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Die Erfindung betrifft eine Lastzelle gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Unter anderem in der Papier-, Kunststoff-, Textil- und
Metallindustrie wird häufig die Zugkraft und/oder die
Zugspannung in einer kontinuierlichen Materialbahn oder einem
Materialstreifen gemessen, um den Herstellungsprozeß anzuzeigen,
zu überwachen oder zu regeln. Die Messung erfolgt
normalerweise derart, daß man die Bahn über eine Umlenkrolle laufen
läßt. Zwischen dem Lager der Umlenkrolle und dessen Basis
sind Lastzellen angeordnet, von denen jede ein
Lastzellengehäuse mit einem eingebauten, vorzugsweise magnetoelastischen
Meßgeber enthält. Die Erfindung bezieht sich auf einen
speziellen Aufbau des Gehäuses zur Vermeidung innerer
Biegemomente und Spannungen in dem Gehäuse, bedingt durch die Befe
stigung sowohl an der Basis als auch am Lager der
Umlenkrolle.
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Um die Wichtigkeit einer guten Konstruktion eines
Lastzellengehäuses zu verstehen, erfolgt zunächst eine kurze
Beschreibung der Messung der Zugkraft und/oder Zugspannung in
einer kontinuierlich bewegten Bahn. Die Umlenkrolle ist in
bekannter Weise in einem Lagergehäuse gelagert. Zwischen dem
Lagergehäuse und der Basis, die aus irgendeiner Art von
Fundament besteht, ist das Lastzellengehäuse angeordnet. Das
Lastzellengehäuse besteht im wesentlichen aus zwei relativ
steifen quaderförmigen Jochen, von denen eines in Kontakt
mit dem Lagergehäuse und das andere in Kontakt mit der Basis
steht. Die Joche sind über eine Anzahl von Membranen und
einen Meßgeber in der Weise miteinander verbunden, daß eine
gewisse Beweglichkeit der Joche in ihrer Längsrichtung
möglich
ist. Die Meßgeber sind so orientiert, daß nur die Kraft
Fr in Richtung der Bewegung, das heißt normalerweise in
einer horizontalen Richtung, gemessen wird. Bei Kenntnis des
Eintrittswinkels und des Austrittswinkels der
kontinuierlichen Bahn an der Umlenkrolle, bezogen auf die genannte
Bewegungsrichtung, kann die Zugkraft Fd in der kontinuierlichen
Bahn in einfacher Weise berechnet werden. Bei Kenntnis der
Querschnittsfläche der betroffenen kontinuierlichen Bahn
kann daher auch die Zugspannung in der Bahn bestimmt werden.
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Das Einsetzen eines Meßgebers parallel zu den oben genannten
Membranen zwischen den beiden Jochen kann normalerweise so
vorgenommen werden, daß keine meßbaren Kräfte in Richtung
parallel zu den beiden Jochen auftreten. Auch gibt es unter
dem Gesichtspunkt der Herstellung keine größeren Probleme,
die äußeren ebenen Seiten der beiden Joche planparallel zu
machen.
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Eine weitere Bedingung zur Erzielung einer großen
Genauigkeit besteht darin, daß diejenige Seite des Lagergehäuses,
welche zum Joch des Lastzellengehäuses gerichtet ist, eine
ebene Oberfläche hat. Die gleiche Forderung gilt auch für
diejenige Oberfläche der Basis, die dem anderen Joch des
Lastzellengehäuses gegenüber liegt. Um die gestellten
Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen, werden oft spezifische
Anforderungen an die Ebenheit gestellt.
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Es ist auch sehr wichtig, die Lastzelle unter einem Winkel
von genau 90º gegenüber der Umlenkrolle anzuordnen, um zu
verhindern, daß seitliche Kräfte in die Meßrichtung fallen.
