DE102008058758A1 - Force transducer for actuated with a hydraulic cylinder support arm - Google Patents
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Abstract
Mit einem Arbeitszylinder koppelbarer Kraftaufnehmer (10) zur Bestimmung von Zug- und/oder Druckkräften (F), die durch einen Arbeitszylinder, vorzugsweise einen Hydraulikzylinder, insbesondere in Form von Abstützkräften ausgeübt werden, wobei der Kraftaufnehmer (10) einen Abschnitt (12) aufweist, der im Wesentlichen kugelförmig und zur Aufnahme in einer Gelenkpfanne ausgebildet ist, wobei der kugelförmige Abschnitt (12) auf einer einem Kolben (20) zugewandten Seite in einen im Wesentlichen ringförmigen Flanschabschnitt (14) übergeht, der angepasst ist, an einen Kolben (20) des Zylinders angebracht zu werden, wobei eine dem Kolben (20) zugewandte Innenfläche des ringförmigen Flanschabschnitts (14), die sich an einen Übergangsbereich (16) zwischen dem Flanschabschnitt und dem kugelförmigen Abschnitt (12) anschließt, zur Aufnahme eines elektrischen Messsystems (30) angepasst ist.With a working cylinder coupled force transducer (10) for determining tensile and / or compressive forces (F), which are exerted by a working cylinder, preferably a hydraulic cylinder, in particular in the form of supporting forces, wherein the force transducer (10) has a portion (12) which is substantially spherical in shape and adapted to be received in a socket, the spherical portion (12) on a side facing a piston (20) merging into a substantially annular flange portion (14) adapted to a piston (20 ) of the cylinder, an inner surface of the annular flange portion (14) facing the piston (20) adjoining a transition region (16) between the flange portion and the spherical portion (12) for receiving an electrical measuring system (30 ) is adjusted.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit einem Arbeitszylinder kombinierbaren Kraftaufnehmer zur Bestimmung von Zug- und/oder Druckkräften, die durch den Arbeitszylinder, vorzugsweise einen Hydraulikzylinder, insbesondere in Form von Stützkräften, ausgeübt werden. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Arbeitszylinder mit einem entsprechenden Kraftaufnehmer, der kolbenseitig montiert ist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen Stützfuß mit einem entsprechenden Hydraulikzylinder.The The present invention relates to a combinable with a working cylinder Force transducer for determining tensile and / or compressive forces, through the working cylinder, preferably a hydraulic cylinder, especially in the form of supporting forces exercised become. Furthermore, the present invention relates to a working cylinder with a corresponding load cell mounted on the piston side is. Moreover, the present invention relates to a Support foot with a corresponding hydraulic cylinder.
Im
Stand der Technik sind Messachsen bekannt, die in einem Gelenk eines
Stützauslegers für schweres Arbeitsgerät,
wie zum Beispiel eines Lastkraftwagens mit integrierter Betonpumpe,
zwischen einem horizontal orientierten Schubholm und einem vertikal
orientierten Stützzylinder angeordnet sind. Solche Messachsen
sind gegenüber parasitären Kräften anfällig,
insbesondere bei einer Krafteinleitung schräg zur Längsachse
des Stützzylinders. Exemplarisch ist eine derartige Messachse
in der
Ein
weiterer Ansatz zur Bestimmung von Abstützkräften
zum Zwecke einer Kippsicherung eines mobilem Arbeitsgeräts
ist in der
Problematisch bei den eben genannten Ansätzen (Messachse und ringförmigem Kraftaufnehmer) ist die große Anfälligkeit gegenüber parasitären Effekten. Parasitäre Effekte können insbesondere auftreten, wenn der Stützzylinder maximal ausgefahren ist. Parasitäre Effekte können auch auftreten, wenn eine Krafteinleitung mit einem größeren Winkel relativ zur Längsachse des Stützzylinders erfolgt.Problematic in the aforementioned approaches (measuring axis and annular Force transducer) is the major susceptibility to parasitic effects. Parasitic effects can especially occur when the support cylinder maximum is extended. Parasitic effects can also occur when a force application with a larger Angle relative to the longitudinal axis of the support cylinder he follows.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Kraftaufnehmer vorzusehen, der gegenüber parasitären Effekten weniger anfällig ist.It is therefore an object of the present invention, an improved Provide force transducer, the opposite parasitic Less prone to effects.
