DE1219251B - Ringfoermiger magnetoelastischer Kraftmesskoerper - Google Patents

Description

• Ringförmiger magnetoelastischer Kraftmeßkörper Um die Belastung eines Lagers oder die von einem Wellenende winkelrecht zu diesem ausgehenden Kräfte messen zu können, ist es bekannte im Lagergehäuse einen Meßkörper geeigneter Art einzubauen, der der Einwirkung der zu messenden Kraft ausgesetzt wird. In manchen Fällen ist es schwer oder geradezu unmöglich, einen üblichen Meßkörper in einem zugänglichen Bereich des Lagergehäuses einzubauen. Oft sind auch mehrere Wellen mit verschiedener Belastung in einem Lagerbock gelagert, und es wird gefordert, sämtliche Lagerbelastungen unabhängig voneinander messen zu können.
• Es ist auch bei einem Lagerständer bekannt, den Lagerkörper durch zwei scheibenförmige Federglieder abzustützen, wobei an jedem Federglied zwei winkelrecht zueinander angeordnete Kraftmeßelemente befestigt sind, die die Beanspruchungen in vertikaler und horizontaler Richtung abtasten. Eine derartige Meßvorrichtung erfordert jedoch einen ganz beträchtlichen Platz in radialer Richtung, der meist nicht zur Verfügung steht.
• Die Erfindung schafft einen magnetoelastischen Meßkörper, der mit dem kleinstmöglichen Platzbedarf zur Messung der obengenannten Belastungsfälle angebracht werden kann. Der Meßkörper ist ringförmig und kann konzentrisch zu dem Maschinenelement angeordnet werden, dessen Belastung senkrecht zur Achse gemessen werden soll. Der Meßkörper besteht erfindungsgemäß aus einem ringförmigen Kern aus magnetostriktivem Material mit mehreren Löchern, die parallel zur Längsachse des Kernes sind und mit Wicklungen zum Erzeugen von Magnetflüssen um die Löcher im Kern und zum Abtasten der Reluktanzveränderungen, die im Kern entstehen, wenn er einer mechanischen Kraftbeanspruchung ausgesetzt wird.
• Mehrere Ausführungsbeispiele sind im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt F i g. 1 eine Ausführungsform des Meßkörpers nach der Erfindung in Stirnansicht, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, F i g. 3, 4 und 5 mehrere Schaltungen der Wicklungen des Meßkörpers, F i g. 6 eine Abänderung des Kernes des Meßkörpers und F i g. 7 bis 11 weitere Ausführungsformen des Meßkörpers.
• Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform besteht der Kern des Meßkörpers aus einem zylindrischen Ring 1. Wenn mit diesem die Belastung eines Kugel- oder Rollenlagers gemessen werden soll, wird der Innendurchmesser des Ringes gleich dem Außendurchmesser des äußeren Lagerringes des Lagers gemacht. Der Meßkörper dient dann als ein im Lagerbock befestigtes Lagerfutter. Der Ring 1 ist aus ringförmigen Scheiben aufgebaut, die aus einem magnetostriktiven Material, z. B. Transformatorblech, ausgestanzt sind. Aus den Scheiben sind mehrere gleiche Löcher 2 ausgestanzt, die gleichmäßig verteilt sind und deren Anzahl durch vier teilbar ist. Die Löcher liegen auf einem Teilkreis, der die Ringbreite in der Mitte teilt. Wenn die Blechringe aufeinandergelegt werden, bilden sich somit axiale Kanäle im Kern.
• Wenn man sich den Meßkörper durch die in F i g. 1 gezogenen Linien 7 und 8 in vier Quadranten 3, 4, 5 und 6 aufgeteilt denkt, so hat jeder Quadrant eine in den Löchern angeordnete Wicklung 9, 10, 11 oder 12. Die im oberen Quadranten 3 angeordnete Wicklung 9 verläuft im zweiten Loch von links nach hinten, im dritten Loch nach vorn, im vierten wieder nach hinten usw.
