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Kraftmeßeinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Kräften gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die DOS 26 24 647 beschreibt eine Kraftmeßeinrichtung zum Messen der
auf ein Meßobjekt wirkenden Kräfte und Momente eines strömenden Mediums mit einem
Objektträger, welcher in einem eine Bewegung in Richtung der Kraftkomponenten zulassenden
Lagerungssystem angeordnet und in jeder dieser Richtungen von einer Kraftmeßeinrichtung
gehalten ist.
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Der Objektträger ist in hydrostatischen Lagern sowohl in vertikaler
Richtung als auch in beliebigen Richtungen in einer horizontalen Ebene gelagert.
Als Kraftmeßvorrichtung werden Dehnungsmeßstreifenkraftaufnehmer verwendet.
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Bei derartigen und ähnlichen Kraftmeßeinrichtungen sind des öfteren
Kräfte zu messen, die um einen bestimmten höheren Grundbetrag in erheblich geringerem
Ausmaß schwanken. Dies bedeutet, daß der Meßbereich der Kraftmeßvorrichtung in der
Größenordnung dieser großen Kraft liegen muß, so daß die Messung verhältnismäßig
ungenau ist. Die
bekannten Kraftmeßvorrichtungen, insbesondere Dehnungsmeßstreifenvorrichtungen,
können nur positive Kräfte messen, d. h. Kräfte in einer bestimmten Richtung, nicht
jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Gerade bei Windkanalwaagen, wie sie beispielsweise
in der DE-OS 26 24 647 beschrieben sind, sollen jedoch Kräfte in beiden Richtungen
erfaßt werden. Zur Verbindung der Kraftmeßvorrichtungen mit dem Objektträger oder
der Brücke, auf der ein Objekt angeordnet wird, sind bei den bekannten Kraftmeßeinrichtungen
störende Übertragungsstangen und Watt'sche Hebel erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßeinrichtung
der gattungsgemäßen Art in der Funktion erheblich zu verbessern und im Gesamtaufbau
zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Kraftmeßeinrichtung
mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Krafteinrichtung zeichnet sich aus durch eine
stufenlos veränderliche Vorbelastung, eine Direktmessung des Kraftvektors und einen
beliebig einblendbaren Feinmessbereich zusammengefaßt in einer kompakten Einheit.
Übertragungsstangen und Watt'sche Hebel fallen weg. Die erfindungsgemäße Einrichtung
besitzt eine große Steifigkeit und dadurch eine hohe Eigenfrequenz. Es können Kräfte
in entgegengesetzter Richtung gemessen werden.
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Die erfindungsgemäße Kraftmeßeinrichtung ist überall dort anwendbar,
wo Kräfte oder Kraftkomponenten bei hohen Vorlasten möglichst genau gemessen werden
sollen. Eine spezielle Anwendung ist eine Windkanalwaage.
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Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung werden
nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung
zum Messen einer Kraft (Komponente), die in einer vertikalen oder Z-Richtung wirkt.
In einem Gestell 2 ist ein Kraftaufnahmekörper mittels hydrostatischer Lager 24
zur Bewegung in der Z-Richtung geführt, der beispielsweise aus einer eine Brücke
1 abstützenden Säule 26 besteht. Ein nicht gezeigtes Objekt kann auf die Brücke
aufgesetzt und einem Luftstrom ausgesetzt werden. Der Vektor Z stellt die Kraftkomponente
in Z-Richtung einschließlich des Gewichts des Objekts dar.
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Auf der Unterseite der Säule 26 ist eine Schrägfläche 32 angebracht,
die sich entweder über den ganzen Durchmesser oder vorzugsweise einen Teil der Unterseite
der Säule 26 erstreckt, wie dies Fig. 1 zeigt. Die Schrägfläche 32 ist über weitere
hydrostatische Lager 24 in Anlage mit einer ersten Fläche eines Keiles 5. Die Achse
42 des Keils ist vorzugsweise zur Z-Richtung geneigt, wie auch die Schrägfläche
32. Letztere kann mit der Z-Richtung einen Winkel zwischen 30 bis 60° , vorzugsweise
40 bis 500, einschließen. Beim Ausführungsbeispiel ist der Winkel zwischen der Schrägfläche
32 und der Z-Richtung etwa 450.
