DE19640854A1 - Längssteife Kraftaufnehmer mit integrierten hydraulischen Kraft-Druckumformern - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Das technische Gebiet der Erfindung ist im Rahmen der Meßtechnik ganz allgemein die Sensortechnik und dort im besonderen die Signalgewinnung von statischen und/oder dynamischen Kräften, die unter dem Einfluß innerer und/oder äußerer mechanischer Be­ anspruchungen auf und zwischen Komponenten (Bausteinen) von Maschinen, Vorrichtun­ gen, Konstruktionen des Bauingenieurwesens, naturgewachsenen geologischen Formatio­ nen, im Verkehrswesen, Produktion und Fertigung; bei der Gewichtsbestimmung (Wägetechnik) u.v.a.m. entstehen.

Stand der Technik

Kraftaufnehmer mit elektrischer Signalausgabe sowie ihre Sonderformen, die Wägezellen, stehen heute in vielen Ausführungsvarianten, Bauformen, Meßbereichen und Wir­ kungsprinzipien dem Anwender serienmäßig zur Verfügung. Bei der Bestimmung von Ge­ wichtskräften F_g, wie sie z. B. von den Massen von Wägegütern oder von Gewichtsstücken im Schwerefeld der Erde erzeugt werden, erreichen sie z. T. erstaunlich hohe Meßgenauig­ keiten:
So werden von den Ausgangssignalen einiger Spitzenprodukte derartiger Kraftaufnehmer, die vorzugsweise nach dem Dehnungsmeßstreifenprinzip arbeiten [1] in Temperaturgren­ zen zwischen -10°C und +40°C Fehlergrenzen von teilweise weniger als 10^-4 v.R. bei der Kalibrierung von Gewichtskräften eingehalten!

Sieht man einmal von piezoelektrischen Kraftaufnehmern ab - die sich aber auch nicht für quasistatische Kraftmessungen eignen - werden diese guten Meßeigenschaften durchweg mit dem Nachteil erkauft, daß die Meßfederkörper dieser Kraftaufnehmer relativ große Volumina besitzen und bei der Einwirkung ihrer jeweiligen Nennkräfte F_N, für die sie im Einzelfall dimensioniert sind, um Nennwege S_N ausgelenkt werden, die meist mehrere Zehntelmillimeter betragen.

Dabei speichern sie in ihren Meßfedern eine elastische Energie

die bei der Messung dem Meßobjekt entzogen wird. Diese ist um so größer, je geringer die Längssteifigkeit

ihrer Meßfederkörper dimensioniert ist.

Bei statischen Gewichtskräften

F_G = g_loc·m_G (3)

stört S_N dieser Energieentzug von W_el die jeweiligen Meßobjekte nicht, weil sich bei Verla­ gerungen von Gewichtsmassen m_G im Zehntelmillimeterbereich die lokale Erdbeschleuni­ gung g_loc nicht meßbar verändert und die Abnahme der in ihnen gespeicherten potentiellen Energie bei diesen Meßobjekten meist in Kauf genommen werden kann.

Werden jedoch Kraftaufnehmer mit derartig großen Nennwegen S_N zur Messung z. B. von elastischen Verformungskräften F_B eingesetzt, die Bauteile von Meßobjekten in Form me­ chanischer Aufbauten, Maschinen etc. dem Einfluß von mechanischen Beanspruchungen aus ihrer Umgebung entgegensetzen, so weisen die damit gewonnenen Kraftmeßergeb­ nisse F_B relative Meßabweichungen

auf, die oft hohe zweistellige Prozentwerte erreichen, weil die Bauteilsteifigkeit c_B u. U. sehr viel größer ist als die Längssteifigkeit c_F der Kraftaufnehmer.

Noch wesentlich größere Meßverfälschungen sind u. U. in Kauf zu nehmen, wenn mit sol­ chen Kraftaufnehmern in Meßobjekten auftretende dynamische, d. h. zeitlich veränderliche Kraftverläufe zu erfassen sind:
Denn die Längssteifigkeit c_F der Kraftaufnehmer bildet mit jeder Meßobjektbauteilmasse m_B, mit der sie nach dem Einbau der Aufnehmer mechanisch gekoppelt ist, ein zusätzli­ ches, meist schwach gedämpftes, schwingungsfähiges System mit einer Eigenfrequenz von

in deren Nähe durch Resonanzerscheinungen der Frequenzgang des ungestörten Meßob­ jektes vielfach sogar um Faktoren verzerrt werden kann.