• Zwischen den Wicklungen in den verschiedenen Quadranten werden ein oder mehrere Löcher übersprungen, die zum Anbringen von Befestigungsbolzen od. dgl. bei der endgültigen Montage verwendet werden können. In F i g. 1 sind Einwindungswicklungen gezeigt, da solche aber eine sehr niedrige Induktanz haben würden, kann man mit Vorteil ein mehrdrähtiges Kabel mit voneinander isolierten Drähten anwenden, die nach dem Wickeln so zusammengeschaltet werden, daß eine Wicklung mit mehreren Windungen erhalten wird. Dabei hat man auch die Möglichkeit, die Wicklung in zwei Teile zu teilen, die als Primär- und Sekundärwicklungen verwendet werden können.
• Wenn die Wicklungen mit Strom gespeist werden, werden im Eisen um die Wicklungen herum Magnetfelder erzeugt. Wie aus F i g. 1 hervorgeht, werden die Magnetflüsse von zwei aneinanderliegenden Wicklungsteilen in dem Teil des Eisenkernes, der zwischen den Löchern liegt, die die betreffenden Wicklungsteile aufnehmen, in derselben Richtung fließen. Der Abstand zwischen den Löchern muß so klein gewählt werden, daß eine merkbare Drosselung des Magnetflusses zwischen den Löchern erhalten wird.
• Wenn die den Meßkörper beeinflußende Kraft derart aufgebracht wird, daß der obere Quadrant 3 gedrückt wird, werden die zwischen den Löchern liegenden Teile des Kernes einer Druckbeanspruchung ausgesetzt. Eine solche Belastung entsteht, wenn der Meßkörper das Lager für die obere Walze eines Walzenpaares in einem Walzwerk trägt und das Walzgut zwischen den Walzen eingeführt wird. Der untere Quadrant des Meßkörpers bleibt in der Hauptsache von der Belastung unbeeinflußt. Bei einer solchen Krafteinwirkung steigt die Reluktanz in den Teilen zwischen den Löchern des oberen Quadranten 3, was zur Folge hat, daß die Induktanz der Wicklung 9 sinkt, während die Induktanz der Wicklung 11 in dem unteren Quadranten in der Hauptsache unverändert bleibt. Diese Induktanzänderung kann in vielerlei Arten abgetastet werden, von denen einige in Fig. 3 bis 5 gezeigt sind. Bei der Schaltung nach F i g. 3 hat man die früher genannte Möglichkeit ausgenutzt, die aus dem mehrdrähtigen Kabel ausgeführte Wicklung in eine primäre Magnetisierungswicklung und eine sekundäre Meßwicklung aufzuteilen. Die Primärwicklungen 9P und llP werden über eine Serienspule 13 mit Strom von einer Wechselstromquelle 14 gespeist, und die Sekundärwicklungen 9S und 1iS werden so gegengeschaltet, daß die über einem Meßinstrument 15 auftretende Spannung ein Maß des Induktanzunterschieds und somit auch der auf den Meßkörper einwirkenden Kraft wird. Bei der in F i g. 4 gezeigten Methode sind die Wicklungen 9 und 11 nicht geteilt. Die Induktanz in den beiden Wicklungen wird mit Hilfe einer Differenzschaltung 16 verglichen. Der Nullabgleich ist durch eine variable Mittelanzapfung 17 in der Differenzschaltung einstellbar.
• Eine dritte Möglichkeit ist in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Schaltung werden geteilte Wicklungen verwendet, d. h. Primär- und Sekundärwicklungen in zwei diametral gelegenen Quadranten. Die vier Wicklungen sind derart zu einer Brücke geschaltet, daß die beiden Wicklungen in dem einen Quadranten 9P, 9S einander gegenüberliegen und die beiden Wicklungen 11P, 115 im anderen Quadranten auch einander gegenüberliegen.
• Zum Messen der auf den Meßkörper wirkenden Horizontalkräfte wird ähnlich verfahren, indem die Induktanzänderungen der Wicklungen 10 und 12 verglichen werden. Natürlich können Kräfte mit beliebiger Richtung winkelrecht zur Achse gemessen werden. Eine schräg gerichtete Kraft kann man sich in eine vertikale Komponente, die vom oberen und unteren Quadranten gemessen wird, und in eine horizontale Kraftkomponente, die vom linken und rechten Quadranten gemessen wird, aufgeteilt denken.