Diese Aufgabe wird mit einem Kraftaufnehmer zur Bestimmung von Zug- und/oder Druckkräften gelöst, die durch einen Arbeitszylinder, vorzugsweise einen Hydraulikzylinder, insbesondere in Form von Abstützkräften ausgeübt werden können, wobei der Kraftaufnehmer einen Körper aufweist, der einen im Wesentlichen kugelförmig, zur Aufnahme in einer Gelenkpfanne eines Abstütztellers ausgebildeten Abschnitt und einen im Wesentlichen ringförmigen Flanschabschnitt aufweist, wobei der Flanschabschnitt angepasst ist, mit einem Kolben des Arbeitszylinders verbunden zu werden, wobei eine, insbesondere dem Kolben zugewandte Innenfläche des ringförmigen Flanschabschnitts, die sich an einen Übergangsbereich zwischen dem Flanschabschnitt und dem kugelförmigen Abschnitt anschließt, zur Aufnahme eines elektrischen Messsystems angepasst ist.These Task is with a force transducer for the determination of train and / or Pressure forces released by a working cylinder, preferably a hydraulic cylinder, in particular in the form of supporting forces can be exercised, the force transducer a body having a substantially spherical, for inclusion in a socket of a support plate formed section and a substantially annular Flange portion, wherein the flange portion adapted is to be connected to a piston of the working cylinder, wherein an, in particular the piston facing inner surface the annular flange portion, which adjoins a transition region between the flange portion and the spherical portion connects, for receiving an electrical measuring system is adjusted.
Durch die kugelförmige Ausgestaltung des Körpers des Kraftaufnehmers können Unebenheiten im Untergrund nahezu vollständig kompensiert werden, da der Abstützteller beliebig um die Kugel gedreht werden kann. Die Krafteinleitungsrichtung ist im Wesentlichen koaxial zur Längsachse des Kraftaufnehmers bzw. des Arbeitszylinders orientiert. Der Arbeitszylinder hat seine Längsachse koaxial mit der Längsachse des Kraftaufnehmers ausgerichtet. Selbst wenn ein Abstützteller eines Stützauslegers auf einem geneigten Untergrund steht, ist die Krafteinleitungsrichtung doch immer dieselbe. Der Abstützteller weist dazu vorzugsweise eine pfannenartige Ausnehmung zur Aufnahme des kugelförmigen Körpers des Kraftaufnehmers auf.By the spherical configuration of the body of the Force transducer can almost unevenness in the ground be fully compensated, since the support plate can be rotated arbitrarily around the ball. The force introduction direction is substantially coaxial with the longitudinal axis of the force transducer or the working cylinder oriented. The working cylinder has its Longitudinal axis coaxial with the longitudinal axis of the force transducer aligned. Even if a support plate of a support arm on is an inclined surface, is the force introduction direction but always the same. The support plate preferably has for this purpose a pan-like recess for receiving the spherical body of the force transducer.
Weil die Kraft zwischen dem Kraftaufnehmer und dem Arbeitszylinder bzw. der Kolbenstange des Arbeitszylinders gemessen wird – und nicht wie bei den Messachsen gemäß dem Stand der Technik in Gelenkpunkten der Stützausleger selbst –, ist eine Flächenpressung, die zu parasitären Messeffekten führt, insbesondere wenn Dehnungsmessstreifen (DMS) verwendet werden, verringert, wenn es zu einer Krafteinleitung schräg zur bevorzugten Krafteinleitungsrichtung (in der Regel parallel zur Längsachse) kommt. Parasitäre Effekte kommen weniger stark zum Tragen.Because the force between the force transducer and the working cylinder or the piston rod of the working cylinder is measured - and not as in the measuring axes according to the state of Technology in articulation points of the outriggers themselves - is a surface pressure that leads to parasitic measuring effects, especially when strain gages (DMS) are used, if it is to a force application obliquely to the preferred Force introduction direction (usually parallel to the longitudinal axis) comes. Parasitic effects are less significant.
Ferner ist es bevorzugt, wenn ein Außendurchmesser des ringförmigen Flanschabschnitts im Wesentlichen gleich einem Außendurchmesser des Kolbens ist.Furthermore, it is preferable if an exterior diameter of the annular flange portion is substantially equal to an outer diameter of the piston.
