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MEßDOSE ZUR MESSUNG VON STATISOHEN KRÄRTEN, INSBESONDERE VON STÜTZ-REAKTIONSKRÄFTEN
AN EISENBAHN-FAHRZEUCKN Die Erfindung betrifft eine Meßdose zur Messung von statischen
Kräften, insbesondere von Sttltz-Reaktionakräften an Eisenbahn-Pahrzeugen, die ohne
die Gefahr der Beeinträchtigung der Me Bgenaulgkeit auch exzentrisch zu belasten
ist
Die schnelle Entwioklung der Technik brachto auch die wachsende
Bedeutung des Messens von Kräften mit sich.
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Die heute gebräuchlichen Kräfte-Meßeinrichtungen kennen in der betrieblichen
Praxis die Aufgaben nicht erfüllen, die die Entwicklung der Technik an sie stellt.
Die technische Praxis fordert nämlich, daa die Meßeinrichtungen ohne Einfluß der
Änderungen von Begleiterscheinungen immer genau messen, darüber hinaus müssen die
Messungen reproduzierbar sein, unfallaicher und schnell durchffihrbar sein. Es wird
von den Meßeinrichtungen weiterhin verlangt, daß sie nicht groß, darüberhinaus leicht
transportierbar, billig und haltbar sein sollen. Der Haupt fehler der bekannten
Kraft-Meßeinrichtungen ist, dsß sie nicht genau messen. Dis Genauigkeit der bekannten
Mefleinrichtungen und Meßdosen wird von vielen Falctoren beeinflußt. Unter den Einflußfaktoren
der Genauigkeit, der Umwandlungsgenauigkeit treten frost bei allen Fehler der Linearität,
der Hysterese, der Reproduzierbarkeit, das Kriechen in TemperaturabhSngigkeit vom
Nullpunkt, das Kriechen während der Belastung, das Kriechen der Null stellung, sowie
Fehler infolge der Dislokation und in erster Linie der sich durch das einen trische
Einbauen ergebenden seitlichen Belastung bzw. des Biegemomentes.
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Der Fehler entsteht meist durch die ungenügende.
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Herstellgenauigkeit der Einrichtungen, durch die unterschiedlichen
Belastungs-Wirklinien bei einzelnen Messungen, weiterhin durch die wlilirend der
Praktischen Messung herrschenden äusseren Bedingungen - wie z.B. Temperatur, Belastung,
Belastungsdauer usw. - die von den während der Eichmessungen der Meßeinrichtung
vorhandenen äusseren Bedingungen abweichen.
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Die äusseren Abweichungen sind im allgemeinen während der Messung
unbekannt, gleichfalls ihr Einfluß auf
die gegebene Meßeinrichtung,
wodurch auf die Genauigkeit der Meßergebnisse während der Messung nicht geschlossen
werden kann. In der Praxis kann nicht gesichert werden, daß die während der Messung
herrschenden Bedingungen zwecks Erhöhung der Meßgenauigkeit denen während des Eichens
gleich sind., Die bekannten Meßeinrichtungen unternehmen nicht einmal den Versuch
einer Beseitigung des Einflusses durch die äußeren physischen Bedingungen. Bei den
bisher bekannten Einrichtungen wurde die grbßte Aufmerksamkeit der Erreichung einer
absolut zentralen und einachsigen Belastung der Meßdosen geschenkt, doch gelang
es auch in dieeer Hinsioht nicht, eine allen Anforderungen entsprechendeprak tische
Lösung zu finden. Die Haputursache dafUr ist, daß keine so genaue Bearbeitung von
Werkstücken möglich ist, die eine spielfreie Passung der sich ineinander bewegenden
Teile der Meßdose ermöglicht. Demzufolge tritt bei exzentrischer Belastung ein'1)'rehmomentauf,
das Reibung und unvermeidbar auch andere Meßungenauigkeiten verursacht Zum Zwecke
einer anaShernd zentralen und einachsigen Belastung von Meßdosen wurden versuchsweise
Kugelgelenk-Auflagen, Stehlkugel, geradegeführte Gleitflächen, Gleitstangen uaw,
verwendet. Diese machten aber die Meß dosen teuer, kompliziert und erhöhen ihre
Fehlermöglich keiten und ihre Abmessungen Im Falle einer Kugelgelenk-oder Stahlkugel-Lösung
kann leicht ein Ausknicken erfolgen, das Unfälle verursachen kann. Eine in einem
Punkt belastete Meßdose kann nicht eingebaut werden, wenn die Auflage- und Belastungefläche
in einer senkrechten Ebene zueinander verdreht werden können, da sich in solchen
FEllen die Meßdose zwischen der Auflagen- und Belastungsfläche herausschieben kann.
