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Kraftmeßwandler
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Die Erfindung betrifft einen Kraftmeßwandler mit zylinderförmigem
Meßbalken, der als mechanisches Verbindungselement zwischen einem Halteteil und
einem Krafteinleitungsteil angeordnet wird. Die Zylinderfläche des Meßbalkens hat
mindestens einen Abschnitt, der mit einer entsprechenden Fläche des Halteteils,
und mindestens einen Abschnitt, der mit einer entsprechenden Pläche des Krafteinleitungsteils
zusammenwirkt. Außerdem weist der Kraftmeßwandler Spannungs- oder Dehnungsmeßfühler
auf, die derart an zwei Oberflächen des
Balkens im wesentlichen
parallel zur Biegeebene des Balkens angeordnet sind, daß sie durch Deformationen
des Balkens beeinflußt werden, wenn dieser durch Krafteinwirkung auf den Krafteinleitungsteil
gebogen wird.
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Bei auf Scherkräfte ansprechenden Kraftmeßwandlern ist es bekannt,
die Spannungs- oder Dehnungsmeßfuhler auf einer Oberfläche des Balkens anzubringen,
die im wesentlichen parallel zur Biegeebene des Balkens ist, so daß die Meßfühler
hauptsächlich lediglich durch die Deformationen des Balkenmaterials beeinflußt werden,
die wiederum durch Scherkräfte in dem Material verursacht werden. Die Meßfühler
sind dann im wesentlichen unempfindlich gegen die Größe des Biegemoments in dem
Meßbalken und dementsprechend gegenüber möglichen Verschiebungen des Angriffspunktes
der Kraft, die auf den Balken einwirkt.
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Um die Unempfindlichkeit des Kraftmeßwandlers gegenüber Biegemomenten
weiter zu erhöhen, die durch die zu messende Kraft sowie durch seitliche, axiale
und Torsionskräfte verursacht werden, ist es vorbekannt, mindestens ein Ende des
Balkens frei biegbar auszubilden und es starr mit dem anderen Ende eines -zweiten
Balkens zu verbinden, der sich parallel zu .und frei an der Seite des ersten Balkens
erstreckt und kürzer als dieser ist, wobei der freie Teil des zweiten Balkens dann
als ein Angriffspunkt für die zu messende Kraft dient. Bei einem derartigen Kraftmeßwandler
kann der Angriffspunkt
für die zu messende Kraft praktisch irgendwo
entlang der gesamten ausdehnung des Balkens sein, und das Biegemoment des Balkens
mit den Meßfühlern ist praktisch Null innerhalb des Teils des Balkens, wo die Meßfühler
befestigt sind.
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Kraftmeßwandler der oben beschriebenen Art werden häufig zur KraftmessLmg
bei mechanischen Bauteilen in Kranen, Winden, Walzstraßen und Schwermaschinen insgesamt
verwendet. Bei diesen Konstruktionen sind häufig mechanische Kupplungen oder Verbindungen
vorgesehen, bei denen Kräfte über rotierende Stifte, Bolzen oder Wellen übertragen
werden. Ein Beispiel einer derartigen mechanischen Verbindung ist die sogenannte
Klauenkupplung, die in Kranen, Winden od. dgl. verwendet wird und die ein gabelförmiges
Halteteil und ein klauenförmiges Krafteinleitungsteil aufweist, wobei diese Teile
durch eine rotierende Welle oder Stift zusammengehalten werden, in der bzw. in dem
Scherkräfte bei Krafteinwirkung auftreten.
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Es hat sich nun herausgestellt, daß Kraftmeßwandler der oben beschriebenen
Art aus verschiedenen Gründen nicht sehr gut geeignet sind, in derartige mechanische
Verbindungen eingebaut zu werden. Häufig ist es zu schwierig, sie an dem entsprechenden
Maschinenteil anzubringen, und es hat sich häufig als erforderlich erwiesen, unerwünschte
Modifikationen vorzunehmen.
