Die Erfindung betrifft eine Wägezelle mit einer integrierten hydraulischen Zentriervorrichtung, welche die Kraftweiterleitung innerhalb der Wägezelle verbessert und dadurch die Messgenauigkeit erhöht.

Die Messgenauigkeit einer Wägezelle kann sich durch verschiedene Ursachen verschlechtern. Eine dieser Ursachen sind sogenannte Querkräfte. Nachfolgend wird definiert, was in diesem Dokument unter dem Begriff Querkraft zu verstehen ist.

Jede Wägezelle hat einen Krafteinleitungspunkt, auf welchen die zu messende Kraft eingeleitet wird. Diese Kraft muss in einer durch die Wägezellenkonstruktion vorgegebenen Richtung auf den Krafteinleitungspunkt einwirken, damit die Kraft richtig gemessen werden kann. Diese vorgegebene Richtung ist die Messrichtung der Wägezelle. Eine Kraft, die nicht in der Messrichtung auf den Krafteinleitungspunkt einwirkt, ist eine Querkraft.

Wie vorstehend erwähnt, verursachen Querkräfte Messfehler. Querkräfte entstehen unter bestimmten Betriebsbedingungen und sind meist unvermeidbar. Solche Betriebsbedingungen treten z. B. bei Wägezellen auf, die in Fahrzeugen installiert sind. Durch die verschiedensten Fahrzeugbeschleunigungen bei Kurvenfahrten oder beim Bremsen entstehen Querkräfte, deren Größe und Richtung sich ständig ändern.

Aus dem Stand der Technik sind Konstruktionen bekannt, die den Krafteinleitungspunkt gegen Querkräfte abschirmen können. In der Wägetechnik werden Konstruktionen zur Abschirmung gegen Querkräfte Lenkersysteme genannt. Solche Lenkersysteme sind von stationären Großwaagen bekannt, auf denen z. B. Lastkraftwagen gewogen werden. Dazu müssen diese Lastkraftwagen auf die Waagenplattform der Fahrzeugwaage gefahren werden. Die Waagen plattform ist so groß, dass das Fahrzeug mit allen Rädern darauf stehen kann. Demzufolge ist bei solchen Waagen auch genügend Raum unterhalb der Waagenplattform vorhanden, um aufwändige Lenkersysteme zu installieren, die die verwendeten Wägezellen vor Querkräften schützen.

Wenn jedoch bei speziellen Lastkraftwagen, sogenannten Muldenkippern, die Masse der gefüllten Mulde ermittelt werden soll, werden zur Masseermittlung ebenfalls Wägezellen verwendet. Diese Wägezellen sind auf dem Fahrzeugchassis montiert. Es ist verständlich, dass hier kein Platz für voluminöse Lenkersysteme ist.

Erschwerend ist noch folgender Umstand: Während der Fahrt auf unebenem Untergrund treten auch Querkräfte auf, deren Komponenten genau entgegengesetzt zur Messrichtung wirken. Dadurch wird das zur Krafteinleitung in die Wägezelle vorgesehene Druckstück von dem dazu korrespondierendem Kraftaufnahmestück der Wägezelle abgehoben. Der Fachmann weiß, dass es aus konstruktiven Gründen unmöglich ist, die Bewegung des Druckstücks entgegengesetzt zur Messrichtung zu verhindern. Zur Begrenzung dieser Bewegung werden daher mechanische Anschläge eingesetzt, die in der Wägetechnik als Abhebesicherung bezeichnet werden.

Das Abheben des für die Krafteinleitung in die Wägezelle verwendeten Druckstücks vom Kraftaufnahmestück der Wägezelle führt zu einem Effekt, der nachfolgend erläutert wird:

Es wird angenommen, dass die Wägezelle mit einer der Messrichtung entgegengesetzt wirkenden Kraft beaufschlagt wurde und dadurch das zur Kraftübertragung auf die Wägezelle dienende Druckstück vom Kraftaufnahmestück abgehoben ist. Sobald die Kraft entgegengesetzt zur Messrichtung nicht mehr wirkt, legt sich das Druckstück wieder auf das Kraftaufnahmestück der Wägezelle.

Die Oberflächen des Druckstücks und des Kraftaufnahmestücks sind so geformt, dass an der Berührungsstelle eine Punktauflage entsteht. Nach dem Abheben des Druckstücks vom Kraftaufnahmestück ist es für die Erhöhung der Messgenauigkeit vorteilhaft, wenn das Druckstück beim Wiederaufsetzen immer genau den gleichen Aufsetzpunkt trifft.

