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Belastungseinrichtung zur Erzeugung und Übertragung von
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Kräften, insbesondere zur Kalibrierung von Kraftmeßeinrichtungen Die
Erfindung betrifft eine Belastungseinrichtung zur Erzeugung und Übertragung von
Kräften, insbesondere zur Kalibrierung von Kraftmeßeinrichtungan, mit Belastungsmitteln,
einer hydraulischen übertragungseinrichtung bestehend aus einem Kraftaufnehmer (zur
Erzeugung einer Kraft), Übertragungsmitteln und einem Kraftgeber (zur Belastung
eines Prüflings), wobei Kraftaufnehmer und Kraftgeber in Belastungsrichtung elastisch
verformbare Bauteile aufweisen.
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Zur hydraulischen Übertragung von Kräften sind Belastungseinrichtungen
bekannt, die mit Kraftaufnehmer- und Kraft geberelementen arbeiten. Die Aufnehmer-
und Geberelemente können aus elastisch verformbaren Bauteilen, z.B. aus Metallfederbälgen
oder Wellrohrbälgen (;altenbälgen, Federbälgen) bestehen. Die auf einen Kraftaufnehmer
aufgebrachte Belastung wird hydraulisch in Form eines Flüssigkeitsdrucks auf einen
Kraftgeber übertragen, der beispielsweise zur Belastung von Prüflingen dient. Meist
ist hierbei noch eine Übersetzung zwischen Aufnehmer und Geber vorgesehen.
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Belastungseinrichtungen dieser Art werden auch für die Kalibrierung
von Waagen, Wägezellen, Kraftmeßeinrichtungen usw.
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verwendet. Bei diesen Einrichtungen werden an die Genauigkeit der
Kraftübsrtragung bzw. Belastung hohe Anforderungen gestellt. Schon sehr kleine systembedingte
Fehler schränken die Verwendbarkeit solcher Einrichtungen ein. Die elastische Verformbarkeit
der Aufnehmer- und Geberelemente macht sich bei den bekannten Einrichtungen nafteilig
bemerkbar und kann die Genauigkeit und die Funktion einer solchen Einrichtung ungünstig
beeinflussen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Belastungseinrichtung,
insbesondere für die Klibrierung von Waagen und Kraftmeßeinrichtungen zu schaffen,
die einfach und kom-
pakt aufgebaut ist und bei der Fshler, die
sich aus der elastischen Verformbarkeit der Aufnehmer- und Geberelemente ergeben
können, vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen
angegebenen Merkmale gelöst. Die Ansprüche enthaltsn auch Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung einer preisgünstigen und platzsparenden
Belastungseinrichtung, die wesentlich kompakter aufgebaut ist als beispielsweise
eine Einrichtung mit mechanischem Hebelwerk. Weiterhin wird mit dar vorgeschlagenen
Lösung eine hohe Konstanz der Belastung ohne einen besonderen Regelkreis erreicht.
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In der Zeichnung ist ein Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Es handelt sich um eine Belastungseinrichtung, die z.B. zum Kalibrieren
von Kraftmeßeinrichtungan verwendbar ist.
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Dia dargestellte Einrichtung weist einen Kraftaufnehmsr B1 und einen
Kraftgeber B2 auf, die titer eine Leitung R hydraulisch miteinander in Verbindung
st2hall AuFnehmer- und Gebarelemente sind gleich aufgebaut und bestehen aus geeigneten
Metallederbälaen, die in Belastungsrichtung elastisch verformbar sind. Der Kraftgeber
H2 ist zur Erzeugung hoher Kräfte im Durchmesser größer ausgeführt als der Kraftaufnehmer
B1. Es können jedoch auch gleisll große AuFnehmer-und Geberelemante varwandet werden.
Kraftaufnehmer B1 und Kraftgeber 82 sind am Festen THil der Einrichtung angebaut.
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Der Kraftgeber 82 kann auch getrennt vom Kraftaufnehmer BI angeordnet
werden.
