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Mehrkomponentenwaage Auf besonderen Gebieten der messenden Technik
werden Waagen benötigt, die in der Lage sein müssen, gleichzeitig Kräfte zu messen,
die an verschiedenen Stellen eines Körpers angreifen und in den drei verschiedenen
Raumrichtungen wirken. An sich sind solche Waagen bekannt und finden z. B. in der
messenden Aerodynamik eine ausgedehnte Verwendung. Da es sich dabei vielfach um
sehr große Kräfte handelt, welche eine starke Übersetzung der Kräfte auf eine bequeme
Größenordnung erfordern, so liegt es nahe, für die Aufnahme dieser Kräfte hydraulische
Kolben zu verwenden, welche sich zur Aufnahme großer Kräfte besonders gut eignen.
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Da ein solcher Kolben nur zwei Freiheitsgrade hat, im allgemeinen
aber sechs gebrauchlwerden, so sind besondereHilfseinrichtungen, z. B. Gelenke,
nötig, um die fehlenden Freiheitsgrade zu schaffen. Durch die Anwendung dieser Hebel
geht aber die Einfachheit der Kolbenwaage verloren.
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Mit vorliegender Erfindung ist eine Anordnung gegeben, welche die
erforderlichen Freiheitsgrade einer Mehrkomponentenwaage bei einer für die Praxis
ausreichenden Empfindlichkeit und Meßgenauigkeit und einen verhältnismäßig einfachen
Aufbau besitzt.
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Die eigentlichen Waageelemente hierbei sind die an sich bekannten
sogenannten hydraulischen Waagen, bei welchen durch die zu messende Kraft ein gewisser
Flüssigkeitsdruck erzeugt wird, der seinerseits mit bekannten Mitteln gemessen werden
kann. Als einzelne Waage läßt sich ein solcher Zylinder ohne weiteres in der bekannten
Bauform verwenden. Sollen jedoch mehrere solcher Waagen unter oben gegebener Forderung,
daß Kräfte in den drei Raumrichtungen gemessen werden können, zusammengebaut werden,
so ist dies ohne weiteres nicht möglich, da ja die erwähnten hydraulischen Waagen
nur zwei Freiheitsgrade besitzen, nämlich einen in n Richtung der zu messenden Kraft
und
einen : bezüglich der Drehung des Kolbens im Zylinder.
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Erfindungsgemäß wird nun eine größere Zahl von Freiheitsgraden eines
solchen Waagezylin.ders dadurch ierreicht, daß diesem die Möglichkeit gegeben wird,
I. sich in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Kraft bewegen zu können und 2.
sich um Achsen drehen zu können, die irgendwie senkrecht zur Richtung der Kraft
liegen oder, anders gesagt, um Achsen, die irgendwie parallel zur erstgenannten
Ebene liegen.
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Da in fast allen Fällen die hydraulischen Waagen mit Flüssigkeiten
betrieben werden, welchen gewisse Schmiereigenschaften zukommen, werden weiterzerfindungsgemäß
die Beweglichkeiten in den oben gegebenen Richtungen dadurch erzielt, daß die Waage,
d. h. jeder einzelne Waagezylinder, auf Gleitflächen gesetzt wird, die mit der Betriebsflüssigkeit
der Waage betrieben werden, wodurch ein praktisch verschwindender Widerstand gegen
Verschiebung, also vollkommene Kräftefreiheit senkrecht mur Meßrichtung, erreicht
wird.
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An Hand der Abb. I wird näher erläutert, wie ein solcher Waagezylinder
im besonderen aufgebaut werden muß. Mit I ist der Kolben, auf den dieKraftPdrüclçt,
bezeichnet, 2 stellt den Zylinder der Waage dar, Ider an seinem unteren Ende nicht
geschlossen ist, sondern in eine ringförmige Kugelfläche übergeht.
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Diese Kugelfläche sitzt auf einer ihr entsprechenden Hohlkugeifläche,
die die eine Begrenzung des Teiles 3 ist. Die andere Begrenzung dieses Teiles ist
eine Ebene, die ihrerseits auf der ebenen Oberfläche des Teiles 4 sitzt. Teil 4
ist in dem Grundgestell der Waage 5 starr befestigt.
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Die Anordnung der beiden Gleitflächen zueinander kann natürlich auch
anders sein, so kann z. B. die ebene Gleitfläche oben und die gewölbte unten liegen.
Die Wölbung kann auch im entgegengesetzten Sinne sein. Ferner können statt einer
ebenen und einer gewölbten Fläche auch zwei gewölbte Flächen mit verschiedenem Krümmungsmittelpunkt
vertvandt werden.