Da der Kraftaufnehmer in der Regel direkt am Kolben bzw. an einer Kolbenstange angebracht wird, ist ein nahezu deckungsgleicher Querschnitt der Verbindungsflächen wünschenswert, so dass es zu keinen Überhängen kommt, die schlimmstenfalls eine Hubbewegung des Zylinders stören bzw. verhindern. Probleme mit der Abdichtung ergeben sich somit auch nicht.There the force transducer usually directly on the piston or on a piston rod is attached, is a nearly congruent cross section of Connecting surfaces desirable, so it too no overhangs, in the worst case one Disturbing or preventing the lifting movement of the cylinder. issues with the seal thus do not arise.
Ferner ist es von Vorteil, wenn sich der Flanschabschnitt senkrecht zu einer Längsachse des Arbeitszylinders, und somit zur Mittelachse des Kraftaufnehmers, erstreckt.Further It is advantageous if the flange portion perpendicular to a longitudinal axis of the working cylinder, and thus to the central axis of the force transducer extends.
Auf diese Weise bildet sich eine Art Steg zwischen dem kugelförmigen Abschnitt und einem äußeren Bereich des ringförmigen Flanschabschnitts aus, der sich hervorragend als Anbringungsort für das elektrische Messsystem eignet. Hier finden die größten Verformungen (Dehnungen und Stauchungen) statt, so dass ein zufriedenstellend großes Messsignal insbesondere bei der Verwendung von DMS erzeugt werden kann. Es versteht sich, dass neben DMS auch andere elektrische Messsysteme verwendet werden können. Die DMS können aufgeklebt oder gesputtert werden.On this way a kind of bridge forms between the spherical one Section and an outer portion of the annular Flange section, which is excellent as a mounting location suitable for the electrical measuring system. Here are the biggest Deformations (strains and compressions) take place, making a satisfactory large measurement signal, especially when using DMS can be generated. It is understood that in addition to DMS also others electrical measuring systems can be used. The DMS can be glued or sputtered.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Flanschabschnitt mehrteilig ausgebildet und weist einen äußeren Flanschmantel und ein inneres, vorzugsweise mit einem T-förmigen Querschnitt ausgebildetes, Stempelelement auf, welches in einem Innenhohlraum des Flanschmantels, vorzugsweise mittels eines Gegenhalters, derart fixierbar ist, dass ein, in einem zusammengebauten Zustand des Flanschabschnitts im Wesentlichen axial orientiertes, Stützglied des Stempelelements mittig, vorzugsweise bündig, an einem Boden des Innenraums anliegt und dass ein im Wesentlichen radial orientiertes Membranglied des Stempelelements, an welches das Stützglied mittig und im Wesentlichen senkrecht anschließt, an eine in Umfangsrichtung verlaufende, nach innen vorstehende Stufe des Flanschmantels anliegt, wobei das elektrische Messsystem an dem Membranglied angebracht wird.at A further advantageous embodiment is the flange portion formed in several parts and has an outer Flange jacket and an inner, preferably with a T-shaped Cross-section formed, stamp element, which in a Inner cavity of the flange jacket, preferably by means of a counter-holder, is fixable such that one, in an assembled state the flange portion substantially axially oriented, support member the stamp member centrally, preferably flush, on a Floor of the interior rests and that a substantially radially oriented Membrane member of the stamp member to which the support member centered and substantially perpendicular connects to one extending in the circumferential direction, inwardly projecting step of Flange jacket rests, the electrical measuring system on the Membrane member is attached.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die DMS geschützt im Inneren des Stützfußadapters sitzen, der den Arbeitszylinder mit dem Abstützteller verbindet. Die Krafteinleitung erfolgt zentriert im Bereich des Stempelelements. Die Membran des Stempelelements kann kleinste Veränderungen detektierbar machen. Es werden gute Messsignale bei guter Auflösung, d. h. hoher Linearität, erzielt. Das Messsystem ist gegenüber äußeren Umwelteinflüssen geschützt und trotzdem auf einfache Weise zu warten und austauschbar. Selbst schräge Krafteinleitungen lassen sich gut erfassen und führen zu wenigen bis gar keinen parasitären Störungen.These Embodiment has the advantage that the DMS protected sit inside the support foot adapter that holds the Working cylinder with the support plate connects. The force application is centered in the area of the stamp element. The membrane of the Stamp element can detect smallest changes do. It will be good measurement signals with good resolution, d. H. high linearity, achieved. The measuring system is opposite to outer Protected against environmental influences and still simple Way to wait and interchangeable. Even let slanted force capture well and lead to few to none parasitic interference.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform definieren der kugelförmige Abschnitt und der Flanschabschnitt einen halbseitig offenen Raum, der in einem am Zylinder montierten Zustand durch den Kolben im Wesentlichen verschlossen wird.According to one Another preferred embodiment of the spherical define Section and the flange portion of a half-open space, the in a state mounted on the cylinder by the piston substantially is closed.
