DE10060201C2 - Kraftaufnehmer für Zug- und/oder Druckkräfte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer für Zug- und/oder Druckkräfte, mit einem laschenförmigen Körper, der die zu mes­ sende Kraft aufnimmt, derart, daß die Kraft zu einer Verformung oder Spannung in zumindest einem Teilbereich des Körpers führt, und mit zumindest einem elektrischen Meßsystem, das mit dem Körper verbunden ist und die Verformung oder Spannung erfaßt und in ein elektrisches Signal umwandelt, wobei der Körper in einer Raumrichtung eine kleinere Abmessung aufweist als in den beiden anderen Raumrichtungen, und wobei das Meßsystem durch eine Öffnung an einer Außenseite des Körpers in diesen einge­ baut ist.

Ein derartiger Kraftaufnehmer ist aus der DE 41 03 765 A1 be­ kannt.

Ein solcher Kraftaufnehmer wird in praktischen Anwendungen zum Aufnehmen und Messen von Zug- und/oder Druckkräften verwendet. Ein Anwendungsbeispiel ist die Messung von sehr hohen Kräften im Bereich bis zu 2000 kN oder darüber in Tragseilen von Last­ kränen oder in Stützauslegern von schwerem Arbeitsgerät, wie Baggern oder Kränen.

Der Kraftaufnehmer, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, weist einen laschenförmigen Körper auf, der die zu messende Kraft aufnimmt, derart, daß die Kraft zu einer Verformung oder Spannung in zumindest einem Teilbereich des Körpers führt. Ein solcher Kraftaufnehmer mit einem laschenförmigen Körper wird auch als Meßlasche bezeichnet. Üblicherweise weist ein Kraft­ aufnehmer mit einem laschenförmigen Körper im Bereich seiner beiden Längsenden jeweils ein Auge auf, in die jeweils eine An­ hängewelle eingesetzt wird, über die der Kraftaufnehmer bspw. am Tragseil oder dem Stützausleger, dessen Kraftbelastung ge­ messen werden soll, angehängt wird.

Die infolge der Zug- oder eine Druckkraft verursachte Verfor­ mung oder Spannung des Körpers wird von dem elektrischen Meßsy­ stem, das mit dem Körper verbunden ist, erfaßt und in ein elek­ trisches Signal umgewandelt. Ein solches elektrisches Meßsystem basiert üblicherweise, ohne daß die Erfindung hierauf be­ schränkt ist, auf Dehnungsmeßstreifen (DMS), wobei der Effekt ausgenutzt wird, daß ein Draht, der eine Längenänderung er­ fährt, proportional dazu seinen elektrischen Widerstand als Folge der Längenänderung ändert. In der Regel werden mehrere solche DMS zu einer Widerstandsbrücke (Wheatstonesche Brücke) zusammengeschaltet.

Das von dem oder den elektrischen Meßsystemen erzeugte elektri­ sche Signal wird in einer Meßwertverarbeitungseinrichtung, bspw. einem Meßverstärker, verarbeitet, wobei das von dem oder den Meßsystemen erzeugte Strom- oder Spannungssignal in einen Kraftwert konvertiert wird, der dann auf einer Anzeigeeinrich­ tung angezeigt wird.

Bei Kraftaufnehmern zum Aufnehmen und Messen von hohen Zug- und/oder Druckkräften werden häufig zwei oder mehr Meßsysteme zusammengeschaltet, oder es werden gar redundante Meßsysteme verwendet, um bei sicherheitsrelevanten Anwendungen die erfor­ derliche Sicherheit der Kraftmessung zu gewährleisten.

Der aus der bereits genannten DE 41 03 765 A1 bekannte Kraft­ aufnehmer weist einen laschenförmigen Körper auf, der eine Dic­ ke aufweist, die kleiner ist als die Abmessungen des Körpers in Längsrichtung und in Querrichtung. Dieser bekannte Kraftaufneh­ mer weist zwei elektrische Meßsysteme auf, die in einer zentra­ len Bohrung von der Unter- und der Oberseite, d. h. von den Flachseiten des Kraftaufnehmers her, in den Körper eingebaut sind. Dies entspricht der bis heute üblichen Art und Weise des Einbaus der elektrischen Meßsysteme in derartige Meßlaschen.