Derartige Fehlmessungen sind nur zu vermeiden, wenn c_F so groß dimensioniert werden kann, daß die zusätzlichen Eigenresonanzen f_o alle oberhalb des interessierenden Fre­ quenzbereiches des Meßobjektes liegen!

Die vorstehenden Ausführungen haben gezeigt, daß die exzellenten Meßeigenschaften der meisten marktgängigen Kraftaufnehmer bei Gewichtskraftsbestimmungen völlig verlo­ ren gehen, wenn Messungen an Kraftquellen durchzuführen sind, deren potentieller und/ oder kinetischer Energieinhalt vergleichbar wird mit W_el nach (1). Abhilfe kann hier nur dann geschaffen werden, wenn es gelingt, Kraftaufnehmer bereitzustellen, deren Längs­ steifigkeit c_F sehr viel größer als bisher üblich ist.

3.3 Problemlösungen

Aus (1) läßt sich unmittelbar entnehmen, daß sich

bei einem Kraftaufnehmer mit vorgegebener Nennkraft F_N nur dann entsprechend vergrö­ ßern läßt, wenn es gelingt, die bei der Messung aufgenommene Energie W_el drastisch zu reduzieren!

Wie sich aber am besonders anschaulichen Beispiel einer über ihren Querschnitt A von einer konstanten Flächenkraft F_F auf Stauchung beanspruchten zylindrischen Meßfeder (Fig. 5) leicht einsehen läßt, gilt dort

Diese Beziehung, die, wenn auch in etwas komplexerer Weise, für alle anderen elastisch beanspruchte Meßfederformen grundsätzlich Gültigkeit hat, weist auf drei unterschiedliche Maßnahmen hin, W_el zu reduzieren:

• 1. Verkleinerung der elastisch verformten Bauhöhe H (linearen Abmessungen) der Meßfeder;
• 2. Verminderung des Maximalwertes _F der Materialdehnungen ε_F, der das Meßfe­ dermaterial bei Einwirkung seiner Nennkraft F_N auf den Kraftaufnehmer unterwor­ fen wird;
• 3. Verkleinern von F_N durch eine mechanische Untersetzung, bevor sie als _F « F_N direkt auf eine Meßfeder mit kleinerer Nennkraft F_F einwirken kann.

Maßnahme 1. kann sehr wirkungsvoll so lange genutzt werden, bis das Prinzip von Saint Venant so sehr verletzt wird, daß die vom Kraftaufnehmer gelieferten elektrischen Aus­ gangssignale im Rahmen der geforderten Meßgenauigkeit nicht mehr genügend unab­ hängig von der Art sind, mit der F_F in die Meßfeder eingeleitet wird (punktförmig, flächen­ förmig etc.).

Eine weitere Begrenzung von H nach unten wird von den Abmessungen a der Meßfühlere­ lemente vorgegeben, die die Materialdehnungen ε_F direkt oder indirekt in elektrische Ausgangssignale umformen.

Werden dazu, wie in Bild 5 angedeutet, DMS eingesetzt, so ist deren Gitterlänge g aus­ schlaggebend. Diese aber kann, z. B. bei Anwendung mikromechanischer Fertigungsme­ thoden, heute schon auf Werte unter 1/10 Millimeter reduziert werden.

Maßnahme 2. führt dazu, daß die vom Kraftaufnehmer gelieferten elektrischen Ausgangs­ signale in ihrer Größe direkt proportional mit _F abnehmen und so deren Signal-Rausch- Verhältnis verschlechtert wird. Hier sind aufgrund der Qualität der heutigen mikroelektroni­ schen Verstärker in der Praxis aber meist noch beträchtliche Reserven nutzbar, ehe von seiten der geforderten Meßgenauigkeit her weiteren Reduktionen von _F eine Grenze gesetzt wird.

Maßnahme 3. schließlich ist theoretisch durch Anwendung der Hebelgesetze sehr einfach zu realisieren, indem F_N zunächst auf das kurze Ende a eines in den Kraftaufnehmer inte­ grierten Hebels wirkt und eine Kraftmeßfeder an dessen langem Ende b nur noch mit der mit dem Hebelarmverhältnis a/b auf F_F verminderten Kraft beansprucht. Über mehrgliedrige Balkenanordnungen könnten dabei ggf. sehr große Untersetzungen bewirkt werden. Kon­ struktive Lösungen dieser Art findet man heute bei Waagen, die kleinere Gewichtskräfte nach dem elektrodynamischen Prinzip messen.