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Die bekannten Meßdosen mit elektrolnechanischen Meßwertumformer messen
genauer als die mit mechanischem Umformer, doch erniedrigt sich ihre Meßgenauigkeit
bei exzentrischer Belastung, sie sind kompliziert, leichter störanfällig, größer,
benötigen eine besondere Energiequelle und sind kostspielIger. Obwohl sie um etwas
genauer messen, entsprechen sie jedoch nicht den ihren heute in der technischen
Praxis gestellten Anforderungen.
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Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Meßdose zur Messung
von statischen Kräften, die auch bei.
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exzentrischar, also bei einer Innerhalb der,Meßdose Drehmoment und
Reibunskräfte hervorrufenden Belastung mit einer bisher unbekannten Genauigkeit
und die auf, die begleitenden Nebenbedingungen der Messung, wie zXB, Temperaturunterschiede
wGhrend der Eichung und der betrieblichen Messung Belattungsdauers Größe der Belastungskraft
usw.
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praktisch unempfindlich ist» Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die
Schaffung einer solchen Meßdoso, die eine geringe Bauhöhe besitzt, nicht stranfällig
ist, zu ihrer Herstellung keine genaue Bearbeitung erfordert und die einen so geringen
Meßfehler besitzt, der praktisch gleich Null gesetzt werden kann, Die Erfindung
erfüllt die gestellten Aufgaben dadurch, daB sie einen die Größe des Druckes der
im Flüssigkeitsraum forhandenen Flüssigkeit, bzw. des im Gasraum vorhandenen Gases
während der Messung kontinuierlich verändernden, während einer Messung den Druck
erhöhenden, anschließend erniedrigenden, mit dem Flüssigkeitsraum durch Fl@ssigkeit
in Verbindung stehenden, Volumen und Druck ändernden Bauteil besitzt, ihr das Volumen
und den Druck ändernder Bauteil aus einem mit Innengewinde veraehenem Zylinder und
einer mit dem Innengewinde des Zylinder verbundenen
Gewindespindel
besteht, weiterhin, daß sie im oberen Teil seines Meßwertumformer-Kolbens eine gegenstandfixierende
Aussparung, in dem unteren Ansatz einen Gas-Hohlraum besitzt.
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Die Erfindung wird in ihren Einzelheiten an Hand des in Zeichnung
skizziertes, Ausführungsbeispieles erläutert.
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Fig, 1 zeigt den Schnitt einer beispielsweisen Ausf4jhrung der erfindungsgemässen
Meßdose.
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Fig. 2 ist die Draufsicht der Meßdose gemäß Fig. 1.