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Aus der US-Patentschrift 3 695 096 ist ein bolzenförmiger Kraftmeßwandler
bekamt, der in einer Klauenkupplung ohne Änderungen verwendet werden kann. Der Bolzen
oder die ''relle, die normalerweise die Klauenkupplung zusammenhält, ist durch den
bolzenförmigen Kraftmeßwandler ersetzt, der die gleichen äußeren Abmessungen und
die gleiche Funktion wie die ursprüngliche Welle oder der ursprüngliche Bolzen hat.
Dieser bolzenförmige Kraftmeßwandler wird dabei Scherkräften ausgesetzt, wenn eine
Kraft auf den Krafteinleitungsteil der Klauenkupplung ausgeübt wird, und die Meßfühler,
die in einer axialen Bohrung des IiTeßwandlers angeordnet sind, werden durch die
Deformationen des Materials des Balkens beeinflußt. Der I.'eßwandler weist zylindrische
Abschnitte auf, die mit dem Krafteinleitungsteil und dem Halteteil zusammenv/irken.
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Dieser bekannte Kraftmeßwandler weist jedoch ebenfalls bestimmte
Nachteile auf. Da die Zylinderflächen des Kraftmeßwandlers, die mit dem Krafteinleitungs-
und mit dem Halteteil zusammenwirken, vergleichsweise groß sind, verschiebt sich,
insbesondere bei hoher Belastung, der Angriffspunkt der resultierenden Kraft, so
daß der Meßwandler durch unerwünschte Momente beeinflußt wird. Außerdem werden hohe
Anforderungen an die Ausrichtung der Bohrungen in den verschiedenen Teilen gestellt,
da die Toleranzen zwischen den Teilen gering sein müssen.
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Angabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen bolzenförmigen Kraftmeßwandler
zu schaffen, der diese Nachteile vermeidet. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß
der Kraftmeßwandler im Querschnitt auf den Zylinderabsclmitten Kanten auSweist um
die Berahrungsfläche des Meßwandlers gegen den Halteteil und gegen den Krafteinleitungsteil
zu begrenzen.
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Durch eine derartige Ausbildung des Kraftmeßwandlers werden wesentlich
verbesserte Sigenschaften erreicht, und zwar dadurch, daß die Angriffspunkte für
die Kraft in ihrer Lage bei Anlegen der Kraft sich nicht ändern. Außerdem sind die
Anforderungen an die Herstellung dieses Kraftmeßwandlers geringer, und außerdem
sind die Momente der Meßabschnitte geringer, da der Angriffspunkt der Kraft immer
so nahe wie möglich am freien Teil des Bolzens ist.
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Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die anliegende Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 im Querschnitt einen erfindungsgemäßen Kraftmeßwandler
in einer sogenannten Klauenkupplung, Fig. 2 einen Axialschnitt des Kraftmeßwandlers
und fig. 3 bis 5 Querschnitte verschiedener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Krftmeßwandlers.
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Im prinzip besteht der in Fig. 1 dargestellte Kraftmeßwandler aus
einem zylinderförmigen Iz1leßbalken 1, der anstelle eines Bolzens in einer mechanischen
Kupplung vorgesehen ist, die Kräfte überträgt. Ein Teil des S.Ießbalkens 1 wirkt
dann mit einem Halteteil und ein zweiter 'gebil des Balkens mit einem Krafteinleitungsteil
zusammen. In dem dargestellten Beispiel wirken zwei Abschnitte der zylindrischen
Außenfläche des Meßbalkens, die an den Enden des Balkens angeordnet sind, mit einem
Krafteinleitungsteil zusammen, während ein mittiger Abschnitt der Außenfläche des
eßbalkens mit dem Halteteil zusammenwirkt; ersichtlich kann auch der Krafteinleitungsteil
ebenfalls mit dem mittigen teil zusammenwirken, wobei dann die Abschnitte an den
Enden des Balkens mit dem Halteteil zusammenwirken.