Bei größeren Kräften F_N < 1K_N erfordern derartige Hebelwerke aber meist recht große bauliche Abmessungen, sind teuer in der Herstellung und weisen selber nur begrenzte Bauteilsteifigkeiten auf. Dadurch geht der Gewinn an Längssteifigkeit am Angriffspunkt von F_N zum größten Teil verloren. Insbesondere dann, wenn die Hebelgelenke nicht von Schneiden- und Pfannen-, sondern von elastischen Biegegliedern gebildet werden.

Ein weiterer Nachteil von Hebelübersetzungen besteht darin, daß sie auf fadengerade Gelenkachsen angewiesen sind und sich nicht als rotatorische Konstruktionen ausführen lassen.

Erfindungsgemäß werden dagegen statt solcher Hebelwerke hydraulische Untersetzungen eingesetzt, die den Vorteil haben, sich besonders elegant in rotatorischer Form und dar­ über hinaus auch noch äußerst kompakt ausbilden zu lassen.

Dabei wirkt die zu messende Kraft F_m gemäß Bild 1 zunächst auf einen steifen Lastauf­ nahmekörper 1 (dort zusammengesetzt aus den Komponenten 1a, 1b und 1c), der durch geeignete Mittel geradegeführt wird, bevorzugt aber durch Ringmembranen 17 und 5, mit seiner wirksamen Fläche A_w auf ein hermetisch abgeschlossenes Flüssigkeitsvolumen 2 und erzeugt in diesem einen Meßdruck

Dieser Meßdruck könnte gemäß dem Erfindungsgedanken im Bedarfsfalle auf einen zweiten derartigen geradegeführten Kolben mit einer gegen A_w sehr kleinen wirksamen Fläche A₂ wirken und in diesem eine gegen F_m in ihrer Größe stark reduzierten Kraft

hervorrufen, die sich dann mit einem Kraftaufnehmer sehr niedriger Nennkraft messen lie­ ße. Derartige zylindrische Kraftuntersetzungen sind in der Technik als Differentialkolben bekannt und werden u. a. in hydraulischen Belastungsmaschinen eingesetzt.

Nach einer Weiterführung des Erfindungsgedankens wird dieser zweite Umformschritt aber fortgelassen und statt dessen mit Hilfe eines Druckaufnehmers 4 der im ersten Über­ setzungsschritt gewonnene Meßdruck p_m direkt in ein elektrisches Ausgangssignal umge­ formt.

Erfindungsgemäß wird hier bevorzugt auf Druckaufnehmer zurückgegriffen, die nach dem DMS-Prinzip arbeiten und eine Meßmembrane 6 besitzen, die vom Meßdruck p_m elastisch so verformt wird, daß rotationssymmetrische Oberflächenzonen mit positiven und auch negativen Oberflächendehnungen ±ε_F entstehen.

Erfindungsgemäß haben diese Meßmembranen hier zur Druckseite hin eine ebene Ober­ fläche, auf der Gegenseite dagegen können sie z. B. abschnittsweise Kegelstrukturen auf­ weisen, in denen die Oberflächendehnungen ±ε_F auf diese Weise dem Betrag nach etwa gleich und weitgehend homogen sind.

Erfindungsgemäß kommen beim heutigen Stand der Technik hier aber besonders vorteil­ haft auch mikromechanisch gefertigte Druckaufnehmer zum Einsatz, die durchwegs beid­ seitig ebene Membranen besitzen. Diese sind entweder aus metallischen Federmaterialien gefertigt und werden in Sputterverfahren mit DMS-Gittern aus metallischen Widerstands­ material bedeckt. Bei einer weiteren Aufnehmerart werden die Membranen monolithisch aus einem kristallinen Halbleitermaterial hergestellt, in das dann Halbleiter-DMS eindotiert werden.

Derartige Druckaufnehmer sind in diesem Zusammenhang deswegen so vorteilhaft, weil sie sehr kleine Abmessungen und Arbeitsvolumina

V_A = A_membran·S_Hub (11)

von z. T. weniger als 0,1 mm³ aufweisen können! Die von solchen Druckaufnehmern bei Einwirkung des Nenndruckes gespeicherte elastische Energie beträgt mit

Diese Energiebeträge liegen um Größenordnungen unter dem Energiebedarf handelsübli­ cher Kraftaufnehmer.