• Um die Empfindlichkeit des Meßkörpers zu erhöhen, kann die Form des in Fig. 1 gezeigten Ringes 1 so geändert werden, wie aus F i g. 6 hervorgeht. Die Modifikation bedeutet, daß die Löcher 2 für die Wicklungen länglich gemacht werden, was zur Folge hat, daß die Anzahl der kraftaufnehmenden Teile zwischen den Löchern geringer wird. Die Belastung jedes der genannten Teile wird bei derselben totalen Belastung mit abnehmender Anzahl der Löcher größer, wodurch die Empfindlichkeit des Gebers zunimmt.
• Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung funktioniert im allgemeinen sehr befriedigend, aber in gewissen Fällen kann es vorkommen, daß der Meßwert nicht ganz unabhängig von der Passung zwischen dem Meßkörper und den anschließenden Zylinderflächen ist. Dies kommt daher, daß z.B. einerseits nicht die ganze Vertikalkraft des wirksamen Quadranten vom Meßkörper aufgenommen wird, sondern ein gewisser Teil von den anderen Quadranten im wesentlichen als Torsion aufgenommen wird, und andererseits die Empfindlichkeit des wirksamen Meßquadranten am größten in der Mitte ist, wo eine reine Druckbeanspruchung in den Meßzonen erhalten wird, während die Außenteile des Meßquadranten eine niedrigere Empfindlichkeit bekommen, weil hier in den Meßzonen auch eine Schubkraft erhalten wird.
• In den Fällen, wo der Raum in radialer Richtung nicht allzu begrenzt ist, kann der obengenannte Nachteil leicht mit einer in F i g. 7 gezeigten Ausführungsform der Erfindung behoben werden. Bei dieser Ausführung sind die Löcher in jedem Quadranten so geformt, daß die zwischen ihnen liegenden Teile des Kernes aus zwei langgestreckten Streben bestehen, die mit wenigstens je einer Wicklung zum Erzeugen eines Magnetflusses in den Streben und zum Abtasten der Flußveränderungen versehen sind, die in den Streben entstehen, wenn der Meßkörper einer mechanischen Krafteinwirkung ausgesetzt wird. In jedem Quadranten sind die auf den beiden Streben angeordneten Teile der Wicklung so zusammengeschaltet, daß sie zusammenarbeiten, um einen Magnetfluß durch die Streben und die die Streben zusammenhaltenden Teile des äußeren und des inneren Ringteils zu treiben. Dadurch erhält man für jeden Quadranten einen geschlossenen magnetischen Fluß, der von den Flüssen in den anderen Quadranten unbeeinflußt ist. Die Streben in einem Quadranten sind vorzugsweise parallel und quer zur Längsrichtung so schwach, daß sie praktisch keine Seitenkräfte aufnehmen können. Bei zweckmäßiger Bemessung der acht Streben werden somit Vertikalkräfte praktisch völlig von den oberen oder unteren Streben aufgenommen, während Horizontalkräfte in entsprechender Weise von den linken oder rechten Streben aufgenommen werden. Hierdurch wird die Meßzone, die aus den Streben besteht, völlig unabhängig von der Passung zwischen dem Meßkörper und den anschließenden Zylinderflächen. Wenn der Meßkörper eine durch das zentrale Loch gehende Welle trägt und von dieser mit einer Kraft beeinflußt wird, die mit keiner der Streben parallel ist, werden zwei Meßzonen beeinflußt. Wenn beispielsweise die genannte Kraft schräg nach unten wirkt, werden sowohl die untere als auch die linke Meßzone beeinflußt und messen dabei je eine Kraftkomponente.
• Eine Zunahme der Tragfähigkeit kann bei dieser prinzipiellen Ausführung durch Erhöhen der Anzahl der parallelen Streben in jeder der vier Richtungen erhalten werden. Fig. 8 zeigt, wie dies ausgeführt werden kann, indem die Streben in jedem Quadrant in zwei Gruppen unterteilt sind und eine Wicklung für jede Gruppe haben. Bei dieser Ausführungsform wird der totale Magnetfluß von der einen Strebengruppe den äußeren und den inneren Ring passieren, weshalb der Querschnitt der beiden Ringe so berechnet werden muß, daß keine Sättigung eintritt.
