DE1806668A1 - Druckkraftmessdose mit Druckkoerper - Google Patents

Druckkraftmessdose mit Druckkoerper

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Description

Carl Schenck Maschinenfabrik GmbH „ 11.42 Druckkraftmeßdose mit Druckkörper
Die Erfindung betrifft eine Druckkraftmefldose mit Im wesentlichen zur Meßachse rotatlonssymnetrlsohem Verformungsglied und einem oder mehreren der Einleitung der Kraft bzw. Gegenkraft dienenden Druckkörper(n), der/die bei einer Querverschiebung des die Kraft bzw. Gegenkraft aufbringenden Bauteils eine Verlagerung des Einleitungspunktes der Kraft bzw. Gegenkraft außerhalb der Meßachse bewirkt.
Beim Einsatz von Kraftmeßdosen, beispielsweise bei der Abstützung von Aufnahmemitteln (Behälter, Brücke, Rahaen) für zu wägende Lasten auf Kraftmeßdosen, sollte die Krafteinleitung im Idealfall senkrecht, mittig und ohne Kraftnebenschluß in die Kraftmeßdose erfolgen. Dieser Idealfall ist Jedoch In der Praxis nicht zu verwirklichen, weil die Aufnahmemittel (Behälter usw.) an den Abstützpunkten Querbewegungen ausführen können, die beispielsweise durch Querkräfte oder vor allem durch Längenänderungen infolge Temperaturschwankungen hervorgerufen sein können, insbesondere treten solche Längenänderungen bei größeren Wägebrüeken auf.
Es 1st bei Brückenwaagen bekannt, zum Ausgleich solcher Längenänderungen Pendelstützen einzusetzen, die sieh bei Verschiebungen zwischen Fundament und Brücke schräg stellen. Die Kraftmeßdosen sind in diese Pendelstützen eingebaut, bzw. bilden einen Teil der Pendelstutzen und werden dadurch ebenfalls schräg gestellt. Hierdurch tritt eine Verfälschung des Meßergebnisses durch schräge Krafteinleitung in die Kraftmeßdosen ein. Außerdem sind Pendelstützen labil und müssen daher abgespannt oder seitlich abgestützt werden; dies bedingt einen Kraftnebenschluß.
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Anstelle von Pendelstutzen werden aber auch feststehende Kraftmeßdosen mit Krafteinleitung Über Vielkugellager oder Querrollenlager zum Ausgleich der Längenlnderungen eingesetzt. Bei dieser Lösung werden die Kraftmeßdosen zwar nicht schräggestellt» so daß die durch Schrägstellung bedingten Fehler wegfallen. Es treten aber dafür andere Fehler auf; so arbeiten Wälzlager unter hoher Last nicht kontinuierlich, sondern absatzweise* d.h. unter hoher senkrechter Last schwankt der Rollwiderstand des Wälzlagers für die Querbewegungen. Da keine RUckstellkräfte vorhanden sind, müssen auch hier Abspannungen oder Lenker verwendet werden, die einen Kraftnebenschluß bilden.
Sowohl Pendelstutzen als auch Wälzlager bauen recht hoch und sind sehr teuer.
Es 1st auch bekannt, zur Krafteinleitung Kugeln zu verwenden. Die Kugel kann zwischen einer Planfläche und einer konkaven Fläche oder auch zwischen zwei konkaven Flächen angeordnet sein. Bei der letztgenannten Anordnung kann auf eine Abspannung oder auf Lenker verzichtet werden, da RUckstellkräfte vorhanden sind, die die Wägebrücke in Mittelstellung halten bzw. zurückführen. Diese Lösung 1st Jedoch nur für kleine Lasten anwendbar, da mit Rücksicht auf die zulässige spezifische Flächenpressung bei hohen Lasten außerordentlich große Kugeln eingesetzt werden müßten. Außerdem tritt durch die Verlagerung des Krafteinleitungspunktes eine Änderung der Empfindlichkeit der Kraftmeßdose ein, was zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führt. Man hat deshalb auch schon versucht, zwischen Kraftmeßdose und dem die Kraft aufbringenden Bauteil einen Druckkörper anzuordnen, der zwar als Pendelstück ausgeführt ist und an seiner der Kraftmeßdose zugekehrten Seite konvex gewölbt 1st, der aber von seitlichen Anschlägen so geführt wird, daß seine konvexe Fläche auf der Auflagerfläche der Druckkraftrneßdose keine Wälzbewegung, son-
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dem eine Gleitbewegung ausführt« so daß der Krafteinleitungspunkt stets in der Mitte bleibt. Damit ist zwar eine mittige Krafteinleitung erreicht« durch die Gl eitbewegung an den seitlichen Anschlägen findet aber ein störend wirkender Kraftnebenschluß statt, der das Meßergebnls verfälscht.