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Die Befestigung des Lastzellengehäuses an dem Lagergehäuse
beziehungsweise der Basis wird häufig mittels Schrauben
durchgeführt, die von der Seite des Lagergehäuses
beziehungsweise der Basis in Gewindelöcher der Joche
eingeschraubt
werden. Obwohl normalerweise spezifische
Festdrehmomente für die Schrauben vorgeschrieben werden, hat sich
gezeigt, daß die Befestigung des Lastzellengehäuses häufig
die Genauigkeit der Messung in negativer Weise beeinflußt,
da innere Biegemomente und Kräfte von nicht unbeachtlicher
Größe dann in dem Lastzellengehäuse auftreten können. Dies
zeigt sich daran, daß eine Lastzelle eine Zugkraft in
Richtung parallel zu den Jochen mißt, ohne daß eine
kontinuierliche Bahn an der Umlenkrolle anliegt. Es wurden zahlreiche
Konstruktionen der Joche vorgeschlagen, um das oben genannte
Problem zu reduzieren. Anstelle eines engen Kontaktes
zwischen den äußeren planparallelen Flächen der Joche und des
Lagerhäuses beziehungsweise der Basis, ist es möglich, die
ebenen Flächen der Joche mit engen Schlitzen parallel zur
Welle der Umlenkrolle zu versehen, die auf entsprechenden
Seiten der Gewindelöcher angeordnet sind. Solche Schlitze
zeigen unter anderem die Figuren des ABB-Prospektes "Pillow
Block tensiometer", A07-7505 E. Im übrigen zeigt dieser
Prospekt den Aufbau einer vollständigen Lastzelle und wie diese
in eine Produktionsanlage für kontinuierliche Bahnen
integriert ist, bei der die Zugkraft oder die Zugspannung in der
Bahn gemessen werden soll. Der Meßgeber besteht in diesem
Falle aus einem magnetoelastischen Meßgeber, der durch
geeignete Positionierung von Löchern für eine Erregerwicklung
und eine Meßwicklung nur die Kraft in Längsrichtung der
Joche mißt.
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Obwohl die Einführung der oben genannten Schlitze eine
Verbesserung hinsichtlich der planparallelen äußeren Jochseiten
gebracht hat, sind die Probleme nicht vollständig beseitigt.
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Der Hauptgrund für das Auftreten dieser Probleme besteht,
wie oben erwähnt, darin, daß das Festziehen der Schrauben
innere Biegemomente und Spannungen in den Jochen verursacht,
die dazu führen können, daß die Lastzelle eine Zugspannung
in Richtung parallel zu den Jochen mißt, ohne daß eine
kontinuierliche Bahn an der Umlenkrolle anliegt. Die technische
Erklärung für das Auftreten von Biegemomenten in den Jochen
besteht darin, daß die Berührungsflächen um jedes
Schraubenloch herum bei den bekannten Konstruktionen ein
symmetrisches Gegenlager bilden. Unter symmetrischem Gegenlager wird
hier verstanden, daß, wenn man sich die jedes Schraubenloch
umgebende Kontaktfläche als aus einer großen Anzahl von
Oberflächenelementen bestehend vorstellt, die Summe der
Oberflächenmomente der Oberflächenelemente, das heißt, die
entsprechende Oberflächenelementenfläche multipliziert mit
ihrem Oberflächendruck und der Entfernung vom
Schraubenmittelpunkt Null ist. Da weder die Konstruktionslösung mit
planparallelen äußeren Jochseiten, noch die äußeren
Jochseiten mit Schlitzen ein symmetrisches Gegenlager darstellen,
treten stets innere Biegemomente und damit verbundene
mechanische Spannungen in den Jochen auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lastzelle mit
einem Gehäuse zu entwickeln, welches mit Einrichtungen
versehen ist zur Verbindung des Lastzellengehäuses mit der
Oberfläche einer krafteinleitenden Vorrichtung
beziehungsweise einer kraftaufnehmenden Basis, wobei die
Verbindungseinrichtungen nicht zur Entstehung innerer Biegemomente und
damit verbundener mechanischer Spannungen in den Jochen des
Lastzellengehäuses führen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Lastzelle gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche
erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1
genannten Merkmale hat.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
zusätzlichen Ansprüchen genannt.