Bei Punktberührungen entstehen sehr hohe Drücke, so dass die sich berührenden sehr kleinen Flächen stark belastet werden und zu einer bleibenden Deformation neigen. Um eine hohe Messgenauigkeit und eine geringe Streuung der Messwerte zu erreichen, werden für den Krafteinleitungsstempel und den Boden der zylinderförmigen Ausnehmung spezielle Stähle verwendet, die zusätzlich noch gehärtet werden. Mit anderen Worten, die sich punktförmig berührenden Oberflächen des krafteinleitenden Elements und des kraftempfangenden Elements sind sehr hart und neigen nur wenig zu Deformationen. Diese Maßnahmen sind aus dem Stand der Technik bekannt, aber nicht ausreichend, da es bei einer längeren Krafteinwirkung auch bei gehärteten Oberflächen letztlich doch zu plastischen, d. h. bleibenden Materialdeformationen kommt. Es entsteht auf der Auflagefläche eine ringförmige Wulst. Wenn der Krafteinleitungsstempel nach dem Abheben vom Boden der zylindrischen Ausnehmung nicht wieder genau in der Mitte des ringförmigen Wulstes sondern auf dessen Rand aufsetzt, wird der Krafteinleitungsstempel seitlich verschoben. Dadurch entsteht eine Querkraft, die die Messeigenschaften der Wägezelle vermindert.

Daher ist anzustreben, dass nach einem Abheben des Krafteinleitungsstempels dieser wieder genau auf den ursprünglichen Berührungspunkt zurückgeführt wird.

Das könnte jedoch nur mittels sehr aufwändiger konstruktiver Maßnahmen näherungsweise erreicht werden. Die dazu erforderlichen Lenkersysteme müssten sehr präzise gefertigt sein und wären somit kostenintensiv in ihrer Herstellung. Darüber hinaus müssen derart präzise Lenkersysteme auch sehr stabil sein, was wiederum voluminösere und somit entsprechend schwere Bauteile erfordert. Durch das relativ hohe Gewicht solcher Lenkersysteme würde zudem auch noch die Nutzlast der Fahrzeuge reduziert. Deshalb sind derart voluminöse und schwere mechanische Konstruktionen bei Wägezellen in Fahrzeugen nicht einsetzbar.

In den Dokumenten DE 20 2012 103 701 U1 , DE 195 24 571 A1 , EP 1 069 412 B1 und DE 295 21 150 U1 werden eine Vielzahl von Vorschlägen für den optimalen Einbau von Wägezellen in Fahrzeugen unterbreitet, um den Einfluss von Kräften, die in anderen Richtungen als der Messrichtung auf die Wägezelle einwirken, zu verringern. Diese mechanischen Konstruktionen sind jedoch wenig geeignet, vorstehend beschriebene Probleme zu lösen.

Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, mittels einfacher und kostengünstiger Maßnahmen zu gewährleisten, dass das Druckstück nach jedem Abheben zuverlässig immer auf den gleichen Punkt am Kraftaufnahmestück auftrifft.

Diese Aufgabe wird mit einer Wägezelle mit integrierter hydraulischer Zentriervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beansprucht.

Die Wägezelle umfasst ein Wägezellengehäuse, wenigstens einen Verformungskörper und Sensoren zur Messung von Verformungen des Verformungskörpers bei Krafteinwirkung.

Die Wägezelle weist weiterhin eine hydraulische Zentriervorrichtung mit nachfolgenden Merkmalen auf:

In dem Verformungskörper ist eine zylinderförmige Ausnehmung mit einer Bodenfläche und einer Wandfläche vorgesehen. Der Verformungskörper kann einstückig gefertigt sein oder mit einem die zylindrische Ausnehmung aufweisenden Konstruktionsteil fest verbunden sein.

In der zylinderförmigen Ausnehmung ist ein Krafteinleitungsstempel zur Einleitung einer zu messenden Kraft auf die Bodenfläche angeordnet, wobei die Bodenfläche und die auf diese gerichtete Unterseite des Krafteinleitungsstempels jeweils so geformt sind, dass eine Punktauflage entsteht.

Der Krafteinleitungsstempel ist konvex ausgebildet, sodass dieser in Richtung seiner Längserstreckung unterschiedliche Durchmesser aufweist. An der längsten Um- fangslinie, d. h. am größten Durchmesser des Krafteinleitungsstempels, ergibt sich bezüglich der zylinderförmigen Ausnehmung ein Ringspalt, dessen Breite im Bereich von 0,05 mm bis 0,45 mm liegt.