Aufgabe der Erfindung 1st es« eine Druckkraftmeßdose mit Krafteinleitung ohne Kraftnebenschluß zu schaffen« die auch bei Schrägstellung der zur Einleitung der Kraft bzw. Gegenkraft dienenden Druckkörper infolge von Längenänderungen in dem die Kraft aufbringenden Bauteil (Brücke, Behälter oder dgl.) oder dem die Gegenkraft aufbringenden Bauteil (Fundament, Rahmen und dgl.) eine einwandfreie und unverfälschte Messung ermöglicht. Weiterhin sollen bei Verschiebungen der die Kraft bzw. Gegenkraft aufbringenden Bauteile Rückstellkraft© wirksam werden; außerdem sollen bei möglichst geringer Bauhöhe verhältnismäßig kleine spezifische Flächenpressungen auftreten.
Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß bei der Querverschiebung des die Kraft bzw. Gegenkraft aufbringenden Bauteils zugleich die Einleitungsrichtung der Kraft bzw. Gegenkraft in der Welse verändert wird, daß die durch die Verlagerung des Einleitungspunktes bedingte Änderung der Kraftmeßdosenempfindlichkeit mit der durch die Änderung der Einleitungsrichtung bedingten Änderung der Kraftneßdosenempflndllchkelt kompensiert wird. Die Erfindung bedient sich der Erkenntnis, daß sich die Empfindlichkeit einer Druckkraftmeßdose mit rotationssjnmaetrischem Verformungsglied bei außermittiger Verlagerung des Einleitungspunktes der Kraft bzw. Gegenkraft vergrößert« sich bei schräger Einleitung der Kraft bzw« Gegenkraft also einer zusätzlichen querlaufenden Kraftkomponente - aber vermindert« und schlägt zur Lösung der gestellten Aufgaben vor« die Vergrößerung der Empfindlichkeit durch außermittige Einleitung mit der Verminderung der Empfindlichkeit duroh schräge Einleitung zu kompensieren.
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Zweckmäßlgerwelse geschieht dies dadurch« daß der/die Druckkörper als Wälzkörper zwischen der Kraftmeßdose und dem die Kraft aufbringenden Bauteil und/oder dem die Gegenkraft aufbringenden Bauteil ausgebildet, von jeweils zwei sich aufeinander abwälzenden Välzflachen die eine (BerUhrfliehe) gekrümmt und das Verhältnis der Höhe des/der Wälzkörper(s) zur Krümmung der Berührflächen so gewählt 1st, daß sich zu jeder Verlagerung des Einleitungspunktes die zur Kompensation erforderliche Änderung der Einleitungsrichtung ergibt. Wenn der Druckkörper nämlich als Wälzkörper ausgeführt 1st, lassen sich die KrUmmungsverhältnlsse der BerUhrflächen so wählen, dafl eine kraftnebenschlußfreie Krafteinleitung erfolgt und daß die gewünschten RQokstellkrlfte auftreten; dabei 1st aber eine außermittige Verlagerung des Krafteinleitungspunktes unvermeidbar. Verändert man die Höhe des Wälzkörpers bei gleichbleibender Krümmung der BerUhrflächen, so läßt sich die außermittige Verlagerung des Elnleltungspunktes und auch die Richtung der Einleitung In der gewünschten Welse verändern, um eine Kompensation der auftretenden Meßfehler zu erreichen. Dabei kann von einem Krümmungsradius an den BerUhrflächen ausgegangen werden, der groß genug 1st, um unzulässig hohe Pllchenpressungen zu vermeiden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung der In den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbelspale.
