DE1806668A1 - Druckkraftmessdose mit Druckkoerper - Google Patents
Druckkraftmessdose mit DruckkoerperInfo
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Description
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.
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.
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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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ORlGiNAL
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)
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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