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Eine untere zweite Fläche des Keils 5 ist über weitere hydrostatische
Lager in Eingriff mit einer im Inneren des Rahmens 2 vorgesehenen Schrägfläche.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das verjüngte Ende des Keils 5 nach unten
gerichtet und mit einer Kraftmeßvorrichtung 7 etwa einer Dehnungsmeßstreifenvorrichtung
oder irgendeiner anderen Kraftmeßzelle verbunden. Die Kraftmeßvorrichtung 7 stützt
sich an einer Schrägfläche im Inneren des Rahmens 2 ab.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Verwendung einer mit einer hydrostatisch
gelagerten Keil verbundenen Kraftmeßvorrichtung aus der DE-OS 27 58 340 bekannt
ist,
wobei jedoch die bekannte Einrichtung dazu dient, eine einstellbare
Kraft an ein Objekt anzulegen und sich die Keilachse in horizontaler Richtung erstreckt.
Das Kraftübertragungsverhältnis des Keils hängt vom Anwendungsfall ab und kann beispielsweise
zwischen 1 : 5 und 1 : 1000 liegen.
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Das Kraftübertragungsverhältnis des Keils wird auch bestimmt durch
die Art der Kraftmeßvorrichtung, den Neigungswinkel des Keils zur Kraftrichtung
und die nachstehend noch zu beschreibende Ausgleichskraftvorrichtung.
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Die auf den Keil ausgeübte Ausgleichskraft dient dazu, das Gewicht
des Kraftaufnahmekörpers und des Objekts auszugleichen. Auch kann eine gewisse zusätzliche
Grundkraftkomponente in Z-Richtung zusätzlich ausgeglichen werden. Die Ausgleichskraftvorrichtung
ist beim Ausführungsbeispiel ein Behälter 9, der an der unteren zweiten Fläche des
Keils 5 vorzugsweise in deren Schwerpunkt angebracht ist. Zum Ausgleichen aller
oder eines eines Teils der vorgenannten Kräfte kann der Behälter 9 von einem Tank
10 über eine Pumpe 11 mit Flüssigkeit 16 gefüllt werden. Dies ermöglicht eine kontinuierliche
Änderung der Ausgleichskraft durch Änderung des Gewichts oder Volumens der Flüssigkeit
16 im Behälter 9. Über ein Ventil 13 kann der Behälter 9 ganz oder teilweise in
den Tank 16 entleert werden.
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Die Arbeitsweise der Kraftmeßeinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel
ist wie folgt: Beim Aufsetzen des Objekts auf die Brücke 1 wird der Keil 5 in Fig.
1 nach links oben gedrückt. Dem Behälter 9 wird nun solange Flüssigkeit 16 zugeführt,
bis der Keil 5 in eine Position zurückgebracht wurde, die für die Kraftmeßvorrichtung
7 den günstigsten Meßbereich bietet.
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Alternativ dazu kann der Behälter 9 auch bereits vor Anbringen des
Objekts auf der Brücke 1 mit einer dem Gewicht des Objekts entsprechenden Flüssigkeitsmenge
gefüllt
werden.
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Wird nun ein Luftstrom auf das Objekt gelenkt, dann ist die Kraftmeßvorrichtung
7 genau die Kraftkomponente in Z-Richtung. Da alle Grundkräfte durch die Ausgleichskraft
ausgeglichen sind, werden nur Kräfteänderungen gemessen, so daß sich eine verbesserte
Genauigkeit ergibt.
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Aufgrund der Keilwirkung sind zum Ausgleich selbst großer Kräfte in
der Größenordnung von einer Tonne oder mehr nur kleine Massen in der Größenordnung
von wenigen kg erforderlich.
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Die die Ausgleichskraft bewirkende Flüssigkeit kann auch durch andere
Massen ersetzt werden, obwohl das Flüssigkeitssystem den Vorteil einer besonders
exakten, einfachen und kontinuierlichen Einstellung bietet. Bevorzugt kann als Flüssigkeit
auch das Fluid verwendet werden, das bereits für die hydrostatische Lagerung vorhanden
ist.
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Die Kraftmeßvorrichtung gemäß der Erfindung kann zum Messen von Kräften
in beliebigen anderen als der Z-Richtung verwendet werden. Prinzipiell kann die
Säule 26 unter einem beliebigen Winkel zur Horizontalen geneigt sein, ja auch mit
ihrer Längsachse in der Horizontalen liegen. Wesentlich ist lediglich, daß die Schrägfläche
32 und der Keil 5 derart angeordnet sind,daß an letzterem eine Vorlast angreifen
kann, die der Kraftausübung auf den Kraftaufnahmekörper 1, 26 entgegenwirkt. Insbesondere
ist die Längsachse des Keils 5 derart anzuordnen, daß die Ausgleichskraft den Keil
nach unten zieht bzw.
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drückt.