In den Zeichnungen zeigen: PIg. 1 eine Druckkraftmeßdose mit rotatlonsayame-
trlschem Verfomungsglled und einem der Meßdose Im Kraftfluß vorgeschalteten Druckkörper gemäß der Erfindung im Schnitt;
Flg. 2 und PIg. 3 Jeweils eine andere vorteilhafte AusfUhrungsform eines Druckkörpers;
Pig. 4 und Flg. 5 den Verlauf der Empfindlichkeit einer Druckkraftmeßdose in Abhängigkeit von der außermittigen Verlagerung des Kraftangriffs bzw. einer Querkraftkomponente;
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Pig. 6 die zeichnerische Ermittlung der erforderlichen Höhe des Druckkörpers;
Flg. 7 eine Druckkraftmefldose mit Einleitung sowohl der Kraft als auch der Gegenkraft über Druckkörper;
PIg. 8 eine Im Inneren des zugehörigen Druckkörper eingebaute Druckkraftmeßdose.
Die In Plgur 1 dargestellte Kraftmeßdose 5 besteht Im wesentlichen aus einen kreisförmigen Verforaungsglled 1 und der darauf aufgebrachten Wicklung 2 zur Dehnungseessung. Selbstveretlndllch kann die Kraftmeßdose auch In anderer Welse aufgebaut sein. Die zu messende Kraft Po wird τοη einen Bauteil 3 über einen Druckkörper 4 auf eine Druckplatte 5a und von da auf das Verforaungsglled 1 der Krafteeßdose 5 Übertragen. Die der Kraft-Übertragung dienenden Berührflächen 6 des Druckkörpers 4 sind als Kugelfliehen ausgebildet; die mit diesen in Berührung stehende PlSche 7 des Bauteils Z> und Fläche δ des Bauteils 5a sind eben. Die Kugelradien der Berührflächen 6 des Druckkörpers 4 sind mit r bezeichnet, die Höhe des Druckkörpers 4, genessen zwischen den beiden Scheitelpunkten der Kugelflachen, ist alt h bezeichnet.
Bei Querverüqgerung des Bauteils 3, beispielsweise unter Einfluß einer Längenänderung einer in der Figur nicht dargestellten Wägebrücke, wälzt sich der Druckkörper 4 zwischen den ebenen Flächen 7 und 8 ab, wobei sich der Krafteinleitungspunkt an der Platte 5a der Kraftmeßdose 5 außerhalb der nit der MeI-
achse zusammenfallenden Längsachse 9 der Krafteeßdose um ein Maß verlagert, das im folgenden mit b bezeichnet wird. Zugleich tritt zusätzlich zu der in Meßachsenrichtung wirkende Kraft Po eine senkrecht zur Meßachse wirkende Kraftkomponente P auf, d.h. die Krafteinleitungsrichtung fällt nicht mehr mit der MeB-achsenrlchtung zusammen, sondern verläuft - als Resultierend· der Kräfte Po und F gebildet - unter einen Winkel iur Meßachsenrichtung.
Bei der Bemessung des Druckkörpers 4 1st das Verhältnis der Höhe h zun Krümmungsradius r der Berührflachen 6 des Druek-
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körpers 4 so gewählt worden, daß die bei einer außermittigen Verlagerung des Krafteinleitungspunktee um das NaB b auftretende Vergrößerung der Empfindlichkeit der Kraftmeßdose jeweils durch die unter der Wirkung der Querkraft P auftretende Verringerung der EapfIndlichkeit der Kraftmeßdose kompensiertwird. Einer der möglichen Wege zur Ermittlung der zweckmäßigen Höhe h des Druckkörpers iird später noch näher erläutert werden.
