DE2952024C2 - Belastungseinrichtung zur Erzeugung und Übertragung von Kräften, insbesondere zur Kalibrierung von Kraftmeßeinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Belastungseinrichtung zur Erzeugung und Übertragung von Kräften, insbesondere zur Kalibrierung von Kraftmeßeinrichtungen, 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.

Zur hydraulischen Übertragung von Kräften sind Belastungseinrichtungen bekannt die mit Kraftaufnehmer- und Kraftgeberelementen arbeiten. Die Aufnehmer- und Geberelemente können aus elastisch verformbaren Bauteilen, z. B. aus Metallfederbälgen oder Weilrohrbälgen (Faltenbälgen, 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.

Belastungseinrichtungen dieser Art werden auch für die Kalibrierung von Waagen, Wägezellen, Kraftmeßeinrichtungen usw. verwendet. Bei diesen Einrichtungen werden an die Genauigkeit der Kraftübertragung 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 nachteilig bemerkbar und kann die Genauigkeit und die Funktion einer solchen Einrichtung ungünstig beeinflussen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Belastungseinrichtung, insbesondere für die Kalibrierung von Waagen und Kraftmeßeinrichtungen zu schaffen, die einfach und kompakt aufgebaut ist und bei der Fehler, die sich aus der elastischen Verformbarkeit der Aufnehmer- und Geberelemente ergeben können, vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Belastungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. 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 der vorgeschlagenen Lösung eine hohe Konstanz der Belastung ohne einen besonderen Regelkreis erreicht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es handelt sich um eine Belastungseinrichtung, die z. B. zum Kalibrieren von Kraftmeßeinrichtungen verwendbar ist.

Die dargestellte Einrichtung weist einen Kraftaufnehmer B i und einen Kraftgeber B 2 auf, die über eine Leitung R hydraulisch miteinander in Verbindung

stehen. Aufnehmer- und Geberelemente sind gleich aufgebaut und bestehen aus geeigneten Metallfederbälgen, die in Belastungsrichtung elastisch verformbar sind. Der Kraftgeber B 2 ist zur Erzeugung hoher Kräfte im Durchmesser größer ausgeführt als der Kraftaufnehmer B1. Es können jedoch auch gleich große Aufnehmerund Geberelemente verwendet werden. Kraftaufnehmer Bi und Kraftgeber B 2 sind am festen Teil der Einrichtung angebaut Der Kraftgeber 52 kann auch getrennt vom Kraftaufnehmer B1 angeordnet werden.

Der Kraftaufnehmer B1 wird über einen am festen Teil angebauten Laufgewichtshebel H mit einem verschiebbaren Laufgewicht L belastet Anstelle der Belastung mit Hebel und Laufgewicht kann auch eine andere Belastungsanordnung, z. B. mit Gehängen, gewählt werden.

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 A 2. Durch eine Hydraulikpampe P wird nun über ein Ventil V und die Verbindungsleitung R solange Druckmittel in den Kraftaufnehmer B1 und den Kraftgeber B 2 gefördert, bis der Laufgewichtshebel H mit dem Laufgewicht L berührungsfrei unter dem Anschlag A 1 steht. Danach wird das Ventil ^geschlossen.

Am Kraftgeber B 2 wirkt nun auf einen nicht dargestellten Prüfling eine Belastung F, die sich ergibt aus dem Verhältnis der Flächen der beiden Faltenbälge Bl und B2, multipliziert mit dem -Gewicht des Laufgewichts L und der eingestellten Hebelübersetzung des Hebels H.

Die Anschläge Ai und A 2 können nicht beliebig nahe am Laufgewichtshebel H angeordnet werden, da sonst die Belastungseinstellung Schwierigkeiten bereitet und Messungen durch das häufige Anliegen des Hebels H an den Anschlägen gestört bzw. die verfügbaren Meßzeiten zu kurz werden. Andererseits führen jedoch Hebelbewegungen des Laufgewichtshebels H zwischen den Anschlägen A 1 und Λ 2 zu unerwünschten Fehlern, da durch die Hebelbewegungen auch die Federbälge Bi und B 2 verformt werden und hierfür ein Teil der Laufgewichtsbelastung verbraucht wird. Absenkungen des Hebels //bzw. Hebelbewegungen zwischen den Anschlägen können z. B. durch Kriecherscheinungen im Prüfling verursacht werden.

Um Fehler durch Hebelbewegungen des Hebels H zwischen den Anschlägen A 1 und A 2 zu vermeiden, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel am Kraftaufnehmer B1 eine Gelenkstab-Feder-Kombination angeordnet. Diese Stab-Federkombination hat an ihren Anlenkpunkten die Wirkung einer Feder mit negativer Federkonstante und kompensiert die positive Federkonstante von Kraftaufnehmer Bi und Kraftgeber B 2. Eine negative Federkonstante ist dann gegeben, wenn beispielsweise bei einer Zugfederanordnung die Federkraft mit steigender Auslenkung (Dehnung) der Feder abnimmt bzw. umgekehrt bei abnehmender Federauslenkung zunimmt.

Negative Federkonstanten lassen sich erzeugen z. B. durch Gelenkstab-Feder-Kombinationen, Hebel- oder Winkelhebel-Federanordnungen oder mit Tellerfedern. E'.ne Gelenkstab-Feder-Kombination und Hebel-Feder-Anordnungen sind nachstehend beschrieben. Tellerfe- t>> dem 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 Federleinentes so eingebaut, daß bei Bewegungen des Belastungshebels H nach unten eine Kraftvergrößerung und bei Hebelbewegungen nach oben eine Verringerung der Federkraft auftritt

Das Federelement zur Erzeugung einer negativen Federkennlinie besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus vier Gelenkstäben Si—S4, die an ihren Endpunkten durch vier Gelenke so miteinander verbunden sind, daß sie ein Quadrat &der eine Raute bilden. Der obere Gelenkpunkt ist mit dem festen Teil der Einrichtung und der gegenüberliegende untere Gelenkpunkt mit dem Belastungshebel H bzw. mit dem Kraftaufnehmer B1 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 3elastungsrichtung. Die Vorspannung der Feder Zist so gewählt, daß die am Gelenkpunkt zwischen den Stäben 53 und 54 in Belastungsrichtung auftretende Federkraft der Federkraft von Kraftaufnehmer Bl und Kraftgeber B 2 in der Nullstellung des Belastungshebels gerade das Gleichgewicht hält.

