DE2360203C3 - Einrichtung zum Messen der Kraft auf den beidseitig mit Druckmittel beaufschlagten Kolben eines Arbeitszylinders - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen dei: Kraft auf den beidseitig mit Druckmittel beaufschlagten Kolben eines Arbeitszylinders — insbesondere des Wippzylinders eines Auslegerkrans — oder einer von dieser Kraft funktionell abhängigen Größe wie des auf den Aus'eger eines Auslegerkrans wirkenden Momentes, wobei die Differenz der auf die beiden Seiten des Kolbens wirkenden Kräfte gebildet wird.

An dem Kolben eines doppeltwirkenden Arbeitszylinders greifen die auf die beiden Kolbenflächen wirkenden Druckkräfte, die durch die Kolbenreibung verursachten Reibungskräfte und die äußeren, an der Kolbenstange eingeleiteten Kräfte an. Diese äußeren Kräfte werden z. B. bei dem Wippzylinder eines Auslegerkrans durch das Auslegereigengewicht und die am Ausleger hängende Last erzeugt.

IEs ist bereits eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art bekannt (DT-OS 19 26 236), bei welcher die auf beiden Seiten des Arbeitskolbens wirkenden Drücke auf die beiden Seiten eines Meßkolbens in einen Meßzylinder geleitet werden. Der Meßkolben arbeitet gegen eine Feder, und sein Hub soll ein Maß für die äußere Belastung des Kolbens sein.

Bei der bekannten Vorrichtung ergeben sich Meßveizögerungen, weil der Meßkolben Meß wege machen muß. Ferner läßt sich die äußere Belastung des Kolbens nicht in allen Betriebsfällen mit der gewünschten Genauigkeit erfassen, weil die Kolbenreibung sich damit nicht berücksichtigen läßt. Im einzelnen sei dies anhand der möglichen Betriebszustände erläutert:

Insgesamt sind drei Betriebszustände möglich. Im Betriebszustand 1) bewegt sich der Arbeitskolben nicht; die Reibung geht nicht in die Messung ein.

Im Betriebszustand 2) fährt der Kolben aus. Hierbei muß zunächst die Haftreibung zwischen der Kolbendichtung und der Zylinderwand überwunden werden. Ist der Kolben einmal in Bewegung, so muß nur noch die kleinere Gleitreibung überwunden werden.

Im Betriebszustand 3) fährt der Kolben ein. Auch hierbei muß zunächst die Haftreibung und anschließend nur noch die kleinere Gleitreibung überwunden werden. Haft- und Gleitreibung beim Einfahren haben jedoch konstruktionsbedingt in der Regel andere Größe als Haft- und Gleitreibung beim Ausfahren des Kolbens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß in allen Betriebszuständen eine genaue Erfassung der auf den Kolben wirkenden resultierenden Kraft oder einer nach einer vorgegebenen Funktion mit der Kraft veränderlichen Größe möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine elektrische Auswertschaltung vorgesehen, bei der als Eingangsgrößen Meßwerte für die Drücke auf den beiden Seiten des Kolbens dienen und bei der

die Auswertschaltung Schaltungselemente zur Berücksichtigung der Größe der Kolbenflächen und Schaltungselemente zur Simulierung der Küibenreibung hat.

Erst die elektrische Schaltung gemäß der Erfindung ermöglicht ein Miterfassen der Reibung. Dieses Miterfassen der Reibung ist aber Voraussetzung für eine genaue Messung.

Zweckmäßig ist eine Differenzschaltung für die Eingabe der Meßwerte für die Drücke vorgesehen, und die Schaltung ist weiterhin derart ausgebildet, daß der gebildeten Differenzgröße die der Kolbenreibung proportionale Größe aufgeschaltet wird. Als Ausgangsgröße erhält man dabei die resultierende Kraft am Kolben.

Um die Einrichtung an unterschiedliche Flächenverhältnisse der beiden Kolbenflächen anpassen zu können, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Differenzschaltung einen einstellbaren Widerstand aufweist, der zur Anpassung an das jeweilige Flächenverhältnis der beiden Kolbenflächen dient.

Bei einer ausgeführten Schaltung sind zum Messen der beiden Drücke zwei elektrische Druckaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen vorgesehen, von denen einer ein positives und der andere ein negatives Gleichspannungssignal abgibt, wobei den Druckaufnehmern Operationsverstärker und diesen je ein Widerstand nachgeschaltet sind, von denen der eine der einstellbare Widerstand ist; die von den Widerständen abgegebenen Signale zum Bilden der Differenzgröße werden dabei summiert.

Die der Kolbenreibung proportionale Größe läßt sich in einfacher Weise mittels einstellbarer Widerstände bilden. Dabei können eine Gruppe von Widerständen zur Simulierung der Kolbenreibung in einer Bewegungsrichtung und eine zweite Gruppe von Widerständen zur Simulierung der Kolbenreibung in der anderen Bewegungsrichtung dienen. Vorzugsweise umfaßt iede Gruppe von einstellbaren Widerständen einen Widerstand zum Simulieren der Haftreibung und einen Widerstand zum Simulieren der Gleitreibung.

