DE29619227U1 - Hydraulische Kraftmeßdose - Google Patents

Description

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AG/pa-fr

Hydraulische Kraftmeßdose

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kraftmeßdose, bei der sich in einer Zylinderbohrung ein mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllter, geschlossener Druckraum befindet, der an einen Druckmesser angeschlossen ist und der über einen in der Zyiinderbohrung axial verschieblichen Kolben beaufschlagbar äst, der zum Druckraum durch eine zwischen Zylinderwand und Kolbenmantel liegende Ringdichtung

&iacgr;&ogr; abgedichtet ist.

Kraftmeßdosen werden zu statischen und dynamischen Kraftmessungen eingesetzt. Neben elektromechanischen Kraftmeßsystemen sind hydraulische Kraftmeßdosen weit verbreitet, die sich durch ihre zuverlässige und robuste mechanische Konstruktion auszeichnen und ohne Verwendung elektrischer Energie auskommen.

Hydraulische Kraftmeßdosen nach dem Stand der Technik weisen in der Regel einen kapsel- oder ringförmigen Stahldruckkörper auf, der als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist. Die Krafteinleitung erfolgt dabei axial über den in der Zylinderbohrung axial verschieblichen Kolben, der auf einen mit einer inkompressiblen Übertragungsflüssigkeit gefüllten, geschlossenen Druckraum wirkt. Der Druck der Übertragungsfiüssigkeit ist proportional zur Kraftbeaufschlagung des Kolbens und wird durch einen mit dem Druckraum verbundenen Druckmesser, beispielsweise ein Manometer, erfaßt. Dieses ist so kalibriert, daß es mit seinem Anzeigeorgan die dem Druck in dem Druckraum proportionale, auf den Kolben einwirkende Kraft direkt anzeigt.

Für einen zuverlässigen Dauerbetrieb muß insbesondere sichergestellt sein, daß keine Übertragungsflüssigkeit aus dem Druckraum entweicht. In diesem Zusammenhang ist die Abdichtung des axial verschieblichen Kolbens zum Druckraum von besonderer Bedeutung.

Nach dem Stand der Technik sind hydraulische Kraftmeßdosen bekannt, bei denen der Druckraum" zum Kolben durch eine in die Zylinderbohrung eingeklebte Kunststoffmembran hermetisch gedichtet ist. Derartige Meßdosen funktionieren zuverlässig, haben ein gutes Ansprechverhalten und sind unter normalen Betriebsbedingungen überaus haltbar.

&iacgr;&ogr; Weiterhin ist es bekannt, zwischen dem Kolben und der Zylinderwand eine umlaufende O-Ringdichtung anzuordnen. Hierzu wird beispielsweise eine umlaufende Ringnut in die Zylinderwand eingebracht, in die der Dichtring eingelegt wird. Um eine sichere Dichtwirkung zu erreichen, ist es erforderlich, daß der O-Ring in dem Dichtspalt zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand unter radialer Pressung steht. In der Praxis müssen daher die Maße so gewählt werden, daß der O-Ring eine erhebliche radiale Quetschverformung erfährt, damit sich bei den im Betrieb mitunter hohen auftretenden Drücken im Druckraum eine ausreichende Dichtwirkung ergibt.

Die vorbeschriebene, an sich sachgerechte installation eines O-Rings bringt jedoch für den Betrieb einer Kraftmeßdose Nachteile mit sich. Durch die erforderliche radiale Einquetschung des O-Rings treten unabhängig von der Belastung zwischen Zyiinderwand und Kolbenoberfläche hinsichtlich der Axialverschiebung des Kolbens hohe Reibungskräfte auf. Das Meßergebnis wird dadurch in der Größenordnung der Reibungskräfte verfälscht. Werden ausschließlich relativ hohe Kräfte gemessen, ist dieser Effekt zwar vernachlässigbar, allerdings ist eine hinreichend genaue Messung geringerer Lasten oder von null ansteigender Kräfte mit O-Ring-gedichteten Kraftmeßdosen nach dem Stand der Technik nicht möglich. Eine Verringerung der Reibung durch eine Reduzierung der radialen Quetschung des O-Rings ist ebenfalls nicht durchführbar, da die Dichtigkeit des Druckraums gefährdet würde.