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Die Erfindung besteht in einer Konstruktion der die
Gewindelöcher umgebenden Flächen der Joche, die praktisch
symmetrische Gegenlager für alle Schraubverbindungen zwischen den
Jochen und dem Lagergehäuse beziehungsweise der Basis
bildet. Das bedeutet, daß der auf die Messung der Zugkraft und
der Zugspannung in einer kontinuierlichen Bahn durch die
Befestigung der Joche entstehende Einfluß, also innere
Biegemomente und mechanische Spannungen in den Jochen, praktisch
beseitigt ist.
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Die Gewindelöcher können entweder über ihre gesamte Länge
mit Gewinde versehen sein, oder, beginnend an der äußeren
ebenen Oberfläche der Joche, nur so weit ins Innere der
Joche, als dies erforderlich ist, um mit einem gewissen
Sicherheitsfaktor eine genügende Vorspannung in den Schrauben
zu erreichen. Beginnend an der äußeren nach außen weisenden
Ebene der Joche ist bei jedem Gewindeloch ein Spalt
vorgesehen, dessen Tiefe in das Joch ausreicht, um die Wirkung der
Spannungen, die von der Befestigung der Lastzelle ausgehen,
auf ein Niveau zu reduzieren, das für den jeweiligen
Anwendungsfall zulässig ist. Normalerweise bedeutet dies, daß die
Tiefe größer ist als ein Viertel des Durchmessers des
Gewindelochs. Die nach außen gerichtete ebene Fläche des so
gebildeten, das Gewindeloch umgebenden rohrförmigen Körpers
liegt etwas außerhalb der im übrigen äußeren ebenen Fläche
der Joche. Die Querschnittsfläche des Körpers,
beispielsweise hinsichtlich des äußeren Umfanges an dem Spalt, kann
polygonförmig oder kreisförmig sein. Die Joche sind
normalerweise mit vier Gewindelöchern versehen, die paarweise
parallel zu und nahe den Endplatten der Joche angeordnet
sind. Dies bedeutet, daß die beiden Joche des
Lastzellengehäuses als Kontaktfläche mit dem Lagergehäuse,
beziehungsweise der Basis, vier ebene Flächen aufweisen, die um die
Gewindelöcher herum zentriert sind. Da die rohrförmigen
Körper, die jetzt Verbindungselemente zwischen den Jochen und
dem Lagergehäuse beziehungsweise der Basis bilden, während
des Zusammenbaus axial zusammengepreßt werden können und
sich nach außen, gesehen von der Mittellinie des
Gewindebches aus, praktische unabhängig von den benachbarten Teilen
der Joche ausdehnen können, entsteht in den Jochen nur eine
minimale Verformung durch die inneren Momente und
mechanischen Beanspruchungen.
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Die äußeren Abmessungen der rohrförmigen Körper müssen so
gewählt werden, daß die von dem Kontaktdruck zwischen den
ebenen Flächen und dem Lagergehäuse beziehungsweise der
Basis ausgehenden Spannungen innerhalb zulässiger Grenzen
hegen.
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Im allgemeinen ist es jedoch wünschenswert, die
Kontaktfläche zwischen dem Lastzellengehäuse und seiner Umgebung zu
minimieren. Hierdurch wird die Gefahr reduziert, daß
Fremdpartikel oder Unregelmäßigkeiten der Basis zu inneren
Biegemomenten oder mechanischen Spannungen in den Jochen führen.
Ein ähnlicher Gedanke steht hinter der Einführung der
Schlitze, die oben bei der Erläuterung des Standes der
Technik und des Problems beschrieben sind. Hierdurch erreicht
man jedoch nicht die Vorteile symmetrischer Gegenlager, wie
sie durch die rohrförmigen Körper erreicht werden.