• F i g. 9 zeigt, wie die Streben in einem Quadranten gleichmäßig verteilt werden können, wobei die Wicklung auf den Streben so angebracht ist, daß man eine ständig wechselnde Magnetisierungsrichtung in den Streben erhält. In diesem Fall wird die Sättigungsgefahr in den äußeren und inneren Ringen herabgesetzt, und diese können deshalb klein gehalten werden. Wenn die Empfindlichkeit erhöht werden muß, was oft bei Bandzugmessern oder Bandwaagen der Fall ist, muß die Anzahl der Streben vermindert werden. Die größte Empfindlichkeit erhält man, wenn man nur eine Strebe pro Quadrant hat, wie in F i g. 10 gezeigt ist. Dabei werden, wie aus der Figur hervorgeht, die Flüsse in den Vertikal- und Horizontalstreben zusammengeschaltet, so daß die Messung nur in einer Richtung durch Belastung der zwei magnetisierten Streben erfolgen kann, in diesem Fall der vertikalen. Diese beiden Streben werden in derselben Richtung magnetisiert, wobei, wie ersichtlich, der Fluß in den Horizontalstreben bei unbelastetem Meßkörper Null wird. Bei Druckbelastung der unteren Strebe wird der Fluß durch diese vermindert, während der Fluß durch die obere Strebe entweder unverändert bleibt, wenn der Außenring eine vernachlässigbare Steifheit hat, oder etwas zunimmt.
• In beiden Fällen erhält man einen Differenzfluß durch die Horizontalstreben, und dieser Differenzfluß, der ein Maß der Belastung ist, kann mit Hilfe von Sekundärspulen auf den horizontalen Streben gemessen werden. Hierbei werden zweckmäßig die beiden Vertikalspulen in Reihe gespeist. Anstatt den Differenzfluß direkt zu messen, kann man natürlich eine der Differenzschaltungen nach F i g. 3,4 oder 5 benutzen.
• Für die Herstellung der Blechringe für die bisher beschriebenen Meßkörper sind spezielle Stanzwerkzeuge erforderlich. Eine Ausführung, bei der verschiedene Dimensionen mit vorhandenen Stanzen erhalten werden können, ist in Fig. 11 gezeigt. Die äußere Kontur ist hier quadratisch gezeichnet und mit vier Befestigungslöchern 18 versehen, aber sie kann natürlich ebensogut, wie früher gezeigt, rund ausgeführt werden.
• Beim Messen in nur einer Richtung, was ja der gewöhnlichste Fall ist, können natürlich die Meßkörper nach F i g. 8 und 9 wie in Fig. 10 gewickelt werden, d. h. mit vier Wicklungen, die je eine Strebengruppe umschließen, wobei die Wicklungen und die belasteten Strebengruppen in Reihe wie Primärwicklungen gespeist werden können und der Differenzfluß in den unbelasteten Strebengruppen mit den diese umgebenden Sekundärwicklungen abgetastet werden kann. In solchen Fällen müssen natürlich die inneren und äußeren Ringe so dimensioniert werden, daß die Induktion hier immer viel niedriger ist als in den messenden Streben.
• Patentansprüche: 1. Ringförmiger magnetoelastischer Meßkörper zum Messen mechanischer Kräfte, die winkelrecht zur Achse zylindrischer Maschinenelemente, wie z. B. Lager, Wellenzapfen od. dgl. wirken, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Kern (1) aus magnetostriktivem Material mit mehreren Löchern (2), die parallel zur Längsachse des Kernes sind und mit Wicklungen (9,10, 11, 12) zum Erzeugen von Magnetflüssen um die Löcher im Kern und zum Abtasten der Reluktanzveränderungen, die im Kern entstehen, wenn er einer mechanischen Kraftbeanspruchung ausgesetzt wird.