Kraftaufnehmer mit integrierten Kraft-Druck-Umformern sind an sich in der Technik schon seit vielen Jahren bekannt. Bei diesen steht aber nirgends das Ziel des Erreichens extrem hoher Längssteifigkeit c_F und damit sehr kleiner Nennmeßwege S_N der Meßkraft F_N im Vordergrund; sondern daß sich das Umformverhältnis p_m/F_m auch bei Volumenänderun­ gen der Druckflüssigkeit 2, z. B. durch Temperaturausdehnungen, möglichst wenig ändert.

Denn in allen zur Verfügung stehenden Hersteller-Unterlagen werden für S_N Werte zwi­ schen 0,2 mm bis über 1 mm angegeben, so wie diese auch für die vorbeschriebenen Kraftaufnehmer ohne Kraftuntersetzung typisch sind.

Derartige hydraulische Kraftaufnehmer wurden dagegen entwickelt wegen ihrer Fähigkeit, problemlos größeren horizontalen Auslenkungen der Lasteinleitung und sowie auch Schiefstellungen des Lastaufnahmekolbens folgen zu können, die auftreten, wenn sich mit ihrem Gewicht aufliegende Meßobjekte durch äußere Störeinflüsse relativ zum Untergrund (Widerlager) etwas verlagern, ohne daß dabei bei den Kraftaufnehmern nennenswerte Reaktionskräfte hervorgerufen werden oder unzulässige Genauigkeitseinbußen hinzuneh­ men sind. [2], [3), [4].

In anderen Fällen, in denen z. B. durch Kugelführungen oder Ringmembranen ein horizon­ tales Auswandern der Lasteinleitungsposition verhindert wird, wird die gute Integrationsfä­ higkeit des Hydraulikvolumens über ungleichförmige Flächenkräfte und ! oder exzentrisch angreifende Meßkräfte genutzt. [3], [4].

Ein weiterer Grund dafür, bei derzeit marktgängigen Kraftaufnehmern dieser Art das hy­ draulische Übersetzungsprinzip anzuwenden, besteht schließlich noch in der Möglichkeit, für den Meßkolben mit seiner Lasteinleitung sowie die Hydraulikflüssigkeit hitzbeständiges Material zu verwenden und den am Meßort gebildeten Meßdruck über ein Kapillarrohr zu einem einige Meter außerhalb der Hitzezone entfernt installierten Druckaufnehmer zu übertragen. [2].

Gemeinsames Kennzeichen aller hier angeführten Ausführungsarten ist, daß sie über ein relativ großes Hydraulikvolumen verfügen und ihre Membranabdichtungen (Rollmembra­ nen) nur minimale Längssteifigkeiten (Rückstellkräfte) aufweisen, mit dem Ziel, daß Volu­ menänderungen nur zu sehr kleinen Nullpunktabweichungen bei den Ausgangssignalen der Druckaufnehmer führen. Maßnahmen zur Kompensation von Volumenausdehnungen sind nirgends beschrieben.

Die Erfindungsgedanken werden im nachfolgenden anhand der Bilder 1-4 erläutert. Dabei stellen dar:

Bild 1: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer mit obenliegenden Membranring 17 und üblicher Krafteinleitung über ein Kugeldruckstück 18.

Bild 2: Querschnitt durch einen Kraftaufnehmer wie in Bild 1, aber mit einer Krafteinleitung über eine ebene Trennfläche 12 zwischen oberem Lasteinleitungselement 1a und Druck­ stück 13.

Bild 3: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer mit integriertem Kraft- Druck-Umformer mit untenliegender Ringmembran 17 und obenliegender Druckmembran 6.

Bild 4: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer mit untenliegender, beidseitig vom Meßdruck beaufschlagter Ringmembran 10 und obenliegender Druckmem­ bran 6.

Bild 5: Seitenansicht eines Kraftaufnehmers mit zylinderförmiger Meßfeder nach dem DMS-Prinzip.