Auf diese Weise kann ein Raum zwischen dem Kraftaufnehmer und einem Zylinder bzw. Kolben definiert werden, der gegenüber äußeren Umwelteinflüssen abgeschottet ist. Verunreinigungen, Nasse, Temperaturschwankungen und dergleichen haben nahezu keine Auswirkungen auf das elektrische Messsystem. Das elektrische Messsystem ist vorzugsweise hermetisch gegenüber der Außenwelt abgeschottet. Nichtsdestotrotz kann eine Wartung oder ein Austausch des elektrischen Messsystems auf einfache Art und Weise geschehen, wenn der Kraftaufnehmer beispielsweise an die Kolbenstange angeschraubt ist. Zum Austauschen bzw. Warten des elektrischen Messsystems müssen lediglich die entsprechenden Schrauben gelöst werden, um den kugelförmigen Kraftaufnehmer von der Kolbenstange zu lösen. Danach ist das elektrische Messsystem frei zugänglich.On this way can be a space between the force transducer and a Cylinder or piston are defined, the opposite outer Environmental influences is foreclosed. Impurities, wet, temperature fluctuations and the like have almost no effects on the electrical measuring system. The electrical measuring system is preferably hermetically opposed isolated from the outside world. Nevertheless, one can Maintenance or replacement of the electrical measuring system to simple Way done when the load cell, for example is screwed to the piston rod. To replace or wait of the electrical measuring system need only the appropriate Bolts are loosened to the spherical Release load cell from piston rod. After that is the electrical measuring system freely accessible.
Auch ist es von Vorteil, wenn der kugelförmige Abschnitt im Inneren um eine Mittelachse des Kraftaufnehmers eine Ausnehmung aufweist.Also it is advantageous if the spherical section in the Inner to a center axis of the force transducer a recess having.
Durch die Gestalt der Ausnehmung, die sich in diesem Sinne innen im Kraftaufnehmer befindet, kann die Materialstärke insbesondere im Bereich des Übergangsbereichs beliebig gewählt und geformt werden. Die Materialstärke in diesem sich dehnenden und/oder staufenden Bereich des Kraftaufnehmers hat Einfluss auf die Linearität sowie die Hysterese des Messsignals.By the shape of the recess, which is in this sense inside the force transducer In particular, the material thickness can be in the range of the transition region are arbitrarily selected and shaped. The material thickness in this stretching and / or buffing Range of the force transducer has an influence on the linearity as well as the hysteresis of the measuring signal.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der kugelförmige Abschnitt und der Flanschabschnitt einstückig ausgebildet.According to one Another preferred embodiment are the spherical Section and the flange portion formed integrally.
Eine einstückige Ausbildung des kugelförmigen Abschnitts und des Flanschabschnitts des Kraftaufnehmers vereinfachen deren Herstellung und Bearbeitung. Wenn der Kraftaufnehmer insbesondere aus Vollmaterial hergestellt wird, wie zum Beispiel Edelstahl, können entsprechende Formen bzw. Ausnehmungen leicht herausfräst werden.A integral formation of the spherical portion and the flange portion of the force transducer simplify their Production and processing. If the force transducer in particular off Solid material is produced, such as stainless steel slightly milled out corresponding shapes or recesses become.
Optional kann ferner ein elektrisches Kraftmesssystem umfasst sein, das vorzugsweise Dehnungsmessstreifen aufweist, wobei das Messsystem an einer innenseitigen Fläche des ringförmigen Flanschabschnitts angebracht ist, die senkrecht zu einer Mittelachse des Körpers orientiert ist, und zwar in einem Bereich, der vorzugsweise außerhalb eines Übergangsdurchmessers liegt.Optionally, there may further be included an electric force measuring system, preferably comprising strain gauges, the measuring system being mounted on an inside surface of the annular flange portion oriented perpendicular to a central axis of the body, in one nem area, which is preferably outside a transition diameter.