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Für Anwendungen mit normalen Anforderungen sind die nach dem Stand der Technik bekannten Ausführungen mit eingeklebter Kunststoffmembran gut geeignet. In besonderen Anwendungsfällen können jedoch außergewöhnliche Belastungen auftreten, beispielsweise bei überlangen, kontinuierlichen Belastungen im Mehrschichtbetrieb, bei hohen Belastungsfrequenzen oder durch Umwelteinflüsse wie außergewöhnlich hohe oder niedrige Temperaturen. Durch derartige extreme Bedingungen können im Einzelfall Probleme hinsichtlich der Haltbarkeit auftreten.

Daraus ergäbt sich die Aufgabe der Erfindung, eine Ringdichtung für &iacgr;&ogr; hydraulische Kraftmeßdosen zur Verfügung zu stellen, die auch bei extremen Belastungen den Kolben in der Zylinderbohrung zuverlässig abdichtet und eine genauere Messung auch kleinerer Kräfte ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Ringdichtung ein Flachform-Dichtring ist, der konisch aufgewölbt in einer umlaufenden Ringnut angeordnet ist.

Der erfindungsgemäße Flachform-Dichtring hat im ausgebauten, d.h. unverformten Zustand, in etwa die Form einer ebenen Ringscheibe. Im Querschnitt ist der Ring oval und in radialer Richtung breiter als in axialer Richtung hoch.

Erfindungsgemäß ist der Flachformdichtring in einer umlaufenden Ringnut eingesetzt, die entweder in den Kolbenmantel oder in die Zylinderwandung eingebracht sein kann. Die erfindungsgemäße Besonderheit besteht darin, daß dieser Flachformdichtring nicht in seiner ebenen Grundform in der Ringnut einliegt, sondern daß der ringförmige Dichtspalt einen kleineren Außendurchmesser und einen größeren Innendurchmesser aufweist als der Flachform-Dichtring in ausgebautem Zustand und dieser somit in eine konische Form gezwungen wird. Der vormals ebene Flachform-Dichtring wird dadurch im eingebauten Zustand zu einem Kegelmantel-Abschnitt aufgewölbt. Die Ringnut sollte dabei so bemessen sein, daß der Querschnitt des Dichtrings etwa diagonal im Querschnitt der Nut liegt, wobei die innere

dichtende Auflagefläche des Dichtrings axiaien Abstand zu dessen äußerer Auflagefläche hat.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Dichtrings liegt darin, daß die Dichtwirkung nicht durch eine radiale Quetschung wie beim O-Ring, sondern durch die radialen Vorspannkräfte bei der konischen Torsion des Fiachform-Dichtrings aufgebracht werden. Die radiale Pressung und damit die Reibungskraft im unbelasteten Zustand ist dadurch deutlich geringer als beim O-Ring. Daraus resultiert der Vorteil, daß das Ansprechverhalten gegenüber den bekannten Ausführungsformen erheblich verbessert wird,

&iacgr;&ogr; d.h. bereits kleinere Lasten mit höherer Genauigkeit sicher erfaßbar sind.

Die Dichtwirkung des Flachform-Dichtrings ist jedoch in vorteilhafter Weise bei den höchsten zulässigen Belastungen ebenfalls gegeben. Sobald nämlich der Kolben durch eine anstehende Last in die Zylinderbohrung eingeschoben wird, treten nämlich Effekte auf, wodurch die Dichtwirkung des Dichtrings erhöht wird, Durch die sich dabei gegeneinander axial verschiebenden Auflageflächen auf dem Kolbenmantel bzw. der Zylinderwandung wird der Flachform-Dichtring in Richtung auf seine ursprüngliche, flache Form zurückgedrückt. Dabei wird dessen breiterer, radialer Querschnitt in den ringförmigen Dichtspalt gezwängt. Zugleich tritt durch den im Druckraum anstehenden, erhöhten Druck eine axiale Stauchung des Dichtrings ein, wodurch es ebenfalls in dem elastisch verformbaren Material des Dichtrings zu einer erhöhten radialen Spannung kommt. Somit wird abhängig von der Belastung die erforderliche Dichtwirkung dynamisch erhöht.