Die Schaltung kann zusätzlich ein Funktionsglied zur Variierung des der Kraft proportionalen Ausgangssignals aufweisen. In diesem Fall wird nicht mehr die resultierende Kraft, sondern eine damit funktionell verknüpfte Größe erfaßt. Dies ist in der Praxis dann zweckmäßig, wenn nicht unmittelbar die auf den Kolben wirkende Kraft, sondern die funktionell damit verknüpfte Größe interessiert. Beispielsweise ist dies bei Auslegerkranen der Fall, wo das am Ausleger angreifende Moment interessiert, das stets in zulässigen Grenzen gehalten werden muß. Dieses Moment variiert bei konstanter Kraft auf den Kolben des Wippzylinders mit dem Hebelarm, an welchem der Kolben des Wippzylinders um den Fußpunkt des Auslegers dreht und der seinerseits mit dem Auslegerwinkcl variiert. Tn dem zuletzt genannten Anwcndungsfall ist das Funktionsglied zweckmäßig derart ausgebildet, daß eine dem Produkt aus dem Hebelarm des Wippzvlinders bezüglich des Auslegerfußpunktes mit der Kraft proportionale Größe gebildet werden kann. Diese Größe ist dann dem Ausleacrmoment proportional und kann z. B. als eine Eingangsgröße einer Überlastsicherung für den Auslegerkran dienen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausfiihrungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schema eines durch einen Wippzylinder ausschwenkbaren AusSegerkrans und

F i g. 2 eine Schaltung zur Erfassung der resultierenden Kraft auf den Kolben des Wippitylinders.
In F i g. 1 symbolisiert der Balken Ii den Ausleger eines Auslegerkrans. Der Ausleger 1 ist bei 2 an einer Abstützung 3, z. B. dem Oberwagen eines Mobilkrans, in einer vertikalen Ebene schwenkbar angelenkt. Der Ausleger 1 ist mittels eines Wippzylinders 4

ίο schwenkbar. Der Wippzylinder ist mit seinem unteren Ende bei 5 an dem Oberwagen 3 angelenkt, während die Kolbenstange 6 des Arbeitskolbens 7 bei 8 an dem Ausleger 1 angelenkt ist. Der Hebelarm h (α), an welchem die durch die Kolbenstange 6 auf den Wippzylinder übertragene Kraft K wirkt, viariiert mit dem Auslegerneigungswinkel ot, der hier gegen die Vertikale gemessen ist.

Beiden Seiten des Kolbens 7 kann Druckmittel zugeführt werden, das mit einem Druck p, bzw. p.₂ auf

so die jeweilige Kolbenfläche F₁ bzw. F₂ wirkt. Auf den Kolben wirkt beim Ein- und Ausfahren eine unterschiedlich große Reibungskraft. Jeweils beim Anlaufen des Kolbens muß die Haftreibungskraft und bei bewegtem Kolben die kleinere Gleitreibungskraft

as überwunden werden.

Für die Kräfte am Kolben gilt demnach die folgende Beziehung:

Mit der Schaltung nach F i g. 2 läßt sich diese Gleichung durch Messen der Druckkräfte p_t F₁ und p., F₂ und Simulieren der Reibkraft R nachbilden.
Gemäß F i g. 2 sind zum Messen der Drücke auf

den beiden Seiten des Kolbens 7 Druckaufnehmer 11,12 in Form von Dehnungsmeßstreifen vorgesehen, die jeweils in einer Brückenschaltung geschaltet sind. Die Druckaufnehmer 11, 12 werden von einer gemeinsamen Spannungsquelle mit einer Gleichspan-

nung U gespeist, wobei die Eingänge am Meßgeber 12 vertauscht sind. Die Ausgangssignale E₁ und -E₂ der Druckaufnehmer 11, 12 werden in Operationsverstärker 13 bzw. 14 eingegeben. Dem Operationsverstärker 13 ist ein einstellbarer Widerstand IS nachgeschaltet, während dem Operationsverstärker 14 ein Festwiderstand 16 nachgeschaltet ist. Mit dem einstellbaren Widerstand 15 läßt sich die Meßeinrichtung an unterschiedliche Kolbenflächenverhältnisse des Arbeitskolbens anpassen. Aufgrund dieser Anpaßbarkeit kann die Einrichtung unverändert bei Arbeitskolben unterschiedlichster Flächenverhältnisse F₁ZF₂ eingesetzt werden.