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Der Kraftaufnehmer 81 wird über einen am festen Teil angebauten Laufgewichtshebel
FI mit einem verschiebbaren Laufgewicht L belastet. Anstelle der Belastung mit Hebel
und Laufgewicht kann auch eine andere Belastungsanordnung, z.B. mit Gehängen, gewählt
werden.
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Zur Erzeugung einer bestimmten Belastung wird bei der dargestellten
Anordnung zunächst das Laufgewicht L in die der gewünschten Laststufe entsprechende
Stellung gefahren. Dabei sinkt der Hebel H ab und legt sich auf einen unteren Anschlag
A2. Durch eine Hydraulikpumpe P wird nun über ein Vsntil V und die Verbindungsleitung
R solange Druckmittel in den Kraftaufnehmer 81 und den Kraftgeber 82 gefördert,
bis der Laufgewichtshebel H mit dem Laufgewicht L berührungsfrei unter dem Anschlag
Al steht. Danach wird das Ventil V geschlossen.
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Am Kraftgeber 82 wirkt nun auf einen nicht dargestellten Prüfling
eine Belastung F, die sich ergibt aus dem Verhältnis der Flächen der beiden Faltenbälge
B1 und 82, multipliziert mit dem Gewicht des LauFgewichts L und der eingestellten
Hebalübsrsetzung des Hebels H.
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Die Anschläg3 A 1 und A2 können nicht beliebig nahe am Laufgewichtshebel
H angeordnet werden, da sonst die Belastungs-Qinsteliung Schwierigkeiten bereitet
und Messungen durch das häufig Anliegen des Hebels H an den Anschlägen gestört bzw.
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die verFügbaren Meßzeiten zu kurz werden. Andererseits führen jedoch
Hebelbewegungen des Lau Fgewichtshebels H zwischen den Anschlägen A1 und A2 zu unerwünschten
Fehlern, da durch die Hebelbewegungen auch die Federbalge B1 und 82 verformt werden
und hierfür ein Teil der LauFgewichtsbelastung verbraucht wird. Absenkungen des
Hebels H bzw. Hebelbewegungn zwischen den Anschlägen können z.B. durch Kriecherscheinungen
im Prüfling verursacht werden.
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Um Fehler durch Hebelbewegungen des Hebels H zwischen den Anschlägen
Al und A2 zu vermeiden, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel am Kraftaufnehmer
81 eine Gelenkstab-Feder-Kombination angeordnet. Dies Stab-Federkombination hat
an ihren Anlenkpunkten die Wirkung einer Feder mit negativer Federkonstante und
kompensiert die positive Federkonstante von Kraftaufnehmer 81 und Kraftgeber 82.
Eine negative Federkonstante ist dann gegeben, wenn beispielsweise bei
einer
Zugfederanordnung die Federkraft mit steigender Auslenkung (Dehnung) der Feder abnimmt
bzw. umgekehrt bei abnehmender Fsderauslenkung zunimmt.
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Negative Federkonstanten lassen sich erzeugen z.B. durch Gelenkstab-Feder-Kombinat
ionen, Hebel- oder Winkelhebel-Federanordnungen oder mit Tellerfedern. Eine Gelenkstab-Feder-Kombination
und Hebel-Feder-Anordnungen sind nachstehend beschrieben. Tellerfedern lassen sich
bekanntlich mit sattelförmiger Federkennlinie herstellen. Der negative Ast der Federkennlinie
kann hierbei für den vorliegenden Zweck verwendet werden. Die Feder wird dabei anstelle
des nachstehend beschriebenen Federelements so eingebaut, daß bei Bewegungen des
Belastungshebels H nach unten eine KraftvergrBBerung und bei Hebelbewegungen nach
oben eine Verringerung der Federkraft auftritt.