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An einem Gehäuse 1 der Meßdose gemaß derErfindung ist ein Oberteil
2 mittels Schraube 3 b'efetigt. Den luftdichten Abschluß zwischen dem Gehäuse 1
und des Oberteils 2 sichert ein Dichtungsring 4. In der zentralen Bohrung des Oberteils
2 ist ein Meßwertumformer-Kolben 5 untergebracht, dessen unterer Ansatz 6 in einer
im Gehäuse 1 ausgebildeten Bohrung 7 beweglich ist, Die Bohrung 7 wird durch das
Einlegen eines Dichtringes 8 mittels Schraube 9 von unten abgeschlossen und in diesem
oberhalb der Schraube 9 vorhandenen Bohrungsraum 7, sowie in einem Hohlraum 10 des
Ansatzes 6 ist Luft, bzw. gasförmiges Medium vorhanden Ein Dichtring 13 schließt
einen im oberen Teil des Gehäuses 1 ausgebildeten ringförmigen Raum 11 und einen
an den sich anschließenden, im Unterteil des Obergehäuses 2 ausgebildeten Raum 12
von oben ab. Der Dichtring 13 kann aus Leder, Gummi oder ähnlichem Material sein,
der durch einen aus Metall gefertigten Kreisring 14 an der oberen Begrenzungsfäche
des Raume 12 im oberen Gehäuseteil 2, bzw. durch einen Kreisring 15 an der unteren
Fläche des Meßwertumform-Kolben diehten befestigt wird. Infolge der erläuterten
Befestigung des Dichtringes 13 zum oberen
Gehäuseteil 2 und zum
Meßwertumform-Kolben 5 kann der Me2-wertumform-Kolben 5 in der Bohrung des Oberteils
2, ohne dabei die Hohlräume 11 und 12 mit der äußeren Luft in Verbindung zu bringen,
achsiale Bewegung durchführen0 Eine am Obergehäuse 2 angebrachte Bohrung 16 verbindet
die Hohl, räume 11 und 12 mit einem über ein ZwischenstUck 17 am Obergehäuse 2 befestigten
Datenanzeiger oder Datenverarbeitungsinstrument 18. Das Instrument 18 zeigt den
in den Räumen 11 und 12 herrschenden Druck an.
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Eine Bohrung 19 im oberen Gehäuse teil 2 schließt an die Innenbohrung
eines am oberen Teil des Gehäuses 2 befestigten Zwischenstückes 20 an, in das Zwischenstück
20 ist ein mit dem Zylinder 21 mit Innengewinde fest verbundener Feststellkopf 22
eingeschraubt. Der Feststellkopf 22 schafft über seine Bohrungen 23 und 24 Verbindung
zwischen dem Innenraum des Zwischenstückes 20 und einem im Inneren des Zylinders
21 vorhandenen Hohlraumes 25. In den Hohlraum 25 ragt eine Schraube 26, die mittels
eines Drehknopfes 27 oder ähnliches in den Raum 25 ein- oder ausachraubbar ist.
Das äußere Ende des Zylinders 21 ist mit einem Dichtprofil 28 und einer Verschlußkappe
29 luftdicht abgeschlossen.
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Die erfindungsgemäße Meßdose funktioniert folgendermaßen: Uberhalb
der Bohrung 1O' des Raumes 10 ist Luft-oder Gasfüllung, in den Räumen 11 und 12,
sowie in den sich anschließenden Bohruligen 16 und 19, in dem Datenanzeigeinstrument
18 und im Hohlraum 25 ist FlUssigkeite-oder Flüssigkeitsartige Füllung vorhanden,
Der zu messende Gegenstand wird in die Bohrung 30 des MeBwertumf orm-Kolbene 5 oder
an irgendeinem in die Bohrung 30 eingoschobenem Halteslement abgestützt.
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Vor dem Beginn der Messung wird die Meßdose auf irgend einen Stützgegenstand
und der zu messende Gegenstand auf seinen Zylinder gelegt. Die Schraubenspindel
26 wird langsam hineingeschraubt. Beim Hineinschrauben der Schraubenspindel 26 wächst
der Druck in den Hohlräumen 11 und 12 allmählich an. Wenn der Flüssigkeitsdruck
die zur Überwindung des zu messenden Gewichtes und der in gleiche Richtung wirkenden
und gleichsinnigen Reibungskraft notwendige Höhe erreicht hat, wird der Meßwertumform-Kolben
5 mit dem auf ihn gelegten Körper zusammen angehoben* Im Falle eines weiteren Einsohraubens
der Schraubenepindel 26 erhöht sich der Druck in den Räumen 11 und-12 nicht mehr,
aus diesem Grunde ist ein weiteres Hineinschrauben der Spindel 26 nicht erforderlich.