Claims (1)

1. 2. Meßkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus mehreren ringförmigen Scheiben aufgebaut ist, die aus einem magnetostriktiven Material, beispielsweise Transformatorblech, ausgestanzt sind.

   3. Meßkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher mit gleichmäßiger Verteilung und in einer Anzahl, die durch vier teilbar ist, ausgestanzt und in einem Kreis angeordnet sind, der die Ringbreite in der Mitte teilt.

   4. Meßkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern in vier Quadranten (3, 4, 5, 6) aufgeteilt und eine Wicklung (9, 10, 11, 12) zum Erzeugen eines Magnetflusses im Kern und zum Abtasten der bei Krafteinwirkung im Kern entstehenden Induktanzveränderungen in den Löchern jedes Quadranten angeordnet ist.

   5. Meßkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung in jedem Quadranten in zwei Teile geteilt ist, nämlich eine Primärwicklung (P) und eine Sekundärwicklung (S), und daß zwei diametral gelegene Primärwicklungen (9P, 11P) über eine Spule (13) an einer Wechselspannungsquelle (14) angeschlossen sind, während die entsprechenden Sekundärwicklungen (9S, 11S) in Gegenschaltung an einem Meßinstrument (15) angeschlossen sind (F i g. 3).

   6. Meßkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Quadranten eine einzige Wicklung vorhanden ist und zwei diametral gelegene Wicklungen (9, 11) in Reihe an der Sekundärseite eines Differentialtransformators (16) angeschlossen sind, dessen Mittelanzapfung (17) über ein Meßinstrument (15) am Verbindungspunkt zwischen den beiden Wicklungen (9, 11) angeschlossen ist (F i g. 4).

   7. Meßkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung in jedem Quadranten in zwei vorzugsweise gleiche Teile aufgeteilt ist, eine Primärwicklung (P) und eine Sekundärwicklung (S), und daß die in zwei diametral entgegengesetzten Quadranten (3, 5) gelegenen Wicklungen (9P, 9S, 11 P, 11S) zu einer Brücke derart geschaltet sind, daß die Wicklungen in einem bestimmten Quadranten einander gegenüberliegen (Fig. 5).

   8. Meßkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der genannten Löcher (2) größer als ihre Höhe ist.

   9. Meßkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der genannten Löcher (2) so gewählt ist, daß die Teile des Kernes, die zwischen den Löchern liegen, aus wenigstens einer Strebe in jedem Quadranten des Kernes bestehen.

   10. Meßkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zwei Streben (9) zwischen den genannten Löchern in jedem Quadranten des Kernes hat, wobei jede Strebe eine Wicklung zum Erzeugen eines Magnefflusses in den genannten Streben und zum Abtasten der Veränderungen des genannten Flusses hat.

   (Fig. 7).

   11. Meßkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mehrere Streben in jedem Quadranten hat, die zu zwei Gruppen zusammengefaßt sind, wobei jede Gruppe mit einer Wicklung zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in den genannten Streben und zum Abtasten der Flußveränderungen vorgesehen ist (Fig. 8).

   12. Meßkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kem mehrere Streben in jedem Quadranten hat, die gleichmäßig verteilt und mit einer Wicklung versehen sind, die einen magnetischen Fluß mit ständig wechselnder Richtung in den Streben hat und die Veränderungen dieses Flusses abtastet, wenn der Kern mechanischen Kräften ausgesetzt ist (F i g. 9).

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1057796; »ASEA-Zeitschrift«, H. 1/1960, S. 3 bis 12.