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Hinsichtlich einer seitlichen Last ist es wünschenswert, die
beiden Schraubenbefestigungen, die an den Enden der Platten
der Joche liegen, so weit nach außen wie möglich an den
Längsseiten der Joche zu plazieren. Da natürlich ein
Gleichgewicht der Momente zwischen den kraftaufnehmenden
Kontaktflächen der Joche und der seitlichen Last bestehen muß, wird
die Last an den Kupplungselementen mit zunehmender
Entfernung kleiner. Bei der Konstruktion mit den Schlitzen dagegen
ist eine Kontaktfläche zwischen den Schrauben vorhanden, die
keinen Nutzen bringt.
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Um die Joche noch stärker, unter anderem, einer möglichen
Höhendifferenz oder Unregelmäßigkeit der Basis
beziehungsweise des Lagergehäuses an den Kontaktflächen der
Schraubenpaare anzupassen, können die rohrförmigen Körper mit einer
oder mehreren Einschnürungen versehen werden, wodurch die
Biegesteifigkeit der Körper herabgesetzt wird. Dies wird
näher erläutert bei der Beschreibung der verschiedenen
Ausführungsbeispiele. Durch die Einschnürungen wird das
Biegemoment, das in den Körpern im Falle einer unebenen Basis auf
tritt, reduziert. Ein Vorteil des reduzierten Biegemomentes
besteht darin, daß die Auswirkung auf die Joche in Gestalt
innerer Spannungen und Momente in den Jochen verkleinert
wird. Die Einschnürungen können auf verschiedene Weise durch
Reduzierung des Materials der Wand der rohrförmigen Körper
hergestellt werden.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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Figur 1 eine Lastzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
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Figur 2, wie die Einschnürungen die Anpassung der
rohrförmigen Körper an eine unebene Basis erleichtern.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
Figuren dargestellt, die eine vollständige Lastzelle zeigen,
zu der ein Lastzellengehäuse und ein darin eingebauten
Meßgeber gehören. Das Lastzellengehäuse besteht aus zwei im
wesentlichen quaderförmigen Jochen 1 und 2, die über die
Membranen 3, 4, 5 und 6 miteinander verbunden sind. Hinter der
Deckplatte 7 und parallel zu den Membranen ist ein nicht
dargestellter Kraftmeßgeber montiert und so angeordnet, daß
nur die Kraft in Längsrichtung der Joche gemessen wird. Die
Längsrichtung der Joche ist in Figur 1 durch den Pfeil B an
gezeigt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel des
Lastzellengehäuses
sind beide Joche an ihren Endplatten mit zwei
Gewindelöchern 8 bis 15 versehen zur Befestigung an einer
nicht dargestellten krafteinleitenden Vorrichtung in Gestalt
eines Lagergehäuses beziehungsweise einer Basis. Alle
Gewindelöcher und deren umgebender Teil der Joche sind in der
gleichen Weise ausgebildet, wie dies in der Schnittansicht
beim Gewindeloch 11 gezeigt ist. Wie man erkennt, sind die
Gewindelöcher in Blickrichtung von den äußeren ebenen
Oberflächen der Joche aus längs einer Strecke A mit Gewinde
versehen. Jedes Gewindeloch ist von einem Spalt umgeben. Bei
dem in Figur 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Spalte kreisförmig und konzentrisch zu den
Gewindelöchern angeordnet und haben eine Tiefe, die etwas größer
ist die Gewindetiefe. Um die Figur 1 nicht mit Bezugsziffern
zu überladen, wird in Figur 1 lediglich auf den Spalt 16,
der das Gewindeloch 11 umgibt, Bezug genommen. Wie man
ebenfalls erkennt, erstreckt sich die ringförmige, nach außen
gerichtete ebene Oberflächen 17 der in dem Beispiel
gezeigten kreiszylindrischen Körper, die durch die kreisförmigen
Spalten entstehen, etwas aus der übrigen äußeren ebenen
Oberfluache der Joche heraus. Die Berührungsfläche der beiden
Joche mit dem Lagergehäuse beziehungsweise der Basis besteht
daher aus vier ebenen Flächen 17, die ringförmig um die
Gewindelöcher angeordnet sind.