Bei einem Anheben des Meßwertumform-Kolbens 5 um einige Hundertstel Millimeter bestimmt
der obere Grenzwert die Größe des Gewichtes des zu messenden Gegenstandes und, der
in die gleiche Richtung und gleichsinnig wirkenden Reibungskraft.
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Bei der erläuterten Durchführung der Messung muß der Flüssigkeitsdruck
in den Räumen 11 und 12 das Gewicht des zu messenden Gegenstandes und die innerhalb
der Meßdose im Ruhezustand auftretenden Reibungskräfte überwinden Beim Heben des
Meßwertumform-Kolbens 5 ist die Richtung der im Ruhezustand auftretenden Reibungskraft
und iEr Wirkung sinn gleich der Richtung und dem Sinn der Gewichtskraft, also sie
werden addiert.
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In der zweiten Phase der messung wird die Schraubenspindel 2C aus
dem Hohlraum 25 ausgeschraubt, also wird der Flüssigkeitsdruck in den Hohlräumen
11 und 12 erniedrige Während der Anfangsphase des Herausschraubens der Schraubenspindel
26 bleibt der Meßwertumform-Kolben 5 in unveränderter Stellung. Diesem, liegt zu
Grunde, dafl der
Wirkungssinn der innerhalb der Meßdose im Ruhezustand
auftretenden Reibungskräfte sich beim Senken des Meßwertumform-Eolbens 5 verglichen
mit dem Wirkungssinn wSIrend des Hebens zum Gegenteil ändert. Also ist die durch
das die Meßdose belastende Gewicht entstandene Kraft nach unten gerichtet die Kraft
infolge der Reibung im Ruhezustand ist nach oben gerichtet. So muß der Flüssigkeitsdreh
in den Räumen 11 und 12 beim Herausschrauben der Schraubenspindel 26 nur mit der
um die Reibungskraft erniedrigte Gewichtskraft das Gleichgewicht halten. Der Meßwertumform-Rolben
5 fängt erst dann an, sich nach unten zu bewegen, wenn der vorhandene Flüssigkeitsdruck
in den Räumen 11 und 12 gleich der um die Reibungskraft im Ruhezustand erniedrigten
Gewichtskraft ist. Nach dem anfänglichen Sinken des Meßwertumform-Kolbens 5 sinkt
der Flüssigkeitsdruck in den Räumen 11 und 12 trotz des weiteren Herausschraubens
der Schraubenspindel 26 nicht, da der zu messende Gegenstand der Bewegung des Meßwertumform-Kolbens
5 folgt und so hält er den Druck der Druckausgleichflüssigkeit auf einem konstanten
Wert. Dieser untere Grenzwert bestimmt die Differenz zwischen dem Gewicht des zu
messenden Gegenstandes und der in gleicher Richtung, aber gegensinnig wirkenden
Reibungskraft des Ruhezustandes.
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Die notwendige Kolbenverschiebung zur Messung beträgt bei der Messung
mit Herunterbewegen des Meßwert umform-Kolbens 5 ebenfalls höchstens einige Hundertstel
Millimeter.
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Das Gewicht des zu messenden Gegenstandes, bzw.
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die Größe der statischen Belastungskraft ergibt sich aus der folgenden
Gleichung: F = ##### # #####
wobei P @ S Ergebnis der -Messung
mit Anheben des Meßwertumform-Kolbens 5, P - S Ergebnis der Messung mit Absenken
des Meswertumform-Kolbens 5 ist.
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Die Große der Reibungskraft S ist auf Grund theoretischer Uberlegungen
und praktischer-MeBerfihrungen bei der gleichen Meßdose sowohl bei Heben als auch
beim Senken des Meßwertumform-Kolbens 5 gleich, da die charakteristischen Konstruktionsmerkmale
der Einrichtung (Abmaßtoleranzen, Maßverhältnisse, Reibungskoeffizient usw.) gleich
sind, andererseits folgen einander die mit Anheben und Absenken durchgeführten Messungen
in kurzen Zeitabständen, also sind die äußeren Einflußfaktoren, wie z.B.