Man kann auch, wie Figur 2 zeigt, den Druckkörper 4 mit zwei ebenen Flächen und das Bauteil > bzw. die Platte 5& mit Jeweils einer Kugelfläche als Berührfläche ausfuhren. Das Verhältnis der Höhe h zum Krümmungsradius r hat hler die gleiche Wirkung, wie sie bei der Form des Druckkörpers gemäß Figur 1 geschildert worden 1st. Gleiches gilt auch für die Form des Druckkörpers gemäß Figur 3; hier trägt der Druckkörper 4 an der der Kraftmeßdose zugekehrten Seite eine Kugelfläche und an der anderen Seite eine ebene Fläche als Wälzfläche.
Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen des Druckkörpers 4 trägt jeweils eine der beiden sich berührenden Flächen einen konzentrischen ringförmigen Ansatz 10, der den die andere Wälzfläche tragenden Körper teilweise umgreift. Die Innenfläche 11 des ringförmigen Ansatzes 10 1st als Zylinder ausgebildet. Der umgriffene Teil 12 des anderen Körpers, bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel des Druckkörpers 4, stellt im Achsschnitt eine Zykloide dar, die sich aus der Wälzbewegung ergibt. Durch das Zusammenwirken zwischen Zylinderfläche 11 und Zykloide 12 ergibt sich eine Führung der beiden sich berührenden Körper 3 und 4 bzw. 4 und 5a, ohne daß die Wälzbewegung behindert würde.
Bei der Ausführungsform des Druckkörpers 4 gemäß Flg. 2, näm- , lieh der Anordnung des ringförmigen Ansatzes 10 jeweils am obenliegenden Teil, ergibt sich der besondere Vorteil, daß anfallender Schmutz nicht zwischen die Wälzflächen gelangen kann.
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Anstelle der bei den bisher beschriebenen Aueführungsbeispielen vorgesehenen Anordnung der Kraftaefldose in unveränderlicher relativer Lage zu des die Gegenkraft aufbringenden Bauteil und seitlich beweglich gegenüber den die Kraft aufbringenden Bauteil kann selbstverständlich Bit gleichem Effekt auch umgekehrt die Kraftaefldose unveränderlich alt den die Kraft aufbringenden Bauteil verbunden und durch Anordnen des Druckkörpers zwischen Kraftaesdose und dec die Gegenkraft aufbringenden Bauteil diese« gegenüber seitlich beweglich angeordnet sein.
I« folgenden soll anhand eines Beispiels nlher erläutert werden, wie die Höhe h des Druckkörper 4 bei vorgegebene« Krüaaungsradius r für eine bestlasrte Kraftraetdose alt rotatlonssysaetrlschen Terforaungskröper eraittelt werden kann.
Zunächst· wird der Krüsansagsradlus* r der Kugelflächen entsprechend der aaxlaal auftretenden Belastung und der la Berührungspunkt sulässlgen Fläohenpresstmg festgelegt. An-sohllefend wird die Veränderung (Zunahm) der Empfindlichkeit der Kraftmeidose bei außermittiger Verlagerung des Krafteinleitungepunktes bei senkrechter Krafteinleitung einer festgelegten Kraft Po ermittelt; es ergibt «ich das in Figur 4 dargestellte Diagrame, in de« die Empfindlichkeit S in Abhängigkeit von der auferaittigsn Verlage rung b aufgetragen ist. Die Empfind Ii ο hlceitezunahme kann in eine« weiten Bereich alt lineare« Verlauf angenommen werden.
Weiterhin wird eraittelt, wie die Empfindlichkeit der Kraftmeßdose sich in Abhängigkeit vo« Verhältnis der Querkraft P zur senkrecht aufgebrachten Kraft Po ändert} es wird sich dabei der ebenfalls in einen weiten Bereich linear aeme Verlauf gemäJ Figur 5 ergeben. lunmehr wird für die auieraittige Verlagerung der Krafteinleitung ein· feste Gröle b angenommen, die beispielsweise der maximal zulässigen auieralttlgen Verlagerung entsprechen «oll* und in de« Diagramm geaäfl Figur 4 festgestellt, welche Erhöhung I1 der Kraftmetdosenempfindllehkeit 1 sich ergibt. Aas-
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dem Diagramm gemäß Figur 5 ermittelt man nun dasjenige Kräfteverhältnis P l/Po, das einer Verringerung der Empfindlichkeit E um das Maß E 1 entspricht.
