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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seilzugsensor mit einem von einer Seiltrommel abrollbaren Messseil nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1. Die weiteren Schutzansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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STAND DER TECHNIK
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Seilzugsensoren dienen zur Erfassung und Messung linearer Wegstrecken. Dabei wird ein Messseil durch ein bewegtes Objekt idealerweise senkrecht aus dem Sensorgehäuse heraus- bzw. über einen im Sensor integrierten Rückstellmechanismus - im Folgenden Federantrieb genannt - in das Gehäuse hineingezogen und meist einlagig auf einer Seiltrommel aufgewickelt. Ein Encoder, insbesondere ein Drehwinkelgeber, steht in Wirkverbindung mit der Seiltrommel und erzeugt ein Signal, welches zur Ermittlung der auf- oder abgewickelten Seillänge geeignet ist.
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In den deutschen Patent- und Gebrauchsmusterschriften
DE 198 59 445 A1 ,
DE 199 25 364 C3 ,
DE 298 03 061 U1 und
DE 295 19 809 U1 werden Seilzugsensoren beschrieben, die übliche Federantriebe verwenden. Diese Federantriebe bestehen aus mindestens einer spiralig gewickelten und vorgespannten Bandfeder, deren äußeres Ende sich gegen das Gehäuse des Federantriebs abstützt. Das innere Ende ist an der Federwelle fixiert. Die Federwelle ist meist starr mit der Seiltrommel verbunden, welche ihrerseits in Wirkverbindung mit dem Messseil steht.
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Die vorgespannte Feder übt über die Seilwelle ein Drehmoment auf die Seiltrommel aus, welches das Messseil mit einer in Einzugsrichtung wirkenden Kraft beaufschlagt. Dieser Kraft gegenüber stehen eine Auszugskraft bei Herausziehen des Messseils aus dem Seilzugsensor bzw. eine Haltekraft, wenn die Seilbefestigung auf dem Seilaustritt aufliegt.
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Der Nachteil einer derartigen Gestaltung des Federantriebs besteht darin, dass die Feder in ihren Bewegungen hierbei keiner nennenswerten äußeren Dämpfung durch das sie umgebende Medium Luft unterliegt. Das kann bei einer Betriebsstörung des Seilzugsensors, wie einem unkontrolliert zurückschnellenden Messseil, zu Schäden an den bewegten Komponenten des Sensors führen.
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Die Feder, auf die im Fall eines zurückschnellenden Messseils keinerlei entgegengerichtete Kraft mehr einwirkt, wandelt innerhalb kürzester Zeit ihre gesamte gespeicherte mechanische Energie in Bewegungsenergie um. Dies bewirkt unmittelbar eine starke Beschleunigung der bewegten mechanischen Sensorkomponenten. Als häufige Folge davon springt das Messseil von der Seiltrommel ab, wodurch die Mechanik des Seilzugsensors blockiert wird. Daneben besteht die Gefahr, dass die Feder aufgrund der unkontrollierten Energiefreisetzung bricht und unbrauchbar wird.
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Ebenfalls zum Stand der Technik gehören Federantriebe, die als eigenständiges Modul und im vorgespannten Zustand an einen Seilzugsensor montiert werden können, wodurch der Austausch defekter Federantriebe erheblich vereinfacht wird. Die internationale Patentschrift
WO 2007/095932 A1 behandelt einen derartigen Mechanismus. Der bereits beschriebene Nachteil herkömmlicher Federantriebe, aufgrund zu geringer äußerer Dämpfung anfällig für Betriebsstörungen zu sein, wird allerdings auch hier nicht behoben.
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Eine Verbesserung stellt in dieser Hinsicht die deutsche Patentschrift
DE 198 39 027 C1 dar. Sie beschreibt einen Seilzugsensor, der über eine auf die Drehfeder bzw. die Seiltrommel wirkende Bremse verfügt. Diese Bremse kann sowohl in Form einer Wirbelstrom- oder Magnetbremse als auch in Form einer nicht näher spezifizierte Fluid- bzw. Luftbremse ausgeführt sein und verhindert ein zu schnelles oder unkontrolliertes Einziehen des Messseils.
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Ferner ist aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 200 01 633 U1 ein elektrisches Messwerk bekannt, das über eine Spiralfeder verfügt. Diese Spiralfeder befindet sich in einem mit Dämpfungsöl gefüllten Aufnahmeraum und ist ganz in das Dämpfungsöl eingetaucht, was sie vor Beschädigungen schützt.