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Es sei darauf hingewiesen, daß durch die beliebige Veränderbarkeit
der Ausgleichskraft der Meßbereich der Kraftmeßvorrichtung 7 auch beliebig verschoben
werden
kann. Dieser Vorteil wird nachstehend noch anhand des dritten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die erfindungsgemäße Kraftmeßeinrichtung ist überall dort anwendbar,
wo eine in Richtung der Bewegung eines Kraftaufnahmekörpers angelegte Kraft dder
Kraftkomponente unabhängig von hohen Grundkräften exakt gemessen werden soll.
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Fig. 2 zeigt im Prinzip eine zweite Ausführungsform zur Verwendung
beim Messen einer horizontalen Kraft oder Kraftkomponente in X-Richtung. Gleiche
funktionelle Elemente wie in Fig. 1 sind in Fig. 2 mit entsprechend apostrophierten
Bezugszeichen versehen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 besitzt die Brücke 1" eine
untere Fläche 22, die auf dem Rahmen 2" über hydrostatische Lager 24" in Eingriff
ist. In der Praxis wird es erforderlich sein, in X-Richtung an die Plattform 1"
eine Grundkraft anzulegen, um die hydrostatischen Lager dichtzuhalten.
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Die Arbeitsweise des zweiten Ausführungsbeispiels gleicht derjenigen
des ersten Ausführungsbeispiels, so daß eine weitere Beschreibung sich erübrigt.
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In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß es zweckmäßig ist,
die Vorlast im Schwerpunkt der unteren Fläche des Keiles 5 angreifen zu lassen,
da dadurch das hydrostatische Lager gleichmäßig belastet wird.
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Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Kraftmeßeinrichtung, bei der durch Anordnung mindestens eines, vorzugsweise zweier
weiterer Keile nicht nur ein Vorlastausgleich erzielt werden kann, sondern auch
die Möglichkeit gegeben wird, mittels einer Feinbereichskraftmeßvorrichtung unter
Verändern der Ausgleichskraft einen großen Großbereich zu überstreichen.
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Ein Gestell 2 besitzt eine ringförmige horizontale Stirnfläche 22,
auf der mittels hydrostatischer Lager 24 mit ihrer unterseitigen Stirnfläche eine
Brücke 1 praktisch reibungslos gelagert ist. Die Brücke 1 besitzt sich nach unten
erstreckend eine Säule 26 mit rechteckigem, vorzugsweise quadratischem Querschnitt.
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Wie bereits erwähnt, dient das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Kraftmeßeinrichtung zur Messung der Komponenten X und Y in horizontaler Richtung,
wobei in den Richtungen X und Y einander entsprechende Elemente verwendet werden,
so daß in der Zeichnung lediglich die Elemente in einer Richtung, beispielsweise
der X-Richtung, dargestellt sind.
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Bei der Kraftmeßeinrichtung nach dem Ausführungsbeispiel ist die Säule
26 zwischen zwei Keilen 3 und 4 über hydrostatische Lager reibungslos geführt. Keile
mit hydrostatischer Lagerung, die mit einer Kraftmeßvorrichtung verbunden sind,
sind an sich bekannt, zum Beispiel aus der DE-OS 27 58 340.
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Der Keil 3 dient zum Einstellen einer Vorlast und ist mit seinem verjüngten
Ende nach unten gerichtet, wobei seine der Säule 26 gegenüberliegende Fläche an
einer Schrägfläche 28 des Basisrahmens 2 ebenfalls hydrostatisch gelagert ist.
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An der dem a.rorlastkeil 3 gegaRberliegenden Seite der Säule 26 ist
der Neßkeil 4 vorgesehen, dessen nach oben verjüngtes Ende unmittelbar mit einer
Grobkraftmeßvorrichtung 6,etwa.einer Dehnungsmeßstreifenvorrichtung verbunden ist,
die sich an einem Träger 30 des Basisrahmens 2 abstützt.
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Die der Säule 26 gegenüberliegende Schrägfläche des Grobmeßkeils 4
bildet mit einer Schrägfläche 32 eines Feinmeßkeils 5 eine weitere hydrostatische
Lagerung, während die andere senkrechte Fläche des Feinme!3keils 5 an einer senkrechten
Fläche 34 des Basisrahmens 2 hydrostatisch gelagert ist. Das nach oben gerichtete
breite Ende des FeinmePZkeils 5 ist direkt mit einer Feinktaftmeßvorrichtung 7 verbunden,
die sich am Träger 30 des Basisrahmens 2 abstützt.