Dieser Ringspalt weist einen vorbestimmten Abstand von der Bodenfläche der zylinderförmigen Ausnehmung auf, wenn die Unterseite des Krafteinleitungsstempels die Bodenfläche der zylinderförmigen Ausnehmung punktförmig berührt.

Der Füllstand der Flüssigkeit ist wenigstens 1 ,2 Mal höher als der Abstand zwischen dem Ringspalt und der Bodenfläche der zylinderförmigen Ausnehmung.

Weiterhin ist über der Flüssigkeitsfüllung eine elastische Abdeckung angeordnet, die ein Auslaufen oder Verdunsten der in der zylindrischen Ausnehmung vorhandenen Flüssigkeit verhindert.

Nachfolgend wird die Wirkung der Zentriervorrichtung beschrieben:

Die angestrebte punktgenaue Rückführung des Krafteinleitungsstempels wird von der hydraulischen Zentriervorrichtung dadurch bewirkt, dass die Flüssigkeit beim Absenken des Krafteinleitungsstempels durch den Ringspalt gepresst wird. Dadurch entsteht in dem Ringspalt eine Flüssigkeitsströmung mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit. Ebenso entsteht in dem Ringspalt ein vorbestimmter Flüssigkeitsdruck.

Bei einer nicht koaxialen Lage des Krafteinleitungsstempels ist der Ringspalt unterschiedlich breit. In dem breiteren Ringspaltbereich ist die Strömungsgeschwindigkeit geringer als in dem schmaleren Ringspaltbereich. Ebenso ist in dem breiteren Ringspaltbereich der Flüssigkeitsdruck geringer als in dem schmaleren Ringspaltbereich.

Somit gibt es entlang des Ringspalts unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und unterschiedliche Drücke. Die unterschiedlichen Drücke haben die Tendenz sich auszugleichen und erzeugen dadurch Verschiebekräfte, die Verschiebungen des Krafteinleitungsstempels bewirken, sodass sich ein gleich breiter Ringspalt ausbildet. Mit anderen Worten, der Krafteinleitungsstempel wird durch diesen Effekt in eine zentrierte Position verschoben bzw. daran gehindert, seine zentrierte Position zu verlassen.

Es ist besonders zu erwähnen, dass der vorstehend beschriebene Zentriereffekt auch dann generiert wird, wenn der Krafteinleitungsstempel nach oben abgehoben wird. Das bewirkt folgenden Zusatznutzen: Wenn der Krafteinleitungsstempel bereits zentriert angehoben wird und sich zur Wandfläche der zylinderförmigen Ausnehmung in einer koaxialen Lage befindet, erfolgt dadurch auch eine präzisere Zentrierung beim Absenken.

Die technische Lehre der Erfindung ist bei jeder Art von Wägezellen anwendbar, unabhängig von der verwendeten Sensorik, d. h. es können sowohl Dehnungsmessstreifen als auch kapazitive, optische oder induktive Sensoren eingesetzt werden. Ebenso kann die Konstruktion des Verformungskörpers unterschiedlich sein, da sich die technische Lehre ausschließlich darauf bezieht, dass eine hydraulische Zentriervorrichtung integriert ist, die auch nach vielfachem Abheben eines Druckstücks, dieses immer wieder genau auf den gleichen Auflagepunkt zurückführt.

Nach Anspruch 2 ist die Flüssigkeitsfüllung ein sogenanntes Mehrbereichsöl mit einer Viskosität von 100 000 bis 600 000 Zentistokes. Die Spaltbreite des Ringspalts beträgt 0,1 mm bis 0,28 mm. Diese Öle haben auch bei sehr unterschiedlichen Temperaturen eine ähnliche Viskosität. Da wegen der nahezu gleichbleibenden Viskosität eines solchen Öls der Strömungswiderstand in dem Ringspalt näherungsweise konstant bleibt, wird auch bei großen Temperaturunterschieden eine gleichbleibend gute Zentrierwirkung erreicht.

Nach Anspruch 3 ist die Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung eine Planfläche und die diese berührende Unterseite des Krafteinleitungsstempels konvex ausgebildet. Nach Anspruch 4 ist die Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung konvex ausgebildet und die diese berührende Unterseite des Krafteinleitungsstempels eine Planfläche.

Nach Anspruch 5 ist die Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung konkav und die diese berührende Unterseite des Krafteinleitungsstempels konvex ausgebildet, wobei der Radius der Bodenfläche größer ist als der Radius der Unterseite des Krafteinleitungsstempels.