Am Summierpunkt 17 werden die Ausgangssignale der Widerstände 15, 16 summiert. Da eines der beiden Signale negativ ist, wird tatsächlich die Differenz gebildet. In die vom Summierpunkt ausgehende Leit'ing 18 wird über eine davon abgezweigte Leitung 19 ein Signal eingespeist, welches die Kolbenreibung berücksichtigt. Hierzu münden in die Leitung 19 die Ausgänge von vier einstellbaren Widerständen 20, 21, 22, 23. Diese Widerstände sind zu Gruppen 20, 21 und 22, 23 zusammengefaßt. Die eine Gruppe gibt bei Ausfahren des Kolbens 7 und die andere Gruppe beim Einfahren des Kolbens ein Signal ab. Jede Gruppe umfaßt einen Widerstand 20 bzw. 22, welcher beim Anfahren anspricht und so eingestellt ist, daß er ein der unterschiedlichen Haftreibung beim Einbzw. Ausfahren proportionales Ausgangssignal ab-

gibt. Ferner umfaßt jede Gruppe einen Widerstand 21, 23, die so einstellbar sind, daß sie je beim Einbzw. Ausfahren ein der Gleitreibung in der betreffenden Bewegungsrichtung des Kolbens proportionales Signal abgeben. Nach beendetem Anfahrvorgang wird automatisch mittels nicht gezeigter Umschalter jeweils vom »Haftreibungse-Widerstand 20 bzw. 22 auf den »Gleitreibungs«-Widerstand 21 bzw. 23 umgeschaltet. Die Anordnung ist so getroffen, daß die in der Regel nach dem Betrage verschieden großen Ausgangssignale der beiden Gruppen von Widerständen sich auch im Vorzeichen unterscheiden. Die der Reibung proportionalen Ausangssignale werden im Summierpunkt 20 mit dem Ausgangssignal der Druckmeßanordnung summiert und einem als Summierer arbeitenden Operationsverstärker 24 mit dem Verstärkungsverhältnis V = 1 eingegeben. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 24 ist der resultierenden Kraft K auf den Kolben 7 proportional. Dieses Ausgangssignal kann wahlweise noch durch ein Funktionsglied 25 variiert werden. Handelt es sich beispielsweise bei dem Arbeitszylinder um den Zylinder 4 eines Auslegerkrans, so interessiert das Moment aus der Kraft K am Hebelarm Λ (α) zum Fußpunkt 2 des Auslegers 1. Das Funktionsglied kann dann als Eingangsgröße beispielsweise einen Meßwert für den Auslegerwinkel « (Fig. 1) erhalten und die Größe K · h (α) bilden. Diese Größe wird über einen weiteren Operationsverstärker 26 mit dem Verstärkungsfaktor V = 1 zu einer Anzeige oder zur Weiterverarbeitung beispielsweise in eine Überlastsicherung geführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Messen der Kraft auf den

, beidseitig mit Druckmittel beaufschlagten Kolben ■ eines Arbeitszylinders — insbesondere des Wippzylinders eines Auslegerkrans — oder einer von dieser Kraft funktionell abhängigen Größe wie des auf den Ausleger eines Auslegerkrans wirkenden Moments, wobei die Differenz der auf die beiden Seiten des Kolbens wirkenden Kräfte gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Auswertschaltung vorgesehen ist, bei der als Eingangsgrößen die Meßwerte (E₁, E₂) für die Drücke (p„ p₂) auf den beiden Seiten (F₁, F₂) des Kolbens (7) dienen, und daß die Auswertschaltung Schaltungselemenie (IS, 16) zur ^Berücksichtigung der Größe der Kolbenflächen (F₁, F₂) und Schaltungselemente zur Simulierung der Kolbenreibung (R) hat. »0

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenzschaltung (13,14, 17) für die Eingabe der Meßwerte (E₁, E₂) für die Drücke vorgesehen ist und daß die Schaltung weiterhin derart ausgebildet ist, daß der gebildeten 2,5 Differenzgröße die der Kolbenreibung (R) proportionale Größe aufgeschaltet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzschaltung einen einstellbaren Widerstand (15) aufweist, der zur Anpassung an das jeweilige Flächenverhältnis der beiden Kolbenflächen (F₁, F,) dient.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der beiden Drücke zwei elektrische Druckaufnehmer (11, 12) mit Dehnungsmeßstreifen vorgesehen sind, von denen einer ein positives (E₁) und der andere ein negatives Gleichspannungssignal (E₂) abgibt, daß den Druckaufnehmern Operationsverstärker (13, 14) und diesen je ein Widerstand (15, 16) nachgeschaltet sind, von denen der eine der einstellbare Widerstand (15) ist, und daß die von den Widerständen abgegebenen Signale zum Bilden der Differenzgröße summiert werden.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 4!i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kolbenreibung (R) proportionale Größe mittels einstellbarer Widerstände (20, 21, 22, 23) gebildet wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe von Widerständen (20, 21) zur Simulierung der Kolbenreibung in einer Richtung und eine zweite Gruppe von Widerständen (22, 23) zur Simulierung der Kolbenreibung in der anderen Richtung dient.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von einstellbaren Widerständen einen Widerstand (20; 22) zum Simulieren der Haftreibung und einen Widerstand (21: 23) zum Simulieren der Gleitreibung umfaßt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ein Funktionsglied (25) zur Variierung des der Kraft (K) proportionalen Ausgangssignals aufweist. 6«|

9. Einrichtung nach Anspruch 8 zum Erfassen des am Ausleger eines Auslegerkrans angreifenden Momentes, wobei der Ausleger mittels eines Wippzylinders schwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionsglied (25) derart ausgebildet ist, daß eine dem Produkt aus dem Hebelarm (h M) des Wippzylinders (4) bezüglich des Auslegerfußpunktes (2) mit der Kraft (K) proportionale Größe gebildet werden kann.