Bei den bekannten Meßlaschen ist nun des öfteren der Effekt aufgetreten, daß bei einer selbst geringen Umgebungstemperatur­ veränderung, insbesondere bei einseitiger Sonneneinwirkung auf die Meßlasche, das elektrische Meßsystem eine Kraft detektiert, obwohl der Kraftaufnehmer insgesamt kräftefrei ist, d. h. obwohl keine Zug- und/oder Druckkräfte am Kraftaufnehmer angreifen. Es kam des öfteren somit zu Fehlermeldungen, deren Ursache für den Benutzer nicht erkennbar waren. Aus Sicherheitsgründen mußte jedoch das Arbeitsgerät oder die Anlage, in der der Kraftauf­ nehmer eingebaut war, bis auf weiteres stillgelegt werden.

Aus dem Dokument DE 72 07 482 U1 ist eine Kraftmeßlasche be­ kannt, die zwischen ihren Verbindungsstellen mit dem Bauteil, dessen Belastung gemessen werden soll, eine zentrale Ausnehmung aufweist, in der zumindest ein Dehnungsmeßelement befestigt ist, wobei die Ausnehmung eine beidseitig dicht verschlossene, die Kraftmeßlasche zu ihrer Längserstreckung durchsetzende Durchgangsbohrung ist, und wobei das Dehnungsmeßelement unter Ausrichtung in der neutralen Phase der Kraftmeßlasche und in der normal zur Längserstreckung der Kraftmeßlasche verlaufenden Diagonalen der Durchgangsbohrung an deren Wand befestigt ist. Bei dieser Kraftmeßlasche wird das Kraftmeßsystem in Form des Dehnungsmeßelementes demnach nicht von der Außenseite her in den Körper des Kraftaufnehmers eingebaut, sondern in einer zen­ tralen Bohrung, die in Richtung der kleineren Abmessung des Körpers eingebracht ist.

Weiterhin ist aus der DE 23 18 618 A ein Kraftaufnehmer be­ kannt, bei dem das Kraftmeßsystem, das in Form von Dehnungsmeß­ streifen ausgebildet ist, an Oberflächen auf den äußeren Schmalseiten des Körpers des Kraftaufnehmers mit dem Körper verbunden ist. Hier besteht das Problem, daß der Kraftaufnehmer an der äußeren Oberfläche des Körpers des Kraftaufnehmers ange­ ordnet und somit Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, die zu Fehl­ messungen Anlaß geben.

Schließlich ist aus der GB 2 099 161 A ein Kraftaufnehmer be­ kannt, der mehrteilig ausgebildet ist, wobei im Inneren des Körpers eine Platte angeordnet ist, auf der das Kraftmeßsystem befestigt ist. Ein solcher Kraftaufnehmer ist vergleichsweise aufwendig bezüglich seiner Herstellung und somit nicht ko­ steneffizient.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftauf­ nehmer der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die zuvor genannten umweltbedingten, insbesondere tempera­ turbedingten Fehlermeldungen in ihrem Auftreten bei gleichzei­ tig einfacher Bauweise des Kraftaufnehmers erheblich reduziert oder gar beseitigt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Kraftaufnehmer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das zumindest eine Meßsystem mit dem Körper an einer Stelle verbunden ist, die fern von einer äußeren Oberfläche des Körpers ist, indem das zumindest eine Meßsystem von der Seite mit der kleineren Abmes­ sung her in den Körper eingebaut ist.

Die Erfindung setzt bei der den Erfindern der vorliegenden Er­ findung zuzurechnenden Erkenntnis ein, daß Umwelteinflüsse, insbesondere Temperaturänderungen, die insbesondere auf lokale Bereiche des Kraftaufnehmers einwirken, zu äußeren Oberflächen­ spannungen führen, die im Bereich der Oberfläche des Kraftauf­ nehmers zu Verformungen oder Spannungen führen, auf die das Meßsystem sofort anspricht, wenn dieses an der äußeren Oberflä­ che oder in oberflächennahen Bereichen mit dem Körper des Kraftaufnehmers verbunden ist. Dies hat sich bei den bekannten Kraftaufnehmern als Ursache für die beobachteten Fehlermeldun­ gen herausgestellt.

Da derartige durch Umwelteinflüsse bedingte Oberflächenspannun­ gen im Einsatz derartiger Kraftaufnehmer nicht ausgeschlossen werden können, ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftaufnehmer dementsprechend vorgesehen, das zumindest eine Meßsystem mit dem Körper an einer Stelle zu verbinden, die fern von der äußeren Oberfläche des Körpers liegt. Dadurch wer­ den Oberflächenspannungen, die durch Umwelteinflüsse verursacht werden, von dem oder den Meßsystemen nicht erfaßt und die Ober­ flächenspannungen führen somit im kräftefreien Zustand des Kraftaufnehmers auch nicht zur Detektion von derartigen parasi­ tären Kräften. Eine Temperaturänderung des gesamten Körpers einschließlich dem Körperkern ist unschädlich aufgrund der all­ gemeinen Temperaturganganpassung des Meßsystems bzw. des Tempe­ raturabgleichs des Nullpunktes der Kraftmessung.