Die Ermittlung der Höhe h des Druckkörpers 4 geschieht nun anhand der In Figur 6 gezeigten Skizze. Punkt A sei der Berührpunkt bei alttlger Kraftelnleltung, Punkt B 1 der um das Maß b 1 verlagerte Krafteinleitungspunkt. Senkrecht über B 1 liegt der Mittelpunkt M 1 der unteren Kugelfläche k 1. Aus den in Punkt B 1 angetragenen Kraftkomponenten Po und Pl ergibt sich die durch den Strahl s dargestellte Richtung der resultierenden Kraft.
Auf den Krümmungskreis k 1 wird - ausgehend von Punkt Bldie Strecke b 1 abgetragen; nan erhält den Punkt A*. Ausgehend vom M 1 wird der Strahl ρ durch A* gelegt. Der Schnittpunkt von s und ρ ergibt den Punkt S, der den Mittelpunkt des Druckkörpers darstellt; daraus ergibt sich in einfacher Weise die Lage«des Berührpunktes B 2 und des Mittelpunktes M 2 der durch den Kreis k 2 daragestellten kugelförmigen Berührfläche. Das Maß h läßt sich zwischen den Schnittpunkten der beiden Kreise k 1 und k 2 mit dem Strahl P abgreifen.
Die beschriebene zeichnerische Methode zur Ermittlung der ge« wünschten Druckkörperhöhe h stellt jedoch nur eine von mehreren Möglichkeiten dar; beispielsweise ist es auch möglich, mehrere Druckkörper mit gleichen KrUmaungsradius und unterschiedlicher Höhe herzustellen und aus dem unterschiedlichen Verhalten dieser Druckkörper hinsichtlich der Änderung der Kraftmeßdosenempfindllchkelt die geeignete Höhe empirisch - gegebenenfalls nach Interpolation - zu ermitteln.
Bei der AusfUhrungsforn gemäß Fig. 7 wird die Kraft von dem Bauteil J5 über den Druckkörper 4 auf die Kraftmeßdose 5 geleitet. Die Kraftmeßdose 5 ist ihrerseits über einen weiteren Druckkörper 4a auf dem die Gegenkraft aufbringenden Bauteil ?a abgestützt. Die übrige Ausgestaltung kann einer der In Figuren 1 - 3 gezeigten Varianten entsprechen.
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Figur 8 zeigt «in sich durch besonders geringe Bauhöhe auszeichnendes Ausführungsbe1-spiel. Hler 1st die Kraftmeßdose 5 selbst Bestandteil eines einzigen Dr uckkörpers, der zwischen dea die Kraft aufbringenden Bauteil 3 und den die Gegenkraft aufbringenden Bauteil J5a eingefügt 1st. Die Bemessung der Höhe dieses Druckkörpers und der Krümmungen der Berührflächen erfolgt sinngemäß in der zuvor beschriebenen Weise.
Während bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1-3 eine unveränderliche Lage eines der beiden die Kraft bzw. Gegenkraft aufbringenden Bauteile vorausgesetzt wird, um die mit der Erfindung angestrebte vollkommene Kompensation zu erreichen, tritt bei den AusfUhrungsbelsplelen gemäß Figur 7 und 8 der gewünschte Effekt auch bei veränderlicher Lage beider Bauteile ein.
Als besonderer Vorteil der erfindungsgemäß ausgestalteten Druckkörper ergibt sich noch, daß die Höhe h der Druckkörper In jedes Fall kleiner als der Durchmesser einer Kugel alt gleichm Krümmungsradius r sein wird; im Vergleich zu einer zwischen ebenen Flächen als Wälzkörper eingesetzten Kugel ergblt sich also neben der erfindungsgemäßen Kompensation der auftretenden Meßfehler eine vorteilhafte kleinere Bauhöhe bei gleich« Krümmungsradius bzw. ein hinsichtlich der Flächenpressung günstiger größerer Krümmungsradius bei gleicher Bauhöhe.