Vorzugsweise wird der Flachform-Dichtring derart in der Ringnut angeordnet, daß seine konische Wölbung sich zum Druckraum hin aufweitet. Auf diese Weise wird erreicht, daß die bei einer axialen Stauchung des Dichtrings in die Ringnut eintretende Übertragungsflüssigkeit den Dichtring in besonders günstiger Weise gegen die Dichtflächen preßt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Ringnut in den Kolben eingebracht ist. Diese Maßnahme ist insbesondere

fertigungstechnisch vorteilhaft, da die Nut einfach auf einer Drehbank in den Kolben eingestochen werden kann.

Für die weitaus überwiegende Mehrzahl der Anwendungsfälle ist die erfindungsgemäße Verwendung eines Flachform-Dichtrings hinreichend. Dabei ist die überaus gute Dichtwirkung bereits durch die Eigenschaften des Dichtrings selbst sichergestellt. Bei Sonderanwendungen mit besonders hohen Innendrücken, die mehr als etwa 60 bar betragen, ist es allerdings vorteilhaft, daß vom Druckraum aus gesehen axial hinter dem Flachform-Dichtring in der Ringnut ein Stützring angeordnet ist. Dieser Stützring, der

&iacgr;&ogr; beispielsweise aus Teflon besteht und einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt hat, stützt sich flächig gegen die dem Druckraum abgewandte Axialfläche der Ringnut ab und weist zur Zylinderwand lediglich ein sehr geringes Axialspiel auf. Dadurch wird sichergestellt, daß der Flachform-Dichtring auch bei einem außergewöhnlich hohen Innendruck nicht aus der Ringnut heraus zwischen Kolben und Zylinderwandung gequetscht wird, wodurch unter Umständen Schaden auftreten könnten. Die erhöhte Betriebssicherheit bei diesen besonders hohen Belastungen rechtfertigt somit auch den erhöhten Material- und Montageaufwand für den Stützring.

Besonders vorteilhaft ist es, daß der Stützring axial schräg geteilt ist. Durch einen einseitigen Schlitz läßt sich der Stützring zur Montage leicht aufbiegen und in die Ringnut einsetzen. Der besondere Vorteil bei der Kraftmeßdose entsteht allerdings dadurch, daß der Schlitz schräg verläuft, also in etwa einer Schraubenfiäche mit relativ großer Steigung folgt. Wird nämlich der Stützring axial belastet, d.h. wenn eine große Kraft auf den Kolben ansteht und der Dichtring gegen den Stützring gepreßt wird, gleiten die Flächen des Schlitzes aufeinander und der Stützring wird radiai aufgespreizt. Der Ringspalt zwischen Stützring und Zylinderwand wird damit nahezu vollständig durch den Stützring geschlossen, so daß eine Beschädigung des Dichtrings praktisch ausgeschlossen ist.

so Vorzugsweise besteht der Stützring aus Teflon. Dieses Material hat hervorragende chemische Resistenz und besonders gute mechanische Eigenschaften, beispielsweise einen geringen Reibungswiderstand.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftmeßdose ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftmeßdose;

einen Querschnitt durch einen Flachform-Dichtring gem. Fig. 1 in ausgebautem Zustand;

einen Querschnitt durch einen Stützring gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist die Kraftmeßdose als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Diese weist eine Zylinderbohrung 2 auf, in der sich axial verschieblich ein Kolben 3 befindet.

Die Zyiinderbohrung 2 und der Kolben 3 schließen einen Druckraum 4 ein, der mit gestrichelt eingezeichneter Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist. An den Druckraum 4 ist als Druckmesser ein Manometer 5 angeschlossen, welches eine nicht dargestellte Anzeigevorrichtung aufweist, die direkt auf die Kraft geeicht ist, die auf den Kolben 3 einwirkt.

In einer umlaufenden Ringnut 6 in dem Kolben 3 sind ein konisch aufgewölbter Flachform-Dichtring 7 sowie ein Stützring 8 axial hintereinander angeordnet.