Der in Bild 1 gezeigte Kraftaufnehmer setzt sich im wesentlichen aus fünf rotationsförmi­ gen, vom Kraftfluß F_m seriell durchflossenen Bauteilen zusammen, die untereinander z. B. über nicht dargestellte Schraubverbindungen und eben geschliffene, verklebte Trennfugen hermetisch verschlossen kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

Teil 1a ist das biegesteife Mittelstück einer Ringmembran (Boot-Membran) 17 und Teil 3a ihr ebenso steifer Außenring. Das Mittelstück 1a enthält außerdem ein sphärisches Kugel­ druckstück 18, vorzugsweise in monolithischer Verbindung, über das die Meßkraft F_m und ggf. auch störende, horizontale Querkräfte F_Q eingeleitet werden. Letztere werden größten­ teils von einem geradeführenden Membranring 17 aufgenommen und über 3a an einen Hohlzylinder 3b, den Außenring 3c des Druckmembranringes 5 und das Basiselement 3d über dessen Aufstelltrennfläche 14 an daß Fundament 7 abgeleitet.

Ein verbleibender Rest von F_Q wird über den unten angeordneten Druckmembranring 5, dessen Außenringteil 3c sowie 3d und 14 ebenso ans Fundament 7 abgeleitet, so daß Störeinflüsse durch F_Q insgesamt sicher von der Meßsignalbildung eliminiert werden.

F_m dagegen liegt zum überwiegenden Teil - ein kleiner Anteil wird für die geringfügige Durchbiegung des elastischen Membranringe 17 und 5 verbraucht - über das Kolbenstück 1b und das Zentralstück 1c des Druckmembranteils der äußerst dünnen (< 0,2 mm) Hy­ draulikflüssigkeitsschicht 2 auf und ruft in dieser einen Meßdruck p_m hervor, der gemäß (8) umgekehrt proportional zum wirksamen Querschnitt A_w ist. Letzterer wird näherungsweise von der Kreisfläche mit dem mittleren Durchmesser gebildet, den der Druckmembranring 5 besitzt.

Letzterer hat erfindungsgemäß bevorzugt einen etwa w-förmigen Querschnitt, der so di­ mensioniert ist, daß die von p_m in ihm durch Biegung und Scherung hervorgerufenen ma­ ximalen Vergleichsspannungen σ_v im wesentlichen radiusunabhängig und noch so niedrig sind, daß zusätzlich noch gewisse Querkräfte ohne Überlastung aufgenommen werden können. Die druckseitige Oberfläche von 5 ist über der Höchstkraft F_m liegenden Bela­ stungen jede Berührung mit dem Basisteil 3d vermieden wird.

Auf den aus Sicherheitsgründen denkbaren Einbau durchbiegungsbegrenzender Anschlä­ ge kann im allgemeinen verzichtet werden, da bei unzulässigen Überlastungen des Kraft­ aufnehmers im ungünstigsten Fall die hermetische Abdichtung der Hydraulikflüssigkeit 2 zerstört werden kann, woraufhin aber 1c auf 3d aufliegt und in diesem Zustand selbst ex­ trem große Überlastungen nicht zu einem Sicherheitsrisiko führen.

Um die angezielten extrem kleinen Nenn-Meßwege gewährleisten zu können, werden er­ findungsgemäß als Hydraulikflüssigkeiten Materialien mit extrem kleiner Kompressibilität

eingesetzt, wie z. B. Quecksilber mit κ ∼ 0,3·10^-6/bar, oder, wenn dies aus Gründen des Umweltschutzes nicht zweckmäßig ist, statt dessen z. B. auch Glyzerin mit κ ≈ 3·10^-5/bar.

Eine entscheidende meßtechnische Anforderung bei derartig auf Längssteifigkeit ausge­ richteten Kraftaufnehmern besteht darin, daß thermische Volumenausdehnungen der Hy­ draulikflüssigkeit zu keinen elastischen Formänderungen der Aufnehmergeometrie führen dürfen, weil dies unzulässige Nullpunktsabweichungen im Ausgangsmeßsignal zur Folge hätte.

Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß eine Ausdehnungskompensation vorgesehen, die aus einem Festkörper 8 mit einem extrem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizien­ ten α_o (z. B. amorpher Quarz, Glaskeramik) besteht, der an geeigneter Stelle in einen Hohlraum 9 im metallischen Aufnehmerkörper eingebettet ist, der den sehr viel größeren Ausdehnungskoeffizient α_A besitzt. Zwischen 8 und der Wandung 10 ist nur ein sehr dün­ ner (0,05 mm) Abstandsspalt 9 vorgesehen, der mit der Hydraulikflüssigkeit 2 ausgefüllt ist und unter dem jeweiligen Meßdruck p_m steht.