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Das untere verjüngte Ende des Vorlastkeils 3 ist mit einer Vorlastvorrichtung
verbunden, die eine kontinuierlich veränderbare blasse aufweist und mittels der
eine in der X-Richtung wirkende Grundkraft ausgeglichen werden kann. Obwohl die
Vorlastvorrichtung aus einer beliebig veränderbaren .Wtasse,etwa Gewichten,bestehen
kann, wird bevorzugt bei dem erfindungsgemäßen Beispiel ein Vorlastbehälter 8 verwendet,
der einer ein Glied 36 an dem unteren verjüngten Ende des Vorlastkeils 3 angelenkt
ist. Der Vorlastbehälter 8 kann mittels einer Pumpe mit Flüssigkeit 16 aus einem
Tank 10 kontinuierlich beschickt werden, wenn ein Verteilerventil 15 geöffnet ist.
Der Vorlast behälter 8 läßt sich andererseits über ein Ventil 12 ganz oder teilweise
entleeren, wobei die abgegehene Flüssigkeit in den Tank 16 zurückfließt.
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Der Feinmeßkeil 5 ist mit seinem unteren verjüngten Ende iiber ein
Glied 38 mit einer Kraftausgleichsvorrichtung verbunden, die aus einer beliebigen
veränderbaren Masse bestehen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ausföhrungsbeispiel wird jedoch bevorzugt
ein Ausgleichsbehälter 9 verwendet, dem Flüssigkeit 16 aus dem Tank 10 mittels der
Pumpe 11 iiber ein Verteilerventil 14 zuführbar ist. Der Ausgleichsbehälter 9 läßt
sich andererseits kontinuierlich über ein Ventil 13 ganz oder teilweise entleeren,
wobei
die Flüssigkeit in den Tank 10 zurückfließt.
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Die Feinkraftmeßeinrichtung 7 besitzt vorzugsweise einen kleineren
Meßbereich als die Grobkraftmeßeinrichtung 6, beispielsweise kann der Feinmeßbereich
ein Zehntel des Grohmeßbereichs betragen. Durch stufenlose Veränderung der FlAssigkeitsmasse
16 in dem Ausgleichsbehälter 9 kann der.Feinmeßhereich im gesamten Hauptmeßbereich
verschoben werden.
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Es sei darauf hingewiesen, daß bei Verwendung des Vorlastkeils 3 auch
eine einzige Kraftmeßvorrichtung mit einem einzigen Meßkeil angeordnet sein kann,
die der Grohkraftmeßvorrichtung 6 mit Grobmeßkeil 4 entsprechen, wobei die Schrägfläche
32 dann an die senkrechte Flache 34 im Basisrahmen 2 tritt.
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Andererseits könnte auch der Vorlastkeil 3 wegfallen und es wird nur
die Anordnung der Meßkeile 4,5 und der Kraftmeß.einrichtungen 6,7 verwendet, wobei
dann ein Vorlastausgleich nur durch den Ausgleichsbehälter 9 erfolgt. Die beschriebene
Ausführungsform bringt jedoch die Möglichkeit der besonders genauen Messung, wobei
zuerst ein Ausgleich der Vorlast über den Vorlastkeil 3 erfolgt,und dann zusätzlich
die Möglichkeit der Verschiebung des Feinmeßbereichs über den Feinmeßkeil 5 gegeben
ist.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung ist wie
folgt: Durch Zuführen von Flüssigkeit 16 aus dem Tank 10 in den Vorlastbehälter
8 wird zuerst eine zu erwartende Grundkraft in X-Richtung derart ausgeglichen, daß
zu erwartende «1meßwerte im Grokmeßbereich der Grobkraftmeßvorrichtung 6 liegen.
werden nun auf ein nicht aezeigtes, auf der Knicke 1 angehrachtes Objekt
Kräfte
in der X-Richtung ausgeübt, dann kann der Feinmeßbereich der Feinkraftmeßvorrichtung
7 durch Ztlfiihren oder Ableiten von Flüssigkeit 16 aus dem Aulsgleichsbehälter
9 je nach gerade angewandten Kräften kontinuierlich im Grobmeßbereich verschoben
werden.
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Für die Y-Richtung sind die gleichen Elemente wie für die X-Richtung
vorgesehen, wobei von einem einzigen Tank 10 und einer einzigen Pumpe 11 Gebrauch
gemacht werden kann. Der Tank 10 kann vorzugsweise auch für die Beschickung und
für das Auffangen der Flüssigkeit für die hydrostatische Lagerung verwendet werden.
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Das Kraf tiierset zungsverhHltnis der Keile richtet sich nach den
jeweiligen Verhältnissen llnf kann z.R. 1: S bis 1:1000 betragen.
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Die Voriasten sind dann durch äußerst kleine Massen aiisglcichbar.
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Als kraftmeßvorrichtung können auch elektrodynamische, piezoelektrische,
gyrodynanische und Saiten- kraftmeßzellen dienen.
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