Der Flachform-Dichtring 7 hat in der dargestellten Ausführungsform einen ovalen Querschnitt, wie sich insbesondere aus Fig. 2 ergibt, die dessen ausgebauten, unverformten Zustand zeigt. Im Gegensatz zu Fig. 2 ist der Fiachform-Dichtring 7 im eingebauten Zustand gemäß Fig.1 nach oben aufgewölbt, d.h. er ist zwischen dem Grund der Ringnut 6 und der Wandung der Zylinderbohrung 2 in die Form eines zum Druckraum hin sich erweiternden Kegelmantels gezwungen.

Fig. 3 zeigt den Stützring 8 aus Fig. 1 in einer separaten Schnittdarstellung. Während aus Fig. 1 deutlich hervorgeht, wie sich der Stützring 8 an der dem Druckraum abgewandten Axialfiäche der Ringnut 6 flächig abstützt, ist aus Fig. 3 entnehmbar, wie er einseitig durch einen schrägen Schlitz 9 geteilt ist.

Wird der Kolben 3 der Kraftmeßdose 1 axial belastet, wird er in der Zyünderbohrung 2 in Richtung auf den Druckraum 4 geringfügig verschoben. Der Druck der im Druckraum 4 eingeschlossenen Ubertragungsfiüssigkeit steigt proportional zur Belastung, wodurch die Last &iacgr;&ogr; auf dem Manometer 5 angezeigt wird.

Beim Eintauchen des Kolbens 3 in die Zyünderbohrung 2 ist die durch den Flachform-Dichtring 7 verursachte Reibung zunächst gering, da in dem Dichtspalt lediglich die radiale Vorspannung durch die konische Torsion ansteht. Somit kann eine am Kolben 3 anstehende Kraft praktisch von null an gemessen werden. Bei höheren Belastungen wird der Fiachform-Dichtring 7 zum einen durch die Relativverschiebung des Kolbens 3 in der Zyünderbohrung 2 in seine Ursprungsform zurückgerollt, wodurch sein in Radialrichtung breiterer Querschnitt in die Ringnut 6 gequetscht wird und sich somit die Dichtwirkung erhöht. Gleichzeitig staucht die vom Druckraum 4 aus in die Ringnut 6 eindringende Übertragungsflüssigkeit den Flachform-Dichtring 7 axial gegen den Stützring 8, wodurch die radiale Pressung und damit die Dichtwirkung nochmals erhöht wird.

Wenn der Flachform-Dichtring 7 axial gegen den Stützring 8 gepreßt wird, gleiten dessen Teilungsflächen in dem Schütz 9 aufeinander und er wird radial gegen die Wandung der Zyünderbohrung 2 aufgespreizt. Dadurch wird die Zyünderbohrung 2 zur Ringnut 6 spielfrei geschlossen, der Flachform-Dichtring 7 also flächig abgestützt.

Aus der vorbeschriebenen Funktionsweise wird deutlich, daß durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Flachform-Dichtrings 7 einerseits der Meßbereich einer Kraftmeßdose 1 nunmehr nahezu bei null anfängt und an-

dererseits eine sichere Dichtwirkung auch bei den höchsten zulässigen Be- ^: lastungen gegeben ist.

Claims (6)

Schutzansprüche

1. Hydraulische Kraftmeßdose, bei der sich in einer Zylinderbohrung ein mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllter, geschlossener Druckraum befindet, der an einen Druckmesser angeschlossen ist und der über einen in der Zylinderbohrung axial verschieblichen Kolben beaufschlagbar ist, der zum Druckraum durch eine zwischen Zylinderwand und Koibenmantel liegende Ringdichtung abgedichtet ist,

dadurch gekennzeichnet,

&iacgr;&ogr; daß die Ringdichtung ein Fiachform-Dichtring (7) ist, der konisch aufgewölbt in einer umlaufenden Ringnut (6) angeordnet ist.

2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Wölbung des Flachform-Dichtringes (7) sich zum Druckraum (4) hin aufweitet.

3. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (6) in den Kolben (3) eingebracht ist.

4. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Druckraum (4) ausgesehen, axial hinter dem Flachform-Dichtring (7) in der Ringnut {6} ein Stützring (8) angeordnet ist.

5. Kraftmeßdose nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (8) axial schräg geteilt ist.

6. Kraftmeßdose nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (8) aus Teflon besteht.