Vollständige Ausdehnungskompensation ist bei einer Dimensionierung

V_H·α_H = V_A·α_A-V_F·α_o (14)

erreicht, wobei V_H das Hydraulikvolumen, V_A das Volumen des Hohlraumes 9 und V_F das Volumen des Festkörpers 8 bedeuten, jeweils bei der Referenztemperatur des Kraftauf­ nehmers gemessen.

Ein entscheidend wichtiges Grundmerkmal besteht erfindungsgemäß darin, daß der Druckmembranring 5 monolithisch mit dem Zentralteil 1c und dem Außenringteil 3c in Verbindung steht, d. h. mit diesen Teilen als Ganzes aus dem Vollen gearbeitet ist. Auf diese Weise wird eine rein metallische Druckabdichtung bewirkt, die vom Meßdruck p_m und Auslenkbewegungen der Zentralbauteile 1a, 1b und 1c relativ zu 3c nur elastisch und damit praktisch reibungsfrei verformt wird.

In diesem Merkmal unterscheidet sich die Erfindung grundliegend vom in [4] S. 122 be­ schriebenen Stand der Technik, bei der in einen Spalt eingepreßte ebene Membranschei­ ben in Verbindung mit einer druckseitig darüber aufliegenden, vorzugsweise hochelasti­ schen bzw. sogar plastischen Abdichtfolie zum Einsatz kommen. Derartige Druckdichtun­ gen weisen bei Auslenkungen der Zentralbauteile 1 zwangsläufig mechanische Reibungen und Materialüberlastungen auf, aus denen Abnützungserscheinungen, Hystereseeffekte und Einbußen an Meßgenauigkeit resultieren.

Bei den erfindungsgemäßen Druckmembranringen wird im Gegensatz zum Stand der be­ schriebenen Technik in Kauf genommen, daß sie bei Auslenkungen in Meßrichtung Rück­ stellkräfte entwickeln, also eine eigene Längssteifigkeit c_M aufweisen und so für F_m einen gewissen Kraftnebenschluß darstellen. Darin ist jedoch infolge der minimalen Auslenkun­ gen S_N von nur wenigen Mikrometern in diesem Zusammenhang kein Nachteil zu erblic­ ken, da diese Kraftnebenschlüsse Gerätekonstanten darstellen und so einkalibiert werden können.

Der gravierende Nachteil der derzeitig in der Praxis vorherrschenden Krafteinleitung ge­ mäß Bild 1 vom Meßobjekt (mit einer üblicherweise eben geschliffenen und gehärteten Berührungsfläche) auf ein kugelkalottenförmiges Lasteinleitungselement 18 mit dem Krümmungsradius r_K besteht darin, daß in der Berührungszone beider Teile unter der Einwirkung von F_m ein Hertzscher Pressungszustand entsteht und in Meßrichtung ein Ein­ senkungsweg S_E auftritt, der bei Berührungsflächen aus Stahl nach Hertz beträgt:

Wie (15) zeigt, steigt dieser Einsenkungsweg unterlinear mit F_m an und addiert sich in vol­ ler Höhe zu dem Meßweg S_F der Meßfeder. Bei den derzeit üblichen Aufnehmerdimensio­ nierungen werden bei Nennkraft Einsenkwege S_E von 0,2 mm < S_E < 1 mm erreicht, die somit in der Regel deutlich größer als die Meßwege S_F der Kraftaufnehmer selbst sind.

Um diese Nachteile grundlegend zu eliminieren, wird erfindungsgemäß daher gemäß Bild 2 die Meßkraft F_m vom Meßobjekt 13 über eine eben geschliffene Trennfläche 12 auf das ebenso mit einer ebenen Berührungsfläche versehene Krafteinleitungselement 1a des Kraftaufnehmers übertragen und dabei in Kauf genommen, daß horizontale Verlagerungen des Meßobjektes 13 gegenüber dem Widerlager 7 durch reibungsbehaftete Gleitbewe­ gungen aufgefangen werden müssen. Die dabei entstehenden horizontalen Querkräfte F_Q werden dabei zweckmäßiger Weise in bekannter Art durch flüssige Gleitmittel, wie z. B. MoS₂ oder erfindungsgemäß, durch trockene Gleitflächenbeschichtungen, wie z. B. in Sputterverfahren im Vakuum aufgetragene MoS₂-Schichten mit Schichtdicken < 1 µm, auf möglichst niedrige Reibwerte µ_R < 0,1 herabgesetzt.