Nach Anspruch 6 ist die Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung konvex und die diese berührende Unterseite des Krafteinleitungsstempels konkav ausgebildet, wobei der Radius der Bodenfläche kleiner ist als der Radius der Unterseite des Krafteinleitungsstempels.

Die Vorteile der Ausführungsformen nach den Ansprüchen 3 bis 6 ergeben sich aus konkreten konstruktiven Anforderungen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Schnittdarstellung den prinzipiellen

Aufbau einer Wägezelle.

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung die Situation, wenn der Krafteinleitungsstempel der Wägezelle von der Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung abgehoben wird.

Fig. 3 zeigt die Situation, wenn der Krafteinleitungsstempel in Richtung Bodenfläche der zylindrischen Ausnehmung bewegt wird.

Fig. 4a, b zeigen in einem horizontalen Querschnitt die Lage des Krafteinleitungsstempels jeweils ohne und mit Flüssigkeitsfüllung. Fig. 5 zeigt vergrößert den Querschnitt einer Wägezelle ohne Flüssigkeitsfüllung.

Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Wägezelle.

Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der Wägezelle.

Fig. 8 zeigt eine vierte Ausführungsform der Wägezelle.

Fig. 9a, b zeigen in vergrößerter Darstellung theoretische Belastungssituationen.

Fig. 10a, b zeigen in vergrößerter Darstellung die tatsächliche Belastungssituation.

Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Schnittdarstellung den schematischen Aufbau einer Wägezelle mit einem Gehäuse 1 , welches mit einem kreisplattenförmigen Verformungskörper 2 mittels Befestigungsschrauben 10 lösbar verbunden ist. An der Unterseite des kreisplattenförmigen Verformungskörpers 2 und somit innerhalb des Gehäuses 1 sind Dehnungssensoren 3, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen, angeordnet.

Der einstückig gefertigte kreisplattenförmige Verformungskörper 2 weist einen Abschnitt 4 mit einer zylinderförmigen Ausnehmung 5 auf. In der zylinderförmigen Ausnehmung 5 mit einer Bodenfläche 5a und einer Wandfläche 5b ist ein Krafteinleitungsstempel 6 mit einer konvex ausgebildeten Unterseite 6a und einem Abschnitt 6b angeordnet. Der Abschnitt 6b des Krafteinleitungsstempels 6, welcher zusammen mit der Wandfläche 5b der Ausnehmung 5 den Ringspalt 7 ausbildet, ist ebenfalls konvex gestaltet und weist den größten Durchmesser des in der zylinderförmigen Ausnehmung 5 untergebrachten Teils des Krafteinleitungsstempels 6 auf, der bei diesem Ausführungsbeispiel 0,4 mm kleiner ist als der Durchmesser der zylinderförmigen Ausnehmung 5.

Wenn der Krafteinleitungsstempel 6 in der zylinderförmigen Ausnehmung 5 konzentrisch angeordnet ist, bildet sich zwischen der Wandfläche 5b der zylinderförmigen Ausnehmung 5 und dem Krafteinleitungsstempel 6 somit ein an allen Stellen gleichgroßer Ringspalt 7 mit einer Spaltbreite a von 0,2 mm aus.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist als Flüssigkeitsfüllung 8 in der zylindrischen Ausnehmung 5 ein Silikonöl mit einer Viskosität von 500 000 Zentistokes (cSt) vorgesehen. Um ein Auslaufen der Flüssigkeitsfüllung 8 zu verhindern, ist eine elastische Abdeckung 9 vorgesehen, die z. B. aus Gummi bestehen kann.

Wenn der Krafteinleitungsstempel 6 die Bodenfläche 5a der zylinderförmigen Ausnehmung 5 berührt, beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel der Abstand des

Ringspalts 7 von der Bodenfläche 5a 14 mm. Der Füllstand h der Flüssigkeit beträgt 22 mm.

In Fig. 2 ist gezeigt, dass der Krafteinleitungsstempel 6 durch eine Zugkraft -F angehoben wird. Beim Anheben des Krafteinleitungsstempels 6 wird Öl durch den Ringspalt 7 nach unten gesaugt, was mit den Pfeilen symbolisch dargestellt ist.

In Fig. 3 ist gezeigt, dass der angehobene Krafteinleitungsstempel 6 durch eine Druckkraft F abwärts gedrückt wird. Dabei wird Öl durch den Ringspalt 7 nach oben gepresst, wiederum angedeutet durch Pfeile.