Insbesondere bei einem elektrischen Meßsystem auf der Basis von DMS hat sich gezeigt, daß eine Nullpunktverschiebung der Kraft­ messung aufgrund lokaler Erwärmung oder Abkühlung der Oberflä­ che des Kraftaufnehmers stark reduziert bzw. sogar beseitigt wird.

Der Einbau des zumindest einen Meßsystems von der Seite mit der kleineren Abmessung her in den Körper hat den Vorteil, daß das Meßsystem tiefstmöglich in den Körperkern des Kraftaufnehmers eingesetzt werden kann, so daß das Meßsystem von der äußeren Oberfläche des Kraftaufnehmers möglichst weit beabstandet ist, um den Einfluß von Oberflächenspannungen auf das Meßsystem so gering wie möglich zu halten.

Insbesondere, wenn der Körper einen im wesentlichen rechtecki­ gen Querschnitt aufweist, ist das zumindest eine Meßsystem in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung von einer Schmalseite des Körpers her in den Körper eingebaut.

Bei einem derartigen laschenförmigen Körper mit einem im we­ sentlichen rechteckigen Querschnitt steht für den Einbau des Meßsystems von der Schmalseite her eine größere Einbautiefe zur Verfügung, so daß das Meßsystem tiefer in den Körperkern des Kraftaufnehmers eingebaut werden kann. Der weitere Vorteil die­ ser Maßnahme besteht darin, daß Spannungen im Körper, die zu einem Durchbiegen des Körpers in dessen Längsachsrichtung füh­ ren, sich auf das Meßsystem nicht mehr auswirken können, wäh­ rend ein Durchbiegen des Körpers bei einer derartigen Geometrie des Körpers quer zur Längsachsrichtung ohnehin weitestgehend ausgeschlossen ist.

Dabei ist es bevorzugt, wenn das zumindest eine Meßsystem einen Dehnungsmeßstreifen aufweist, und der Dehnungsmeßstreifen mit seiner Ebene parallel zur Längsachse und zur Schmalseite des Körpers angeordnet ist.

Diese Anordnung des Dehnungsmeßstreifens (DMS) hat den Vorteil, daß sich ein Durchbiegen des Körpers in Längsachsrichtung noch weniger auswirkt, d. h. der DMS noch weniger auf eine derartige parasitäre Oberflächenspannung, die nicht von den zu messenden Zug- und/oder Druckkräften herrührt, anspricht.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Meßsystem zumindest einen elektrischen Anschluß auf, der an der Schmal­ seite des Körpers angebracht ist.

Durch diese Maßnahme wird vorteilhafterweise auch eine günstige Anordnung der elektrischen Anschlüsse, über die das elektrische Meßsystem mit dem Meßverstärker bzw. mit einer externen Meß­ wertverarbeitungseinrichtung verbunden ist, platzsparend an der Schmalseite des Körpers angebracht werden kann. Derartige An­ schlüsse, die die Ausgänge des elektrischen Meßsystems bilden, können auf der Basis von Steckern oder auf der Basis von Kabeln beruhen.

Durch die erfindungsgemäße Einbaulage des elektrischen Meßsy­ stems ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung möglich, den zumindest einen Anschluß in den Körper zu versen­ ken, so daß auch der zumindest eine Anschluß gut geschützt im Körper aufgenommen werden kann. Dies hängt jedoch von der Ein­ baulage der Meßlasche in der Gesamtanlage ab, so daß es auch sinnvoll sein kann, den zumindest einen Anschluß nicht in den Körper zu versenken.

Es kann in Abhängigkeit von der Einbaulage des Kraftaufnehmers in der Gesamtanlage auch sinnvoll sein, das Meßsystem, wie zu­ vor beschrieben, von der Schmalseite aus einzubauen, während der zumindest eine Anschluß wie bisher auf der Flachseite des Körpers liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgen­ den Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht eines Kraftauf­ nehmers;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kraftaufnehmer in Fig. 1, teilweise im Schnitt;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Kraftaufnehmers in Fig. 1 und 2, teilweise im Schnitt;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2, in gegenüber Fig. 1 bis 3 vergrößertem Maßstab; und

Fig. 5 eine Seitenansicht auf einen Ausschnitt des Kraft­ aufnehmers in Richtung eines Pfeiles V in Fig. 2, ebenfalls gegenüber Fig. 1 bis 3 in vergrößertem Maßstab.