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In dem dargestellten Beispiel besteht das Krafteinleitungsteil aus
zwei Seitenstützen 2, 9, die kreisförmige Bohrungen aufweisen, in denen die Enden
des Kraftmeßwandlers angeordnet sind. Das Halteteil hesteht aus zwei Befestigungslaschen
4, 5, die innerhalb der Seitenstützen angeordnet sind und mit einem Gestell verbunden
sein können. Ebenso wie die Seitenstützen weisen die Befestigungslaschen kreisförmige
Bohrungen auf, um den Kraftmeßwandler zu haltern.
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Die Befestigungslaschen 4, 5 sind an einer Hülse 6 angeschweißt, die
relativ zu dem Meßbalken 1 konzentrisch angeordnet ist, so daß ein ringförmiger
Zwischenraum 7 zwischen der Hülse 6 und dem Meßbalken 1 ausgebildet wird. Dieser
Zwischenraum
ist für Schmiermittel vorgesehen, und die Befestigungslaschen sind daher mit Schmierkanälen
8, 9 zum Einfülleii von Sciimiermittel versehen. Zwischen den Befestigungslaschen
und den Seitenstützen sind Haltescheiben 10, 11 vorgesehen, um die Lage des Meßbalkens
1 axial in der Kupplung zu fixieren, wobei ein Ende des Meßbalkens mit einem Feststellring
12 versehen ist, der in einer Ringnut angeordnet ist. Das andere Ende des Meßbalkens
ist mit einer Feststellplatte 13 versehen, die mit Hilfe einer Schraube oder einem
Bolzen an der Seitenstütze 3 befestigt ist. Der Teil der Zylinderfläche des Meßbalkens,
der mit der Peststellplatte zusammenwirkt, kann in geeigneter eise mit Nuten 14
(siehe Fig. 2) versehen sein, um den Meßbalken in der genauen Rotationsstellung
zu orientieren. Ein Ende des Meßbalkens ist außerdem mit einer Kabelverbindung 15
zur Verbindung der Meßfühler mit einer geeigneten Meßvorrichtung versehen, wobei
diese Ausbildung im einzelnen mit Bezug auf Fig. 2 näher erläutert wird.
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Wie oben erwähnt weist die zylindrische Außenfläche des Kraftmeßwandlers
im wesentlichen drei Abschnitte auf, einen Mittelabschnitt, der mit dem Halteteil
4, 5 zusammenwirkt, sowie zwei Abschnitte an den Enden des Meßbalkens, die mit dem
Krafteinleitungsteil 2, 3 zusammenwirken. Wenn eine Kraft auf d as das Krafteinleitungsteil
der Kupplung einwirkt, wird der Kraftmeßwandler Scherkräften unterworfen, und die
Deformationen in dem Material des Meßbalkens werden dann
auf die
Verbindungsbereiche 16, 17 zwischen den Zylinderabschnitten konzentriert. Aus Fig.
2 ist ersichtlich, daß die Meßfühler 18 bis 21 in diesen Verbindungsberelchen gehaltert
und derart angeordnet sind, daß sie durch die Deformationen des Materials des Meßbalkens
in zwei Richtungen rechtwinklig zueinander beeinflußt werden, die jeweils einen
Winkel von 450 zur Längsachse 22 des eßbalkens bilden.
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Um die Leistungsfähigkeit des Kraftmeßwandlers zu erhöhen, ist dieser
in Querschnittsrichtung gesehen mit ringförmigen Kanten 23 auf den Zylinderabschnitten
versehen. Diese Kalten bewirken, daß die Berührungsfläche gegen das Halteteil oder
das Krafteinleitungsteil verringert wird, was zur Folge hat, daß der Angriffspunkt
der Kraft selbst bei hoher Belastung seine Position nicht ändert. Gemäß Fig. 1 sind
die Kanten auf beiden Seiten der Verbindungsbereiche 16, 17 angeordnet, so daß jeder
der Zylinderabschnitte, der mit dem Krafteinleitungsteil zusammenwirkt, eine Kante
aufweist, während das Mittelteil, das mit dem Halteteil zusammenwirkt, zwei Kanten
aufweist, die so angeordnet sind, daß sie in Berührung mit den Befestigungslaschen
stehen. Durch diese Positionierung der Kanten werden die Angriffspunkte der Kraft
in dem Kraftmeßwandler in der ähe der Verbindungsbereiche lokalisiert, woraus sich
der Vorteil ergibt, daß das Biegemoment des Meßbalkens abnimmt und daß außerdem
diese Angriffspunkte der Kraft selbst bei sich ändernden Belastungen beibehalten
werden.