In Fig. 4a ist eine Situation ohne Flüssigkeitsfüllung gezeigt. Der Krafteinleitungsstempel 6 ist wegen der fehlenden Zentrierung nicht konzentrisch angeordnet, sodass sich Spalte a1 und a2 unterschiedlicher Breite ergeben. Dadurch können beim wiederholten Aufsetzen des Krafteinleitungsstempels 6 auf die Bodenfläche 5a jeweils an unterschiedlichen Stellen nicht kalkulierbare plastische Materialverformungen entstehen.

In Fig. 4b ist die Situation gemäß Fig. 3 gezeigt, wenn der Krafteinleitungsstempel 6 abwärts gedrückt wird und die Zentrierung des Krafteinleitungsstempels 6 durch den bereits beschriebenen Zentriereffekt erfolgt, der symbolisch durch die vier auf den Mittelpunkt gerichteten Pfeile dargestellt ist. In Fig. 5 ist gezeigt, dass der Krafteinleitungsstempel 6 an einer Seite der Wandfläche 5b anliegt. Dadurch ist der Ringspalt 7 an der gegenüberliegenden Seite doppelt so breit und der Aufsetzpunkt des Krafteinleitungsstempels 6 um den Betrag b vom konzentrischen Aufsetzpunkt versetzt. Diese Situation kann eintreten, wenn die Flüssigkeitsfüllung 8 fehlt.

In Figur 6 ist gezeigt, dass die Unterseite des Krafteinleitungsstempels 6 eine Planfläche und die Bodenfläche 5a der Ausnehmung 5 konvex ausgebildet ist.

In Figur 7 ist gezeigt, dass die Unterseite des Krafteinleitungsstempels 6 konvex und die Bodenfläche 5a der Ausnehmung 5 konkav ausgebildet ist

In Figur 8 ist gezeigt, dass die Unterseite des Krafteinleitungsstempels 6 konkav und die Bodenfläche 5a der Ausnehmung 5 konvex ausgebildet ist.

Die Konstruktionen nach den Fig. 6 bis 8 arbeiten alle nach dem gleichen, vorstehend beschriebenen Prinzip der Zentrierung.

Die Fig. 9a zeigt in vergrößerter Darstellung eine theoretische Berührungssituation, bei der lediglich ein sehr kleiner Berührungspunkt vorliegt.

Die Fig. 9b zeigt in vergrößerter Darstellung eine theoretische Belastungssituation, bei der eine Abplattung c entsteht, wenn der Krafteinleitungsstempel aufgesetzt wird. Hierbei wird jedoch angenommen, dass bei Beaufschlagung der Wägezelle mit der Druckkraft +F sowohl die Unterseite 6a des Krafteinleitungsstempels 6 als auch die Bodenfläche 5a lediglich elastisch verformt werden, d. h. Abplattungen c entstehen, die sich bei Entlastung vollständig zurückbilden.

Die Fig. 10a und 10b zeigen symbolisch stark vergrößert die in der Praxis tatsächlich auftretende plastische Verformung an der Aufsetzstelle des Krafteinleitungsstempels. Nach vielfachen Aufsetzvorgängen wird eine ringförmige Materialwulst 11 ausgebildet. Wenn, wie in Fig. 10a gezeigt, der Krafteinleitungsstempel 6 mit seiner Untersei- te 6a immer wieder genau zentrisch auf diese Materialwulst 11 aufsetzt, entstehen keine Querkräfte.

Wenn jedoch, wie in Fig. 10b gezeigt, der Krafteinleitungsstempel 6 mit seiner Unterseite 6a nicht zentrisch auf diese Materialwulst 11 aufsetzt, entstehen Querkräfte, die die Messgenauigkeit der Wägezelle vermindern.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse der Wägezelle

2 kreisplattenförmiger Verformungskörper

3 Dehnungssensoren

4 Abschnitt des kreisplattenförmigen Verformungskörpers

5 zylinderförmige Ausnehmung im Abschnitt 4

5a Bodenfläche der zylinderförmigen Ausnehmung 5

5b Wandfläche der zylinderförmigen Ausnehmung 5

6 Krafteinleitungsstempel

6a Unterseite des Krafteinleitungsstempels 6

6b Abschnitt des Krafteinleitungsstempels 6

7 Ringspalt

8 Flüssigkeitsfüllung

9 Abdeckung

10 Befestigungsschrauben

11 Materialwulst

a1 , a2 Spaltbreite des Ringspalts

b Versatz

c Abplattung

h Füllstand

- F Zugkraft

+ F Druckkraft