In Fig. 1 bis 5 ist ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehener Kraftaufnehmer zum Aufnehmen und Messen von Zug- und/oder Druckkräften dargestellt. Der Kraftaufnehmer 10 kann zum Aufnehmen und Messen von Zug- und/oder Druckkräften bis zu 2000 kN verwendet werden. Der Kraftaufnehmer 10 wird bspw. in den Kraftfluß eines Lastseils eines Lastkrans geschaltet.

Der Kraftaufnehmer 10 weist einen laschenförmigen Körper 12 auf, der die zu messende Kraft aufnimmt. Der Körper 12 ist ins­ gesamt massiv aus Vollmaterial, bspw. einem für Kraftaufnehmer geeigneten Stahl, gefertigt.

Der Körper 12 weist im Bereich seiner Längsenden jeweils ein Auge 14 bzw. 16 auf, wobei die Augen 14 und 16 als kreiszylin­ drische durch den Körper 12 hindurchgehende Bohrungen ausgebil­ det sind. Die Augen 14 und 16 dienen zum Durchstecken von Wel­ len oder dgl., über die der Kraftaufnehmer 10 bspw. an dem zu­ vor genannten Lastseil angehängt werden kann.

Wie bereits erwähnt, ist der Körper 12 laschenförmig ausgebil­ det, wobei der Kraftaufnehmer 10 bei einer wie in Fig. 1 darge­ stellten Form des Körpers 12 auch als Meßlasche bezeichnet wird.

Insgesamt weist der Körper 12 im wesentlichen die Form eines Parallelepipeds mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt auf, wobei der Körper 12 in Richtung einer Längsachse 18, in deren Richtung die Zug- und/oder Druckkraft wirkt, die mit dem Kraftaufnehmer 10 aufgenommen und gemessen werden soll, die größte Abmessung aufweist, während der Körper 12 in Richtung einer Querachse, die der Breite des Körpers 12 entspricht, eine geringere Abmessung aufweist als in Richtung der Längsachse 18, und in Richtung einer Hochachse 22, die der Dicke des Körpers 12 entspricht, die kleinste Abmessung aufweist.

Eine in Richtung der Längsachse 18 auf den Kraftaufnehmer 10 wirkende Zug- und/oder Druckkraft bewirkt in zumindest einem Teilbereich des Körpers 12 eine Verformung oder Spannung, die mit zumindest einem elektrischen Meßsystem 24 erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Kraftaufnehmer 10 zwei derartige Meßsysteme 24 auf, die als Dehnungsmeßstrei­ fen (DMS) 26 (vgl. Fig. 5) und 28 ausgebildet sind. Die DMS 26 und 28 sind dabei als Folien-DMS ausgebildet. Die DMS 26 und 28 sind mit dem Körper 12 durch einen geeigneten Klebstoff verbun­ den. Die beiden DMS 26 und 28 sind als halbe Widerstandsbrücken ausgebildet und zusammen zu einer Vollbrücke zusammengeschal­ tet.

Während bei den im Stand der Technik bekannten Kraftaufnehmern die Meßsysteme von der Flachseite des Kraftaufnehmers her, d. h. in Richtung der Hochachse 22 in den Körper eingebaut wurden, wie in Fig. 4 mit den Bezugszeichen 30 bis 36 angedeutet ist, so daß bei den bekannten Kraftaufnehmern die Meßsysteme nahe der äußeren Oberfläche des Körpers angeordnet sind, sind die Meßsysteme 24 in Form der DMS 26 und 28 bei dem Kraftaufnehmer 12 an einer Stelle mit dem Körper 12 verbunden, die fern von einer äußeren Oberfläche 38 des Körpers 12 ist. Die äußere Oberfläche 38 des Körpers 12 ist je nach Einbaulage in der Ge­ samtanlage äußeren Umwelteinflüssen ausgesetzt, die zu Oberflä­ chenspannungen im Bereich der Oberfläche 38 des Körpers 12 füh­ ren können. Dadurch, daß die Meßsysteme 24 fern von der äußeren Oberfläche 38 des Körpers 12 mit dem Körper 12 verbunden sind, wie in Fig. 4 dargestellt ist, wirken sich derartige unvermeid­ bare Oberflächenspannungen nun nicht mehr als parasitäre Kräfte auf die Meßsysteme 24 aus.

