DE2631698C2

DE2631698C2 - Kraftmeßwandler

Info

Publication number: DE2631698C2
Application number: DE19762631698
Authority: DE
Inventors: Mats Erik Wilhelm Dipl.-Ing. Karlskoga Forsgren
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1976-01-15
Filing date: 1976-07-14
Publication date: 1985-10-24
Also published as: DE2631698A1; SE400650B; SE7600358L

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftraeßwandler mit zylinderförmigem Meßbalken, der zwischen einem Halteteil und einem Krafteinleitungsteil eingespannt ist dessen Zylinderoberfläche mindestens einen ersten Abschnitt, der mit einer entsprechenden Fläche des Halteteils, und mindestens einen zweiten Abschnitt aufweist, der mit einer entsprechenden Fläche des Krafteinleitungsteils zusammenwirkt, sowie mit Spannungs- oder Dehnungsmeßfühlern, die auf zwei Oberflächen des Meßbalkens im wesentlichen parallel zur Biegeebene des Meßbalkens angeordnet sind.

Bei auf Scherkräfte ansprechenden Kraftmeßwandlern ist es bekannt (DE-PS 16 98 108) die Spannungsoder Dehnungsmeßfühler 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.

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 dabei bekannt (DE-PS 16 98 108), 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 niessende 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 Meßfühler ist praktisch Null innerhalb des Teils des Balkens, wo die Meßfühler befestigt sind.

Kraftmeßwandler der oben besch-riebenen Art werden häufig zur Kraftmessung bei mechanischen Bauteilen in Kranen, Winden, Walzstraßen und Schwermaschinen insgesamt verwendet Bei diesen Konstruktionen

ίο 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 vsrwendet wird und die ein gabelförmiges Haheteil 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.

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, Modifikationen vorzunehmen, die man aus verschiedenen Gründen nach Möglichkeit venneiden will.

Es ist ein bolzenförmiger Kraftmeßwandler bekannt (US-PS 36 95 096), der in einer Klauenkupplung ohne

Änderungen verwendet werden kann. Der Bolzen oder die Welle, 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 .Meßwir-ndlers angeordnet sind, werden durch die Deformationen des Materials des Balkens beeinflußt Der Meßwandler weist zylindrische Abschnitte auf, die mit dem Krafteinleitungsteil und dem Haheteil zusammenwirken.

Dieser bekannte Kraftmeßwandler weist jedoch ebenfalls bestimmte Nachteile auf. Da die Zylinderflächen des Kraftmeßwandlers, die mit dem Krafteinleitungs- und mit dem Haheteil 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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen bolzenförmigen Kraftmeßwandler zu schaffen, der einfacher herzustellen ist und gleichzeitig eine höhere Meßgenauigkeit ermöglicht als vorbekannte Meßwandler.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kraftmeßwandler in Querschnittsrichtung auf den zylindrischen Abschnitten Kanten zur Begrenzung der Berührungsfläche des Meßwandlers gegen das Haheteil und das Krafteinleitungsteil aufweist.

Durch eine derartige Ausbildung des Kraftmeßwandlers werden wesentlich verbesserte Eigenschaften 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 Her-

stellung 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

Es ist zwar bekannt, bei Kraftmeßwandlern in Querschnittsrichtung Kanten zur Begrenzung der Berührungsfläche des Meßwandlers gegen ein Krafteinleitungsteil vorzusehen (DE-AS 16 48 365). Diese Kraftmeßwandler sind aber im wesentlichen lediglich zum Messen einer Deformation eines anderen Teiles (einer in diesem Bereich hohlen Achse) bestimmt; sie selbst nehmen dabei nur einen unwesentlichen Teil der auftretenden Kräfte auf. Dies zeigt sich u.a. darin, daß die Kanten als Tellerfeder« ausgebildet sind, von denen sich jede dazu noch an zwei verschiedenen Stellen des Kraftmeßwandlers abstützt. Eine solche Konstruktion kann bei dem erfindungsgemäßen Kraftmeßwandler daher nicht verwendet werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 im Querschnitt einen Kraftmeßwandler in einer sogenannten Klauenkupplung, F i g. 2 einen Axialschnitt des Kraftmeßwandlers und

F i g. 3 bis 5 Querschnitte verschiedener Ausführungsformen des Kraftmeßwandlers.

Im Prinzip besteht der in F i g. 1 dargestellte Kraftmeßwandler aus einem zylinderförmigen Meßbalken 1, der anstelle eines Bolzens in einer mechanischen Kupplung vorgesehen ist und die Kräfte überträgt Ein Teil des Meßbalkens 1 wirkt dann mit einem Halteteil uwd ein zweiter Teil 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 Meßbalkens mit dem Halteteil zusammenwirkt; ersichtlich kann auch der Kraft .inleitungsteil ebenfalls mit dem mittigen Teil zusammenwirken, wobei dann die Abschnitte an den Enden des Balkens mit dem Halteteil zusammenwirken.