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Negativ an den beschriebenen Fluiddämpfungssystemen ist die fehlende Variabilität der erzeugten Dämpfung. Diese ist laut der Informationen, die die aufgeführten Patent- und Gebrauchsmusterschriften zur Verfügung stellen, hauptsächlich abhängig vom verwendeten Dämpfungsmedium, wodurch sich die Dämpfung und damit das dynamische Verhalten des Seilzugsensors nur schwer an unterschiedliche Anwendungsfälle anpassen lässt.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Seilzugsensor mit Federantrieb zur Verfügung zu stellen, der die aufgezeigten Schwächen behebt.
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LÖSUNG DER AUFGABE
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Zur Lösung der Aufgabe führen die Merkmale der aufgeführten Schutzansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Seilzugsensor dient zur Erfassung linearer Wegstrecken. Er besteht aus einem Gehäuse, welches einen Seilaustritt enthält. Durch diesen Seilaustritt wird ein Messseil über eine Seilbefestigung, welche an einem bewegten Objekt fixiert ist, aus dem Sensor heraus- oder in ihn hineinbewegt. Ein neuartiger, mechanischer Federantrieb, der sich am Gehäuse befindet, erzeugt eine näherungsweise konstante, auf das Messseil wirkende Einzugskraft, die das Messseil bei nicht wirkender Auszugskraft auf eine im Gehäuse befindliche Seiltrommel meist einlagig aufwickelt. Am Gehäuse befindet sich zudem ein Signalgeber. Dieser wandelt die Drehbewegung der Seiltrommel, welche bei einlagiger Wicklung zur Linearbewegung des Messseils proportional ist, in ein Messsignal um.
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Der Federantrieb ist als in sich geschlossene und zur Umwelt abgedichtete Einheit ausgeführt. Die Dichtung erfolgt über die Verwendung eines statischen und eines dynamischen Dichtelements. Das statische Dichtelement, vorzugsweise ein O-Ring, befindet sich in einer Nut im Federgehäuse und dichtet zwischen diesem und der aufgeschraubten Verschlussplatte. Das dynamische Dichtelement, vorzugsweise ein Wellendichtring, ist in der Verschlussplatte angebracht und dichtet diese zur Federwelle ab.
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In das Federgehäuse sind zwei Überströmscheiben aus Kunststoff eingelegt. Zwischen den Überströmscheiben befindet sich eine spiralig aufgewickelte Bandfeder, die von den beiden Überströmscheiben in radialer Richtung geführt wird, wobei gleichzeitig Axialbewegungen der Feder unterbunden werden.
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Das äußere Ende der Feder ist im Federgehäuse fixiert, das innere Ende der Feder in einer entsprechend ausgeprägten Nut in der Federwelle. Über diese Verbindung wird durch eine Drehbewegung der Federwelle die Feder gespannt oder entspannt bzw. die Federwelle durch die Vorspannung der Feder in Drehung versetzt.
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Die Federwelle ist an einem Ende drehbar gelagert, während das andere Ende durch die Verschlussplatte aus dem Federantrieb herausragt. An diesem Ende der Federwelle befindet sich eine weitere Nut. Über sie kann die Federwelle auf einfachem Weg über einen Federwellenadapter im Gehäuse des Seilzugsensors mechanisch angekoppelt und somit eine Wirkverbindung zwischen Federantrieb und Seilzugsensor erstellt werden.
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Um den Federantrieb mit dem Seilzugsensor zu verbinden, ist die Federwelle durch eine Öffnung im Gehäuse des Seilzugsensors zu führen und mit dem Federwellenadapter zu koppeln. Anschließend wird die Feder durch Drehen des Federantriebs vorgespannt und der Federantrieb mit dem Seilzugsensor verschraubt.
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Im oberen Bereich des Gehäuses des Federantriebs ist eine mit einer selbstdichtenden Schraube verschlossene Bohrung eingebracht. Über diese kann der Federantrieb mit einem Dämpfungsmedium, vorzugsweise niedrigviskosem Hydrauliköl befüllt bzw. das Dämpfungsmedium aus dem Federantrieb abgelassen werden. Die Befüllung des Federantriebs mit Hydrauliköl dämpft die Bewegungen der Feder ab. Hierzu ist ein Lochmuster in die Überströmscheiben eingebracht, durch das das Dämpfungsmedium, das bei den Bewegungen der Feder verdrängt wird, in dahinterliegende Hohlräume in Gehäuse und Verschlussplatte fließen kann. Ähnlich wie bei Stoßdämpfern, ist die Dämpfungswirkung des Mediums, neben der Art des Mediums selbst, von der Geschwindigkeit, mit der sich die Feder zusammenzieht oder entspannt und der Ausprägung des Lochmusters abhängig. Je schneller die Bewegung der Feder erfolgt bzw. je stärker die Überströmscheiben das Dämpfungsmedium am Durchfließen hindern, desto ausgeprägter ist die Dämpfungswirkung des Mediums auf die Feder.