Um eine möglichst fern von der äußeren Oberfläche 38 gelegene Einbaulage der Meßsysteme 24 zu erreichen, sind die Meßsysteme 24 in Form der DMS 26 und 28 von einer Schmalseite des Körpers 12, hier von zwei gegenüberliegenden Schmalseiten 40 und 42 des Körpers 12 her in diesen eingebaut. Mit anderen Worten wird hier ausgenutzt, daß in Richtung der Querachse 20 eine tiefer in dem Körperkern des Körpers 12 reichende Einbaulage der DMS 26 und 28 erzielt wird.

Des weiteren hat sich gezeigt, daß ein durch Oberflächenspan­ nungen verursachtes Durchbiegen des Körpers 12 um die Querachse 20 und um die Hochachse 22 bei dieser Einbaulage der DMS 26 und 28 keinen zu Fehlermeldungen Anlaß gebenden Einfluß auf die Meßsysteme 24 hat.

Die jeweilige Ebene der DMS 26 und 28 verläuft dabei parallel zur Längsachse 18 und zur Schmalseite 40 bzw. 42 des Körpers 12.

Mittig in dem Körper 12 befinden sich noch zwei einander gegen­ überliegende Öffnungen 44 und 46, die der Aufnahme der elektri­ schen Bauelemente für die Brückenschaltung der DMS 26 und 28 dienen.

Öffnungen 48 und 50 in den Schmalseiten 40 und 42, in denen die Meßsysteme 24 angeordnet und mit dem Körper 12 verbunden sind, sind über Kanäle 52 und 54 mit den Öffnungen 46 und (nicht dar­ gestellt) mit der Öffnung 44 verbunden, um entsprechende Leiter von den DMS 26 und 28 mit den in den Öffnungen 44 und 46 aufge­ nommenen elektrischen Bauelementen verbinden zu können.

Während bei dieser Ausgestaltung somit die elektrischen An­ schlüsse für die Meßsysteme 24 auf den Flachseiten 56 und 58 des Körpers 12 angebracht sind, kann es ebenso vorgesehen sein, die elektrischen Anschlüsse an den Schmalseiten 40 und 42 des Körpers 12 anzubringen. Dabei ist es ebenfalls möglich, die An­ schlüsse in den Bohrungen 48 und 50 des Körpers 12, in denen die DMS 26 und 28 angeordnet sind, zu versenken.

Im einsatzfähigen Zustand des Kraftaufnehmers 10 gemäß Fig. 1 sind die Öffnungen 44 und 46 bzw. die Bohrungen 48 und 50 selbstverständlich hermetisch dicht verschlossen.

Claims (5)

1. Kraftaufnehmer für Zug- und/oder Druckkräfte, mit einem laschenförmigen Körper (12), der die zu messende Kraft aufnimmt, derart, daß die Kraft zu einer Verformung oder Spannung in zumindest einem Teilbereich des Körpers (12) führt, und mit zumindest einem elektrischen Meßsystem (24), das mit dem Körper (12) verbunden ist und die Ver­ formung oder Spannung erfaßt und in ein elektrisches Si­ gnal umwandelt, wobei der Körper (12) in einer Raumrich­ tung (22) eine kleinere Abmessung aufweist als in den bei­ den anderen Raumrichtungen (18, 20), und wobei das Meßsy­ stem (24) durch eine Öffnung (48, 50) an einer Außenseite (40, 42) des Körpers (12) in diesen eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Meßsystem (24) mit dem Körper (12) an einer Stelle verbunden ist, die fern von einer äußeren Oberfläche (38) des Körpers (12) ist, indem das zumindest eine Meßsystem (24) von der Seite (40, 42) mit der kleineren Abmessung in den Körper (12) einge­ baut ist.

2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, und daß das zumindest eine Meßsystem (24) von einer Schmalseite (40, 42) des Körpers (12) her in den Körper (12) eingebaut ist.

3. Kraftaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Meßsystem (24) einen Dehnungsmeß­ streifen (26, 28) aufweist, und daß der Dehnungsmeßstrei­ fen (26, 28) mit seiner Ebene parallel zur Längsachse (18) und zur Schmalseite (40, 42) des Körpers (12) angeordnet ist.

4. Kraftaufnehmer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßsystem (24) zumindest einen elektri­ schen Anschluß aufweist, der an der Schmalseite (40, 42) des Körpers (12) angebracht ist.

5. Kraftaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Anschluß in den Körper (12) ver­ senkt ist.