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Claims (11)

Carl Schenck Maschinenfabrik CWbH - 10 - 11*42* Patentansprüche:
1. Drucklcraftroefldose mit Im wesentlichen zur MeSachse rotationssymmetrischem Verformungsglied und einem oder mehreren der Einleitung der Kraft bzw. Gegenkraft dienenden Druckkörper(n), der/die bei einer Querverschiebung des die Kraft bzw. Gegenkraft aufbringenden Bauteils eine Verlagerung des Einleitungspunktes der Kraft bzw. Gegenkraft außerhalb der Melaohse bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Querverschiebung des die Kraft bzw. Gegenkraft aufbringenden Bauteils zugleich die Einleitungsrichtung der Kraft bzw. Gegenkraft In dor Meise verändert wird, daß die durch die Verlagerung des Einleitungspunktes bedingte Änderung der KraftneßdoseneapfindllenkeIt mit der durch die Änderung der Einleitungsrichtung bedingten Änderung der Kraftaeßdosenempflndlichkolt kompensiert wird.
2. Druckkraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Druckkörper (4,4a) als Wälzkörper zwischen der Kraftmeßdose (5) und dem die Kraft aufbrlndenden Bauteil (j5) und/oder dem die Gegenkraft aufbringenden Bauteil O&) ausgebildet, von jeweils zwei sich aufeinander abwälzenden WEIzflächen die eine (BerUhrflKche 6) gekrümmt und das Verhältnis der Höhe des/der Wälzkörper(s) zur Krümmung der Berührflächen (6) so gewählt ist, daß sich zu jeder Verlagerung des Einleitungspunktes die zur Kompensation erforderliche Änderung der Einleitungsrichtung ergibt.
J>. Druckkraftmeßdose nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von jeweils zwei sich aufeinander abwälzenden Wälzflächen eine als ebene Fläche (7,8) und eine als Kugelfläche (6) ausgebildet 1st.
4. Druckkraftmeßdose nach Anspruch 3 alt krelsringförmigem (torusfuralgem) Verforaungsglled, das durch die Einleitung der zu messenden Kraft oder Gegenkraft an zwei Mantellinien des Kreieringkörpers verdreht wird, mit auf dazwis°hen lie-
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genden Mantellinien angeordneten elektrischen Wicklungen zur Dehnungsmessung, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des/der Wälzkörper(s) (4,4a) angenähert gleich dem Krtlaaungsradius (r) der BerührflMohen (6) gewählt 1st.
5* Druckkraftmeßdose nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Druckkörper (4,4a) zwei Kugelflachen (6) als WilzflKchen besitzt/besitzen.
6. Druokkraftmeßdose nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Druckkörper (4,4a) zwei ebene Flächen als Wälzflächen besitzt/besitzen, die alt Berührflächen zusammenwirken.
7· Druckfcraftmeßdose nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Druckkörper (4,4a) an der der Kraftmeßdose (5) zugekehrten Seite eine Kugelfläche und an der anderen Seite eine ebene Fläche als Wälzflächen trägt/tragen.
3. Druckkraftaeßdose nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Jeweils eine von zwei zusammenwirkenden Wälzflächen nlt einem konzentrischen ringförmigen Ansatz (10) versehen 1st, der den die andere Wälzfläche tragenden Körper teilweise umgreift.
9* Druckkraftmeßdose naoh Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die innenfläche (11) des ringförmigen Ansatzes (10) als Zylinder ausgebildet 1st und der umgriffene Teil (12) des Körpers im Achsschnitt angenähert die sich aus der Wälzbewegung ergebende Fora darstellt.
10. Druckkraftaeßdose nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dag von zwei zusaaaenwirkenden Wälzflächen jeweils die eine eine konvexe und die andere eine konkave Kugelfläche 1st.
11. Druckkr&ftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßdose (5) In den als Wälzkörper ausgebildeten Druckkörper eingebaut 1st und das Verhältnis der Höhe des WälzkSrpers zur Krümmung der Berührflächen so gewählt 1st, daft sich zu Jeder Verlagerung der Einleitungspunkte die zur Kompensation erforderlich· Änderung der Einleitungsrichtung
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