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Gemäß den Xig. 1 und 2 ist der Querschnitt der Kanten trapezförmig
ausgebildet, er kann jedoch beispielsweise aueh halbkreisförmig sein.
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Gemäß Fig. 2 weist der Kraftmeßwandler eine axiale Bohrung 24 auf,
die an den Endabschnitten des Meßbalkens einen vergrößerten Durchmesser aufweist,
sodaß zwei Hohlräume 25, 26 ausgebildet werden. Diese Hohlräume erstrecken sich
in axialer Richtung derart, daß sie sich ausreichend über die Verbindungsbereiche
16, 17 hinaus erstrecken. In dem Teil der Hohlräume 25, 26, der den Enden des Meßbalkens
am nächsten liegt, sind weitere Bohrungen vorgesehen, um Kabelverbindungen mit Abdeckungen
aufzunehmen.
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Die i':Ießfünler 18 - 21 sind im wesentlichen parallel zur Biegeebene
des Meßbalkens innerhalb der Hohlräume 25, 26 angeordnet und an deren Oberflächen
befestigt. Der größere Durchmesser der Hohlräume 25, 26 erleichtert die Anbringung
der I.Teßfühler, wobei gleichzeitig die verringerte Dicke des Materials sicherstellt,
daß die Scherkräfte und die Deformationen groß werden, die innerhalb des Abschnitts
des Meßbalkens, wo die Meßfühler befestigt sind, verursacht werden. In bekannter
leise ist die Empfindlichkeit des Kraftmeßwandlers außerdem durch zwei Paare von
Meßfühlern 18, 19 und 20, 21 erhöht worden, die in die vier Zweige einer bekannten
elektrischen V[heatstone-Brücke geschaltet sind. Die Verbindung mit der Meßfühler-Brücke
erfolgt über ein Kabel, das in dem
Zwischenraum 27 über eine Kabelbuchse
mit den Leitungen von den l.eßfühlern verbunden ist.
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Die zwei Meßfühler in jedem Paar sind symmetrisch an der Hohlraumwand
auf jeder Seite der Biegeebene des Meßbalkens 1 derart befestigt, daß sie durch
die Deformation des lIaterials des Meßbalkens in zwei Richtungen beeinflußt werden,
die recbtwintftig zueinander sind und jeweils einen Winkel von 45° zur Längsachse
22 des Meßbalkens bilden.
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Die Fig. 3 bis 5 zeigen Querschnitte durch einen der Verbindungsbereiche
16, 17 für einige verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraftmeßwandlers.
Dabei zeigt Pig. 3 einen Querschnitt durch den Verbindungsbereich 17 in Fig. 2,
so daß ersichtlich ist, daß die Meßfühler symmetrisch an den Hohlraumwänden angebracht
sind.
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Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, wobei der Meßbalken
1 zwei axiale Aussparungen 28, 29 aufweist, so daß ein den Scherkräften ausgesetzter
balkenförmiger Abschnitt 30 zwischen den zwei Bohrungen ausgebildet wird. Die Meßfüiiler
18, 19 sind symmetrisch in den Bohrungen angeordnet und an den Flächen befestigt,
die den balkenförmigen Abschnitt 30 bilden.
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Um die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Kraftmeßwandlers weiter
zu erhöhen, kann außerdem die Materialdicke
des Meßbalkens im Querschnitt
der Verbindungsbereiche 16, 17 äußerlich verringert werden, so daß zwei flache Außenflächen
31, 32 gemäß Fig. 5 gebildet werden. w.ie im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 werden
dann die Meßfühler 18, 19 symmetrisch an den Seitenwänden der Bohrungen befestigt.