Die geradführenden Membranringe 17 bzw. 5 müssen daher so dimensioniert werden, daß sie die auftretenden Querkräfte F_Q=µ_R·F_m sicher über die Außenteile 3 ans Widerlager zu leiten vermögen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird sinngemäß auch die Auflagefläche 14 des Widerlagers 7 so großflächig wie möglich gestaltet, um auch dort Einsenkwege effek­ tiv zu eliminieren.

14 kann dabei grundsätzlich ebenfalls hochgeradig eben gestaltet werden.

Erfindungsgemäß kann die Widerlagerberührfläche aber vorteilhafterweise auch als Ku­ gelkalotte mit sehr großem Krümmungsradius R_K gestaltet werden, die ebenfalls mit dem vorbeschriebenen Gleitmitteln mit einem niedrigen Reibkoeffizient ausgestattet sind. Denn dadurch wird es möglich, Parallelitätsabweichungen zwischen der Berührungsfläche 12 des Meßobjektes 13 und dem Widerlager 7 auszugleichen.

Zu besonders niedrigen Bauhöhen derartiger Kraftaufnehmer und noch geringeren Meßfe­ derwegen S_F kann man jedoch dann kommen, wenn man erfindungsgemäß die Anord­ nung des Membranringes 17 und des Druckmembranringes gemäß Bild 3 miteinander vertauscht.

Die zentralen Elemente der Bilder 1 und 2 werden dadurch außer 1a, zu entsprechenden Außenteilen 1c bis 1e, die unter Einwirkung von F_m Meßwege S_F relativ zum Widerlager 7 ausführen. Umgekehrt werden die Außenteile 3a und 3b der Bilder 1 und 2 zu Zentraltei­ len, die jetzt direkt über das Widerlagerteil 3d mit dem Widerlager 7 steif verbunden sind.

Die Anordnung nach Bild 3 hat den Vorteil, daß bei gleichem Außendurchmesser des Kraftaufnehmers den Zentralbauteilen ein wesentlich größerer Querschnitt gegeben wer­ den kann, in dem die darüber geleitete Meßkraft F_m daher nur entsprechend verkleinerte Dehnungen in Meßrichtung hervorruft. Im Verein mit der Bauhöhenreduzierung können nach Fig. 3 die Gesamtmeßwege S_F etwa um den Faktor 2 gegenüber Bild 2 vermindert werden.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin von Vorteil, die Wandstärke des Teiles 1a zwischen 2 und 12 möglichst klein zu dimensionieren, weil sich dann Ebenheitstoleranzen zwischen 1a und 13 in der Berührungsfläche 12 in gewissen Grenzen durch elastische Verformungen ausgleichen können.

Eine weitere denkbare Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer zeigt Bild 4: Sie gestattet eine noch effektivere Vergrößerung des auf Kompression von F_m be­ anspruchten Querschnitts bei vorgegebenem Außendurchmesser des Kraftaufnehmers und bietet den Vorteil, daß sie, wie in Bild 1 und 2, mit einer mit 3d in steifer formschlüssi­ ger Verbindung stehenden, relativ zum Widerlager unbewegten Außenwand aus den Tei­ len 3a und 3b hergestellt werden kann.

Sie ist aber deutlich aufwendiger in der Fertigung, weil die Flüssigkeitsschicht 2 hier über mehrere Ebenen innerhalb des Aufnehmers verteilt werden muß.

Dieser Version wird daher in der Praxis eine geringere Bedeutung beigemessen.

Zum Abschluß sei erwähnt, daß anhand von FEM-Analysen am Beispiel eines 500 KN- Kraftaufnehmers mit einem Außendurchmesser von 145 mm gezeigt werden konnte, daß sich bei der Version nach Bild 3 Nennmeßwege S_F 5 µm erreichen lassen. Ein ver­ gleichbarer konventioneller Kraftaufnehmer mit Stauchzylindermeßfeder und Kegeldruck­ stück erfährt bei der gleichen Nennkraft von 500 KN dagegen Gesamtauslenkungen von über 900 µm!

Bemerkenswert daran ist, daß bei entsprechend sorgfältiger Dimensionierung und Ferti­ gung damit zu rechnen ist, daß bezüglich der Meßeigenschaften bei Kalibrierung mit Ge­ wichtskräften etwa gleichgute Fehlergrenzen einzuhalten sind wie bei den derzeitig markt­ gängigen Kraftaufnehmer mit geringer Längssteifigkeit!