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Temperatur, Belastung usw. ebenfalls gleich.
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Die Hauptvorteile der erfindungsgemäßen Meßdose sind die folgenden:
Die Meßdose kann auch exzentrisch belastet werden und ihre Bauelemente können ohne
besondere, Genauigkeit gefertigt werden, da die innerhalb der Meßdose auftretende
Kraft nicht die Genauigkeit der Messung beeinflußst. Diese Tatsache wird dadurch
erreicht, daß an Stelle der Erniedrigung der Reibungskräfte - abweichend von den
bekannten Meßdosen - die Reibungskräfte eliminiert werden. Dies ist das Meßergebnis
mit der erfindungsgemäßen Meßdose, bei der der Sinn der auftretenden Reib'ungskräfte
beim Hooh- und Abwärtsbewegen des Meßwertumform-Kolbensumgedreht wird.
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Der Linearitätsfehler der erfindungsgemäße'n Meßdose ist annähernd
Null, Eine Hysterese wurde bei der Verwendung der Meßdose nicht bemerkt. Mit der
Einrichtung gemäß der Erfindung ist die Messung vollkommen reproduzierbar, da mit
der erfindungsgemäßen Einrichtung unter beliebigen
äußeren Bedingungen
und nach einer beliebigen Zeitdauer zwischen zwei Messungen die gleichen Meßergeb
nisse erreicht werden. Bei der Erfindung ist kein Temperaturkriechen vorhanden,
da die zwei Phasen der Messung in kurzen Zeitabständen durchgeführt werden, in dem
die Temperatur praktisch unverändert bleibt. Die Nullstellung hängt ebenfalls nicht
von der Temperatur ab, da die Einstellung des Nullpunktes zu Beginn der Nbssung
bei einer für die gesamte Meßdauer charakteristischen Temperatur erfolgt. Ein Kriechen
während der Belastung und ein Nullpunktkriechen kann ebenfalls nicht vorkommen,
da beide Meßphasen in kurzer Zeit durchführbar sind. Dislokation kann ebenfalls
nicht auftreten, da die Messung durch Addition zweier Verschiebungen in entgegengesetzte
Richtung durchgeführt wird, die das Auftreten einer Dislokation von vornherein ausschließt*
Die erfindungsgemäße Meßdose besitzt einen einfachen Aufbau, ist billig, besitzt
eine geringe StUranfällgkeit und ihre Lebensdauer ist besonders lang, weiterhin
ist sie leicht und ohne Gefahr der Verletzung transportierbar Die Erfindung ist
nicht auf die AuefUhrungaform der Bauelemente von der beispielsweise erläuterten
Meßdose begrenzt. Die Schutzansprüche der Erfindung ändern sich nicht bei dem Ersetzen
der Elemente mit ähnlicher Funktion und Auswirkung, aber anderer Ausfuhrung. So
kann z.B. das Datenanzeige- oder Datenverarbeitungsinstrument 18 mit einem beliebigen
anderen Instrument ersetzt werden, abhängig davon, wie genau die Messung durchzuführen
ist, da der Meßfehler der erfindungsgemäßen Meßdose fast ausschließlich von dem
Fehler der Datenanzeige- oder - verarbeitungs instrument abhän&ig ist und er
die annähernd gleiche GrUBe
besitzt. Die Meßwertumform-Elemente
von elektromechanischen Datenanzeige-Instrumenten können sogar in dem Flüssigkeitsraum
der Meßdose untergebracht werden. Der den zu messenden Gegenstand aufnehmende Teil
des Meßwertumform-Kolbene 5 kann auch ander ausgebildet werden, die Form der Hohlräume
11 und 12 können von der erläuterten abweichen, die Schraubenspindelausführung des
Preßs'ystems kann durch eine andere Ausführung ersetzt werden.