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Die Folgen von Betriebsstörungen, wie dem beschriebenen zurückschnellenden Messseil, können mit diesem Dämpfungsmechanismus effektiv abgemildert werden. Dadurch lassen sich die Lebensdauer des gesamten Seilzugsensors erhöhen und mechanische Funktionsstörungen, wie eine Deformation bzw. ein Bruch der Feder vermeiden. Zudem ist es möglich, durch geeignete Wahl des Dämpfungsmediums oder durch geeignete Gestaltung des Lochmusters in den Überströmscheiben, die Dynamik des Seilzugsensors gezielt zu verändern und den Sensor auf diesem Weg besser an spezielle Anwendungsfälle anzupassen.
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ANWENDUNGSGEBIET
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Der Seilzugsensor eignet sich für die Messung linearer Wegstrecken. Ein Beispiel wäre die Messung der zurückgelegten Strecke eines aus- oder einfahrenden Kranauslegers.
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ZEICHNUNGEN
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Figurenliste
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- 1 zeigt den erfindungsgemäßen Seilzugsensor in einer isometrischen Ansicht von hinten.
- 2 zeigt des erfindungsgemäßen Seilzugsensor aus 1 in einer isometrischen Ansicht von vorne.
- 3 zeigt den Federantrieb des erfindungsgemäßen Seilzugsensors aus 1 in einer isometrischen Ansicht von vorne.
- 4 zeigt einen Schnitt durch den Federantrieb des erfindungsgemäßen Seilzugsensors aus 1.
- 5 zeigt einen weiteren Schnitt durch den Federantrieb des erfindungsgemäßen Seilzugsensors aus 1 und dient der Verdeutlichung von Form und Lage der Feder.
- 6 zeigt einen Schnitt durch die relevanten Komponenten des erfindungsgemäßen Seilzugsensors aus 1.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 wird der erfindungsgemäße Seilzugsensor S gezeigt. Der Seilzugsensor S dient der Erfassung linearer Wegstrecken. Er weist ein Gehäuse 1 auf, auf das ein Seilturm 4 montiert ist. Durch den Seilturm 4 verläuft das Messseil 2, an dessen einem Ende sich eine Seilbefestigung 3 befindet, mit deren Hilfe das Messseil 2 an einem Messobjekt fixiert und durch eine Kraft Fa ausgezogen werden kann. An den Seilzugsensor S ist ein Federantrieb F montiert. Dessen Federgehäuse 6 ist über eine Verschlussplatte 8 druck- und mediendicht gegenüber der Umwelt verschlossen. Im oberen Bereich des Federgehäuses 6 befindet sich eine selbstdichtende Schraube 7. Über diese kann der Federantrieb F mit einem Dämpfungsmedium, vorzugsweise niedrigviskosem Hydrauliköl gefüllt werden. Das Entleeren des Federantriebs F erfolgt durch dieselbe verschließbare Öffnung.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Federantriebs F sieht zusätzlich ein Entlüftungssystem oder -ventil vor, über welches die Luft, die durch das Dämpfungsmedium im Federantrieb F verdrängt wird, entweichen kann.
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2 zeigt den Seilzugsensor S in einer anderen Ansicht, mit einem an das Sensorgehäuse 1 montierten Signalgeber 5, vorzugsweise einem Drehwinkelgeber. Der Signalgeber 5 steht in Wirkverbindung mit der Seiltrommel 15 und erzeugt ein zu Drehbewegung und Drehrichtung der Seiltrommel 15 proportionales Ausgangssignal.
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In 3 ist das in sich geschlossene und zur Umwelt abgedichtete Modul Federantrieb F dargestellt. Es besteht äußerlich aus einem Federgehäuse 6, auf das eine Verschlussplatte 8 montiert ist. Durch eine Öffnung in der Verschlussplatte 8 ragt die Federwelle 9. Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Seilzugsensors S sieht an der Federwelle 9 eine Nut N2 vor. Über diese kann der Federantrieb F an die Mechanik des Seilzugsensors S angekoppelt werden.
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Den inneren Aufbau des Federantriebs F zeigt 4. Die Federwelle 9 ist an ihrem rechten Ende in einem Wälzlager 14 drehbar gelagert. Andernends ist sie durch eine in der Verschlussplatte 8 sitzende dynamische Dichtung 13 gegen Austreten des im Federantrieb F befindlichen Dämpfungsmediums abgedichtet. Eine zusätzliche statische Dichtung 12 ist in eine Nut im Federgehäuse 6 eingebracht und dichtet dieses zur Verschlussplatte 8 ab.