Das Federelement mit den Stäben 51—54 und der Zugfeder Z weist in Belastungsrichtung eine negative Federkonstante auf. Wenn sich die Feder Z weiter zusammenzieht und dadurch der Gelenkpunkt zwischen den Stäben 53 und 54 mit dem Belastungshebel //nach unten geht, erhöht sich die von dem Federelement in ßelastungsrichtung ausgeübte Federkraft. Bei Aufwärtsbewegung des Laufgewichtshebels H wird die Federkraft kleinen Die Federkonstante der Zugfeder Z wird so gewählt, daß die positive Federkonstante der beiden Federbälge Bl und B 2 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 Anschlägen A 1 und A 2 keine Belastungsänderungen, da die durch die Auslenkung der Federbälge B 1 und B 2 verursachte Belastungsänderung durch das Federelement mit den Stäben 51 — 54 und der Zugfeder Z ausgeglichen wird. Anstelle der beschriebenen Anordnung mit Gelenkstäben 51 — 54 und Zugfeder Zkann zum Ausgleich der Federwirkung der Geber Bl und B 2 auch eine Winkelhebelanordnung oder eine einfache Hebelanordnung vorgesehen werden (gestrichelt dargestellt). Dazu wird beispielsweise der Laufgewichtshebel H als Winkelhebel mit einem Schenkel W ausgebildet. Der Schenkel W kann dabei einen beliebigen Winkel zum Hebel //bilden. Am Ende des Schenkels Wist eine am festen Teil der Einrichtung angeordnete, in Hebelrichtung wirkende vorgespannte Druckfeder X angebaut. Bei Auslenkung des mit dem Laufgewichtshebels //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 B1 die gewünschten Kraftwirkungen, die die Federwirkung der Geber B1 und B 2 ausgleichen.

Wenn der Schenkel W des Winkelhebels senkrecht angeordnet wird, kann an seinem oberen Ende anstelle der Druckfeder Xauch 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.

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 Winkelhebel. Die Hebel- oder Winkelhebelanordnungen können auch getrennt vom Laufgewichtshebel H vorgesehen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Belastungseinrichtung zur Erzeugung und Übertragung von Kräften, insbesondere zur Kalibrierung von Kraftmeßeinrichtungen, mit BeIastungselementen, 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, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der Federwirkung von Kraftaufnehmer (Bi) und Kraftgeber (B 2) an der Belastungseinrichtung ein in Belastungsrichtung wirkendes Kraftausgleichseiement angeschlossen ist

2. Belastungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftausgleichselement aus einem Federeiement mit negativer Federkonstante besteht

3. Belastungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement aus einer Gelenkstab-Feder-Kombination mit vier Gelenkstäben (Si bis S 4) besteht, die an ihren Endpunkten gelenkig miteinander verbunden sind und eine rautenförmige Anordnung bilden, daß ein Gelenkpunkt der Anordnung mit dem Kraftgeber (Bi) und der gegenüberliegende Gelenkpunkt mit einem Festpunkt verbunden ist und daß die beiden übrigen Gelenkpunkte der Gelenkstab-Anordnung durch eine horizontal angeordnete und vorgespannte Zugfeder (Z^ miteinander verbunden sind.

4. Belastungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement aus einer oder mehreren Tellerfedern besteht, wobei die Tellerfedern einen Bereich mit negativer Federkonstante aufweisen.

5. Belastungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Federkonstante des Federelementes so gewählt ist, daß die Gesamtfederkonstante des Systems im Arbeitsbereich der Einrichtung angenähert oder gleich Null ist

6. Belastungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftausgleichselement aus einem drehbar gelagerten Hebel (H) oder Winkelhebel (H, W) besteht, der mit dem Kraftgeber (B 1) verbunden ist, daß an diesem Hebel eine an einem Festpunkt abgestützte und in Hebelrichtung wirkende Feder (X, X') so angeordnet ist, daß bei Auslenkung des Hebels (H) oder Winkelhebels (H, W) aus einer neutralen Lage eine mit der Auslenkung zunehmende Kraft am Kraftgeber (B i) erzeugt wird.

7. Belastungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftausgleichselement aus einem an der Verbindungsstelle seiner beiden Schenkel drehbar gelagerten Winkelhebel (H, W) besteht, dessen einer Schenkel (W) vom Drehpunkt (D) vertikal nach oben und dessen zweiter Schenkel (H) im wesentlichen horizontal angeordnet ist, daß am Ende des vertikalen Schenkels (W) ein Gewicht angeordnet ist und daß der im wesentlichen horizontal angeordnete Schenkel (H) mit dem Kraftgeber (BX) verbunden ist, so' daß bei Auslenkung des Winkelhebels (H, W) aus einer neutralen Lage eine mit der Auslenkung zunehmende Kraft am Kraftgeber (Bi) erzeugt wird.

8. Belastungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftausgleichselement an einem zur Aufbringung einer Belastung auf den Kraftaufnehmer (Bi) wirkenden Belastungshebel (H) mit verschiebbarem Laufgewicht (L) angeordnet ist