfte aufnehmen kann. Selbst bei großer Überlastung erfolgt noch keine Zerstörung der Kraftmeßzelle, sondern das Ausmaß der Bewegung wird dadurch begrenzt, daß der Kolben mit seinem Mantel an der Innenfläche des topfförmigen Körpers zum Anliegen kommt.A force measuring device which is completely "fall-proof" and can absorb considerable lateral forces due to the large gap surfaces is described above, and even at high overloading the load cell is not destroyed, but the extent of the movement is limited by the fact that the piston engages with its jacket the inner surface of the cup-shaped body comes to rest.
Die zur Mitte hin nach oben gezogene kegelförmige Vertiefung hat nicht nur den Vorteil, daß trotz geringer Bauhöhe ein verhältnismäßig hoher Spalt erzielt werden kann, sondern daß auch beim Schleuderguß der Winkel am Scheitel des Karussels für einen bestimmten, gegebenenfalls großen Durchmesser der Kraftmeßeinrichtung kleiner sein kann als bei der bekannten Einrichtung, bei der die untere Stirnfläche des Kolbens nach unten gewölbt ist.The conical depression drawn up towards the center not only has the advantage that a relatively high gap can be achieved despite the low overall height, but also that the angle at the vertex of the carousel can be smaller for a certain, possibly large diameter of the force measuring device during centrifugal casting as in the known device in which the lower end face of the piston is curved downwards.
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