Claims (11)

1. Kraftaufnehmer hoher Längssteifigkeit mit integriertem Kraft-Druck-Umformer dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkraft (F_m) ein durch elastische Lenker geradgeführtes Kraftaufnahme-Element (1) großflächig auf eine hermetisch allseits abgeschlossene Flüssigkeitsmenge (2) sehr gerin­ ger Schichtdicke preßt, die sich wiederum auf einem Kraftausleitungselement (3d) so ab­ stützt, daß in (2) ein zu (F_m) streng proportionaler Druck (p_m) erzeugt wird, der von einem elek­ trischen Druckaufnehmer (4) mit extrem kleinem Arbeitsvolumen in ein vorzugsweise elektri­ sches Meßsignal umgeformt wird, wobei die Druckabdichtung zwischen den von (F_m) relativ zueinander geringfügig verschiebbaren Elementen (1) und (3) von einer Ringmembran (5) be­ wirkt wird, die monolithisch in diese Elemente (1) und (3) oder zumindest in Teilkomponenten (1c) und (3c) davon übergeht.

2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmembran (5) auf ihrer Druckseite ebenflächig gestaltet ist und eine mit dem Radius (r) variierende Dicke (d_m(r)) aufweist, die so dimensioniert ist, daß die in ihr sowohl vom Meßdruck (p_m), als auch von einer relativen Verschiebung (S) der Elemente (1) gegen (3) hervorgerufenen maximalen Material-Vergleichsspannungen (σ_V(r)) einen annähernd konstanten Betrag aufweisen.

3. Kraftaufnehmer nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringmembran (5) neben der elastischen Druckabdichtung zusätzlich die Übertra­ gung von Querkräften (F_Q) und/oder eine Beteiligung an der Geradführung des Kraftauf­ nahmeelementes (1) übertragen wird.

4. Kraftaufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradführung des Lastaufnahmeteils (1) durch zwei elastische Lenker in der Form von Ringmembranen (17) mit biegesteifem Mittelstück (Boss-Membranen) bewirkt wird.

5. Kraftaufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die druckdichtende Ringmembrane (5) die Aufgabe der Geradführung von (1) mit über­ nimmt und nur eine Ringmembrane (17) mit biegesteifem Mittelstück zum Einsatz kommt.

6. Kraftaufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als abgeschlossene Flüssigkeitsmenge (2) ein Material minimaler Volumenkompressi­ bilität zum Einsatz kommt, bevorzugt aber Glyzerin oder Quecksilber.

7. Kraftaufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer über eine Einrichtung zur Aufnahme temperaturbedingter Volu­ menänderungen der Druckflüssigkeit (2) verfügt, die aus einem Körper (8) mit extrem kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) besteht, der so in eine seiner Geometrie entsprechen­ de Ausnehmung (10) im Kraftaufnahmeelement (1) und/oder dem Kraftausleitungselement (3) eingefügt ist, daß er teilweise oder allseitig in einer dünnen Schicht von der Druckflüssig­ keit (2) umschlossen wird.

8. Kraftaufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung der Meßkraft (F_m) von einem Stempel (13) in das Lasteinleitungselement (1) über eine hochgradig eben gefertigte Trennfläche (12) erfolgt.

9. Kraftaufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfläche (12) mit einem Schmiermittel, vorzugsweise auf Molybdän-Bisulfid- Basis mit optimalen Notlaufeigenschaften versehen ist und unter der Einwirkung von Querkräften (F_Q) radiale Relativbewegungen zwischen (1) und (13) durch Gleiten erlaubt.

10. Kraftaufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasteinleitungselement (1) und/oder Stempel (13) im Bereich der Trennfläche (12) durch Oberflächenbeschichtung, vorzugsweise durch mit einer im Sputterverfahren her­ gestellten MoS₂-Schicht mit extrem niedrigem Trocken-Reibwert µ_Tr < 0,1 versehen wird.

11. Kraftaufnehmer nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Lastausleitungselement (3d) widerlagerseitig zusammen mit dem Widerlager (7) entweder eine streng eben oder kugelkalottenförmig gefertigte Trennfläche (14) besitzt, die mit den Mitteln von Anspruch 9 und/oder 10 mit einem niedrigen Reibwert versehen ist.