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Das Federelament zur Erzeugung einer negativen Federkennlinie besteht
bei dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel aus vier Gelenkstäben 51 - S4, die an
ihren Endpunkten durch vier Gelenke so miteinander verbunden sind, daß sie ein Quadrat
oder eine Raute bilden. Der obere Gelenkpunkt ist mit dem festen Teil der Einrichtung
und der gagsnüberliegende untere Gelenkpunkt mit dem Belastungshebel H bzw. mit
dem Kraftaunehmer 81 verbunden. An den beiden übrigen Gelenkpunkten der Stabanordnung
ist eine waagerecht liegende Zugfeder Z unter Vorspannung angeschlossen. Die Zugfeder
Z erzeugt hierbei an der Stabanordnung eine senkrecht zur Zugfederachse verlaufende
Kraft in Belastungsrichtung. Die Vorspannung der Feder Z ist so gewählt, daß die
am Gelenkpunkt zwischen den Stäben S3 und S4 in Belastungsrichtung auftretende Federkraft
der Federkraft von Kraftaufnehmer B1 und Kraftgeber B2 in der Nullstellung des Belastungshebels
gerade das Gleichgewicht hält.
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Das Federelement mit den Stäben S1 - S4 und der Zugfeder Z weist in
Belastungsrichtung eine negative Federkonstante auf.
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Wsnn sich die Feder Z weiter zusammenzieht und dadurch der
Gelenkpunkt
zwischen den Stäben S3 und S4 mit dem Belastungshebel H nach unten geht, erhöht
sich die von dem Federelement in Belastungsrichtung ausgeübte Federkraft. Bei Aufwärtsbewegung
des Laufgewichtshebels H wird die Federkraft kleiner. Die Federkonstante der Zugfeder
Z wird so gewählt, daß die positive Federkonstante der beiden Federbälge 81 und
82 ausgeglichen und die Gesamtfederkonstante des Systems im Arbeitsbereich der Einrichtung
angenähert oder gleich Null wird. Durch eine solche Auslegung ergeben Hebelbewegungen
des Belastungshebels H zwischen den Anschlagen Al und A2 keine Belastungsänderungen,
da die durch die Auslenkung der Federbälge B1 und 82 verursachte Belastungsänderung
durch das Federelement mit den Stäben S1 - 54 und der Zugfeder Z ausgeglichen wird.
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Anstelle der beschrisbenen Anordnung mit Gelenkstäben S1 -S4 und Zugfeder
Z kann zum Ausgleich der Federwirkung der Geber 81 und 82 auch eine Winkelhebelanordnung
oder eine einfache Hebelanordnung vresahen werden (gestrichelt dargestellt). Dazu
wird beispielsweise der La«ewichtshebel H als Winkelhebel mit einem Schenkel W ausgebildet.
Der Schekel W kann dabei einen beliebigen Winkal zum Hebel H bilden. Am Ende des
Schenkels W ist eine am festen Teil der Einrichtung angeordnete, in Hebeirichtung
wirkende vorgespannte Druckfeder X angebaut. Bei Auslenkung des mit dem Laufgewichtshebels
H fest verbundenen Hebels W aus der Nullstellung erzeugt die vorgespannte Druckfeder
X mit zunehmender Auslenkung größer werdende Momente um den Hebeldrehpunkt D. Diese
Momente ergeben am Laufgewichtshebel H bzw. am Federbalg 81 die gewünschten Kraftwirkungen,
die die Federwirkung der Geber 81 und 82 ausgleichen.
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Wenn der Schenkel W des Winkelhebels senkrecht angeordnet wird, kann
an seinem oberen Ende anstelle der Druckfeder X auch ein Gewicht angeordnet werden
(nicht dargestellt). Bei Nullstellung befindet sich diese Anordnung im labilen Gleichgewicht.-
Bei Hebel-Auslenkungen ergeben sich die gleichen Kraftwirkungen wie bei der Anordnung
mit einer Druckfeder.
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Ein Ausführungsbeispiel mit einer einfachen Hebelanordnung erhält
man, wenn am freien Ende des Laufgewichtshebels H eine in Hebelrichtung wirkende
Druckfeder X' angeordnet wird. Diese Anordnung wirkt in gleicher Weise wie die beschriebene
Anordnung mit Winkelhebi. Die Hebel- oder Hinkelhebelanordnungen können auch getrennt
vom Laufgewichtshebel H vorgesehen werden.
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