Wenn das Messsystem an diesem Ort angebracht wird, können die besten Messsignale erzeugt werden. Dies sind nämlich die Orte der größten Dehnung und/oder Stauchung.If the measuring system is attached to this place, the best measurement signals are generated. These are the Places of greatest elongation and / or compression.
Ferner kann der Flanschabschnitt einen zylinderförmigen Körper aufweisen, der mindestens zwei in axialer Richtung verlaufende Öffnungen zur Aufnahme des elektrischen Messsystems aufweist.Further For example, the flange portion may have a cylindrical body having at least two openings extending in the axial direction having for receiving the electrical measuring system.
Hier wird das Messprinzip ähnlich einer Kraftmessdose ausgenutzt. Es können beliebig viele Messzonen in den Körper des Flanschabschnitts integriert werden. Die DMS, die an der Innenwand der Messzonen befestigt werden, sind gegenüber äußeren Einflüssen geschützt. Der Kraftaufnehmer ist vorzugsweise mehrteilig aufgebaut, was sich in einer einfacheren Herstellung der einzelnen Komponenten bemerkbar macht.Here the measuring principle is used similar to a load cell. There can be any number of measurement zones in the body the flange portion are integrated. The strain gauges attached to the inner wall the measuring zones are attached, are opposite outer Protected influences. The force transducer is preferred constructed in several parts, resulting in a simpler production makes the individual components noticeable.
Das elektrische Messsystem lässt auf einfache Weise von außen an den Innenwandungen der Messzonen anbringen. Je nach Anzahl und Form der Messzonen lässt sich die Form eines mittig verbleibenden Kernstücks des Flanschabschnitts variieren, womit die Größe des Messsignals beeinflusst werden kann.The Electrical measuring system lets in a simple way from the outside attach to the inner walls of the measuring zones. Depending on the number and Shape of the measurement zones can be the shape of a center remaining Centerpiece of the flange section vary, bringing the size of the measurement signal can be influenced.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Kraftaufnehmer kolbenseitig an einem Arbeitszylinder, insbesondere einem Hydraulikzylinder, montiert.According to one Another aspect of the present invention is the force transducer on the piston side on a working cylinder, in particular a hydraulic cylinder, assembled.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein derartiger Hydraulikzylinder bei einem Stützfuß für ein mit Stützauslegern versehenes Arbeitsgerät verwendet.According to one Still another aspect of the present invention will be such Hydraulic cylinder with a support leg for a provided with support arms working device used.
Vorzugsweise weist dieser Stützfuß ferner einen Abstützteller auf, der eine Gelenkpfanne hat, die zur Aufnahme des kugelförmigen Körpers angepasst ist, wobei der Kraftaufnehmer die einzige Verbindung zwischen einer Kolbenstange und dem Stützteller ist.Preferably this support foot also has a support plate on, which has a Gelenkpfanne, which for the admission of the spherical Body is adjusted, with the force transducer is the only one Connection between a piston rod and the support plate is.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend 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.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in each case specified combination, but also in other combinations or can be used in isolation, without the scope of the present To leave invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:embodiments The invention are illustrated in the drawings and in the explained in more detail below description. It demonstrate:
Die
in der in
Der
Kraftaufnehmer
Der
Kraftaufnehmer
Ferner
sind in der
In
Der
Flanschabschnitt
Das
elektrische Messsystem
Das
elektrische Messsystem
Die
Materialstärke – und somit der Kraftfluss – in
diesem Bereich des Kraftaufnehmers
Des
Weiteren ist in
Es
fällt jedoch auf, dass, wenn der Kolben bzw. die Kolbenstange
Bezug
nehmend auf
Der
Kraftaufnehmer
Der
Flanschabschnitt
Der
Flanschabschnitt
Der
Flanschabschnitt
Um
den Kraftaufnehmer
Wenn
der in der
Es
versteht sich, dass der in der
Bezug
nehmend auf
Der
Flanschabschnitt
In
Der
Kraftaufnehmer
Der
Flanschabschnitt
Das
Stempelelement
Der
Innraum
Das
untere, freie Ende des Stützglieds
Es
versteht sich, dass der Vorsprung
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