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-Bei einem alterantiven Ausführungsbeispiel gemäß der
Erfindung besteht jeder rohrförmige Körper aus einem separaten
Körper, der sowohl innen als auch, zumindest in einem
gewissen Ausmaße, außen mit Gewinde versehen ist. In den Jochen
sind daher Löcher vorhanden, die mit einem Gewinde versehen
sind, welches dem äußeren Gewinde der rohrförmigen Körper
entspricht. Um die gewünschten Spalte 17 zu bekommen, ist
derjenige Abschnitt des Loches in dem Joch, der am
dichtesten an der äußeren ebenen Oberfläche der Joche liegt,
mit einem entsprechend größeren Durchmesser ausgeführt.
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Im Rahmen der Erfindung kann der äußere Umfang des
Querschnittes des rohrförmigen Körpers außer kreisförmig, wie
oben beschrieben; in einer Vielzahl von Arten ausgebildet
sein, so weit diese der Anforderung nach symmetrischen
Gegenlagern genügen. Der Umfang des Querschnitts der Körper
kann beispielsweise ausgebildet sein als Polygon, als eine
andere vom Kreis verschiedene Kurve oder als Teil eines
Kreises und anderen Kurven und einer oder mehreren Sehnen.
Das Letztere wird der Fall sein, wenn der Mittelpunkt der
Gewindelöcher so dicht an den Längsseiten und den Endplatten
der Joche liegt, daß der Radius des rohrförmigen Körpers
größer ist als die Entfernung zwischen dem Mittelpunkt des
Gewindeloches und den Längsseiten beziehungsweise den
Endplatten.
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Wie oben beschrieben, können die Joche so ausgeführt sein,
daß sie sich besser einer möglichen Höhendifferenz oder
Unregelmäßigkeit der Basis beziehungsweise des Lagergehäuses
im Bereich der Kontaktflächen der Schraubenpaare anpassen,
indem die rohrförmigen Körper mit einer oder mehreren
Einschnürungen versehen sind. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel können die Einschnürungen, wie sich aus dem in
Figur 1 und 2 gezeigten Beispiel ergibt, dadurch gebildet
werden, daß an beiden Längsseiten in einem Abstand von den
äußeren ebenen Oberflächen der Joche und symmetrisch in Bezug
auf die Mittelpunktslinie des Gewindeloches jedes
Gewindeloch mit zwei gerade nach innen gerichteten zylindrischen
Ausnehmungen und 19 versehen ist, die vorzugsweise einen
kreisförmigen Querschnitt haben. Die Ausnehmungen sind so
bemessen, daß diejenigen Mantellinien der Ausnehmungen, die
am weitesten von der Mittellinie des Gewindeloches entfernt
sind, zumindest die äußere Peripherie der Löcher berühren,
welche die rohrförmigen Körper umgeben.
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Figur 2 zeigt, wie die Einschnürungen eine Anpassung der
Endflächen 17 und der rohrförmigen Körper 21 und an
ein Lagergehäuse 23 mit einer dem Joch gegenüberliegenden
unebenen Oberfläche ermöglichen.
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Die Erfindung umfaßt verschiedene alternative
Ausführungsformen und Anordnungspositionen der Einschnürungen. Wie
bereits erwähnt, kann jeder rohrförmige Körper mit nur einer
Einschnürung versehen sein. Die Einschnürungen können auch
als Löcher ausgebildet sein, die sich von den Endplatten der
Joche zu den Körpern erstrecken. Obwohl es aus Sicht der
Herstellung vorteilhaft ist, mit einer kreisförmigen
zylindrischen Ausführung für die Einschnürungen zu arbeiten,
können auch andere Ausführungen verwendet werden.