In dem dargestellten Beispiel besteht das Krafteinleitungsteil aus zwei Seitenstützen 2, 3, die kreisförmige Bohrungen aufweisen, in denen die Enden des Kraftrneßwandlers angeordnet sind. Da^-. Halteteil besteht aus zwei Befestigungslaschen 4,5, die innerhalb der Seitenstützen angeordnet sind und mit einem Gestell verbunden sein können. Ebenso wie die Seitenstützen weisen die Befestigungslaschcn kreisförmige Bohrungen auf, um dsn Kraftmeßwandler zu haltern. 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 Einfüllen von Schmiermittel versehen. Zwischen den Befestigungslaschen und den Seitenstützen sind Haltescheiben tO, 11 vorgesehen, um die Lage aes 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 M^ßbalkens, der mit der Feststellplatte zusammenwirkt, kann in geeigneter Weise mit Nuten 14 (siehe F i g. 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 F i g. 2 näher erläutert wird.

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 Krafteinieitungsteii 2, 3 zusammenwirken. Wenn eine Kraft auf 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 F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Meßfühler 18 bis 21 in diesen Verbindungsbereichen gehaltert und derart angeordnet sind, daß sie durcn die Deformationen des Material des M'eßbalkens in zwei Richtungen rechtwinklig zueinander beeinflußt werden, die jeweils einen Winkel von 45° zur Längsachse 22 des Meßbalkens bilden.

Um die Leistungsfähigkeit des Kraftmeßwandlers zu erhöhen, ist dieser in Querschnittsrichtung gesehen mit ringförmigen Kanten 23 auf den Zylinderabschnitten versehen. Diese Kanten 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 F i g. 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 Kante··? werden die Angriffspunkte der Kraft in dem Kraftmeßwandler in der Nähe 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.

Gemäß den F i g. 1 und 2 ist der Querschnitt der Kanten trapezförmig ausgebildet er kann jedoch beispielsweise auch halbkreisförmig sein.

Gemäß F i g. 2 weist der Kraftmeßwandler eine axiale Bohrung 24 auf, die an den Endabschnitten des Meßbalkens einen vergrößerten Durchmesser aufweist, so daß 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 iregt, sind weitere Bohrungen vorgesehen, um Kabelverbindungen mit Abdeckungen aufzunehmen.

Die MeßfÜ!i!-r 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 Meßfühler, 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 Weise ist die Empfindlichkeit des Kraftmeß-

wandlers außerdem durch zwei Paare von Meßfühlern 18,19 und 20, 21 erhöht worden, die in die vier Zweige einer bekannten elektrischen Wheatstone-Brücke geschaltet sind. Die Verbindung mit der Meßfühler- Brükke erfolgt über ein Kabel, das in dem Zwischenraum 27 über eine Kabelbuchse mit den Leitungen von den Meßfühlern verbunden ist.

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 Materials des Meßbalkens in zwei Richtungen beeinflußt werden, die rechtwinklig zueinander sind und jeweils einen Winkel von 45° zur Längsachse 22 des Meßbalkens bilden.

Die F i g. 3 bis 5 zeigen Querschnitte durch einen der Verbindungsbereiche 16, 17 für einige verschiedene Ausführungsformen des Kraftmeßwandlers. Dabei zeigt F i g. 3 einen Querschnitt durch den Verbindungsbe-

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ler symmetrisch an den Hohlraumwänden angebracht sind.

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 Meßfühler 18, 19 sind symmetrisch in den Bohrungen angeordnet und an den Flächen befestigt, die den balkenförmigen Abschnitt 30 bilden.

Um die Empfindlichkeit des 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. Wie im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 werden dann die Meßfühler 18,19 symmetrisch an den Seitenwänden der Bohrungen befestigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Kraftmeßwandler mit zylinderförmigen Meßbalken, der zwischen einem Haheteil und einem Krafteinleitungsteil eingespannt ist, dessen Zylinderoberfläche mindestens einen ersten Abschnitt, der mit einer entsprechenden Fläche des Halteteils, und mindestens einen zweiten Abschnitt aufweist, der mit einer entsprechenden Fläche des Krafteinleitungsteils zusammenwirkt, sowie mit Spannungsoder Dehnungsmeßfühlern, die auf zwei Oberflächen des Meßbalkens im wesentlichen parallel zur Biegeebene des Meßbalkens angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftmeßwandler in Querschnittsrichtung auf den zylindrischen Abschnitten Kanten (23) zur Begrenzung der Berührungsfläche des Meßwandlers gegen das Halteteil (4, 5) und das Krafteinleitungsteil (2, 3) aufweist

2. KraftineSwandler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (23) auf beiden Seiten der Verbindungsbereiche (16, 17) zwischen den zylindrischen Abschnitten angeordnet sind und mit dem Halte- und dem Krafteinleitungsteil (4,5 bzw. 2, 3) zusammenwirken.

3. Kraftmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (23) ringförmig ausgebildet sind.