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In einer Nut N1 in der Federwelle 9 befindet sich, wie in 5 dargestellt, ein Ende der spiralig aufgewickelten Bandfeder 10. Das andere Ende der Feder 10 ist im Federgehäuse 6 fixiert. Somit ist es möglich, die Feder 10 durch Drehen der Federwelle 9 je nach Drehrichtung zu spannen oder zu entspannen. Umgekehrt ist es ebenso möglich, die Federwelle 9 durch die vorgespannte Feder 10 in Drehung zu versetzen.
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In 5 ist die Feder 10 im entspannten Zustand abgebildet. Wird sie durch Drehen der Federwelle 9 gespannt, wickeln sich die Windungen, die im Außenbereich der Feder 10 auf Block liegen, spiralig nach innen um die Federwelle 9. Durch diese Bewegungen wird das Dämpfungsmedium, welches die Freiräume zwischen den Windungen ausfüllt, verdrängt. Zugleich werden unerwünschte schwingende Bewegungen der abwickelnden Windungen, welche die primäre Wickelbewegung überlagern, abgedämpft. Die Feder 10 schwingt hierbei in radialer und axialer Richtung bezogen zur Rotationsachse der Federwelle 9.
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Die Feder 10 ist von zwei Überströmscheiben 11 eingefasst. Diese dienen der Abstützung der Feder 10 in axialer Richtung, bei gleichzeitiger Führung der Federbewegung in radialer Richtung. In den Überströmscheiben 11 befinden sich Lochmuster, durch die das Dämpfungsmedium, das bei den Bewegungen der Feder 10 verdrängt wird, strömen kann. Rotationssymmetrische Hohlräume H, die sich sowohl im Federgehäuse 6, als auch in der Verschlussplatte 8 befinden, nehmen das durch die Überströmscheiben 11 fließende Dämpfungsmedium auf. Aus diesen Hohlräumen H kann das verdrängte Dämpfungsmedium ebenfalls wieder in die Räume zwischen den Federwindungen zurückströmen.
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Der Massenstrom des Dämpfungsmediums, der durch die Überströmscheiben 11 fließt, ist neben der Geschwindigkeit, mit der sich die Feder 10 zusammenzieht oder entspannt, vor allem von der Gestaltung der Lochmuster in den Überströmscheiben 11 abhängig. Je ausgeprägter die Lochmuster sind und je weniger das Dämpfungsmedium somit am Fluss durch die Überströmscheiben 11 gehindert wird, desto geringer ist die Dämpfungswirkung des Mediums auf die Feder 10. Umgekehrt wird die Feder 10 in ihrer Bewegung umso stärker behindert, je weniger Löcher die Muster umfassen bzw. je kleiner diese sind.
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Seilzugsensor S und Federantrieb F in gekoppeltem Zustand zeigt 6. Die Federwelle 9 ist hierbei in einem weiteren Wälzlager 14 im Gehäuse 1 des Seilzugsensors S gelagert. Über die Nut N2 nimmt die Federwelle 9 in dieser Ausführungsform einen Stift 18 auf, der in einem Federwellenadapter 16 fixiert ist. Daneben sind noch andere Möglichkeiten denkbar, die Federwelle 9 mit dem Federwellenadapter 16 zu verbinden, etwa mithilfe einer Passfeder.
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Der Federwellenadapter 16 ist seinerseits mit der Seiltrommel 15 verbunden. Somit besteht eine Wirkverbindung zwischen Seiltrommel 15, Federwelle 9 und vorgespannter Feder 10. Wird das Messseil 2, welches in dieser Ausführungsform einlagig 17 auf der Seiltrommel 15 aufgewickelt ist, über die Seilbefestigung 3 aus dem Seilzugsensor S ausgezogen, hat das eine Drehbewegung der Seiltrommel 15 zur Folge. Diese Drehbewegung wird über den Federwellenadapter 16 und dessen formschlüssige Stiftverbindung 18 mit der Federwelle 9 auf die Feder 10 übertragen, wodurch die Feder 10 weiter gespannt und aufgrund der Federbewegung das Dämpfungsmedium verdrängt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse des Seilzugsensors
- 2
- Messseil
- 3
- Seilbefestigung
- 4
- Seilturm
- 5
- Signalgeber
- 6
- Federgehäuse
- 7
- Selbstdichtende Schraube
- 8
- Verschlussplatte
- 9
- Federwelle
- 10
- Feder
- 11
- Überströmscheibe
- 12
- Statische Dichtung
- 13
- Dynamische Dichtung
- 14
- Wälzlager
- 15
- Seiltrommel
- 16
- Federwellenadapter
- 17
- Einlagige Seilwicklung
- 18
- Stift
- F
- Federantrieb
- Fa
- Auszugskraft
- H
- Hohlraum
- N1
- Nut in der Federwelle zum Ankoppeln an den Federwellenadapter
- N2
- Nut in der Federwelle zur Aufnahme der Feder
- S
- Seilzugsensor