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6 ist das Zuleitungsrohr für dieMeßflüssigkeit, 7 das Rohr, welches
den Meßdruck vom Zylinder zum Manometer fortleitet. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung
in oben gefordertem Sinne allseitiger Beweglichkeit bzw. Kräftefreiheit ist dann
die folgende: Wird der Kolben 1 mit einer Kraft belastet, so wird durch eine besondere
selbsttätige Einrichtung, die in dieser Abbildung mit II bezeichnet ist, von der
Rohileitung 6 die Druckflüssigkeit so unter den Kolben geleitet, daß dieser immer
in der gleichen Höhenlage stehenbleibt. Die Steuerung II ist eine an sich bekannte
Steuerung mit Hilfskolben, die durch die mit dem Kolben I verbundene nachgiebige
Stoßstange 12 betätigt wird. Der Kolben hebt sich aib bis zu der vorbestimmten Nullage.
In dem Zylinderraum besteht jetzt ein Flüssigkeitsdruck, der in bekanntem Verhältnis
zur Kraft P steht. Durch diesen Flüssigkeitsdruck beginnt nunmehr durch die Spalte
zwischen Zylinder und Kolben Flüssigkeit nach außen abzuströmen. Der Kolben wird
also gewissermaßen durch die abströmende Flüssigkeit gedichtet und vermag sich daher
vollkommen reibungsfrei zu bewegen. Damit der Kolben sich nicht an die Wand anlegen
kann, sind in dem Spalt noch sogenannte Strömungsquellen angebracht.
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Diese bestehen aus dem Sammelraum 8 und der Drossel 9. Die Anordnung
solcher Quellen zum Abstützen durchströmter Spalte soll hier nicht näher behandelt
werden, sie stellt den Gegenstand einer anderen Erfindung dar.
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Durch die Anordnung mehrerer solcher Quellen an besonderen Stellen
des Zylinderumfanges kann erreicht werden, daß der Kolben sich niemals an die Wand
anlegen kann. Weiter beginnt durch denFlüssigkeitsdruck durch den flächenförmigen
Spalt zwischen den Tei len 2 und 3 bzw. 3 und 4 Flüssigkeit zu stromen. Dabei entsteht
in dem Spalt ein gewisser Druckabfall, dessen Flächenintegral groß genug sein muß,
um einen Teil der Kraft P zu tragen. Der zu tragende Anteil ist in diesem Falle
durch den Druck auf die Ringfläche gegeben, deren Erzeugende mit 10 bezeichnet ist.
Da die Last auf die Ringfläche ebenso wie das Druddutegral iiber den Ringspalten
2, 3 bzw. 3, 4 nur von dem im Zylinder herrschenden Druck abhängig ist, läßt sich
ohne weiteres erkennen, daß zwischen diesen beiden, d. h. zwischen Tragfähigkeit
und Last, ein festes, baulich festzulegendes Verhältnis besteht. Dadurch, daß zwischen
den tragenden Spalten 2, 3 und 3, 4 nunmehr Flüssigkeit strömt, ist eine mechanische
Berührung der Flächen aufgehoben. Es ist das sogenannte hydrodynamische Tragen hergestellt,
bei welchem bekanntlich die Verschiebekräfte in seitlicher Richtung bei kleinen
Verschiebegeschwindigkeiten praktisch Null werden Damit nun diese Flächenspalte
durch eine einseitige Belastung nicht zusammenbrechen können, sind ebenso wie in
der Kolbenführung verschiedene sogenannte Stützquellen, oben Strömungsquellen genannt,
angeordnet, für die genau das gleiche, wie schon gesagt, gilt.
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Die Freiheitsgrade in den sechs Komponenten kommen folgendermaßen
zustande: Durch den Spalt zwischen 3 und 4 ist eine Bewegung in zwei Richtungen,
wir wollen sie
X- und Y-Richtung nennen, möglich. Außerdem ist durch
das Schwimmen Ides Kolbens auf dem 01 in dem Zylinder eine gewisse Beweglichkeit
in der Vertikal- oder Z-Richtung gewährleistet. Das Schwimmen des Kolbens ermöglicht
zugleich eine Drehung um die Z-Achse. Die Drehung um die X- und Y-Achse wird durch
den Kugelspalt zwischen 2 und 3 ermöglicht.
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In Abb. 2 wird eine Anordnung aus drei solcher Waageelemente beschrieben,
welche gestattet, Kräfte, die in beliebiger Raumrichtung wirken, sofort in die drei
Komponenten zu zerlegen. Es sind mit I3, 14 und 15 die Waagezylinder der einzelnen
Komponenten bezeichnet. Mit P möge wiederum eine Kraft bezeichnet werden, die in
beliebiger Raumrichtung auf die starre Verbindung 16 der einzelnen Kolben wirkt.
Damit im Falle der Nichtbenutzung der Waage diese nicht auseinanderfällt - die Teile
2 und 3 der Abb. I liegen nur lose auf - sind gewisse bauliche Vorkehrungen zu treffen,
die hier jedoch nicht erörtert zu werden brauchen.
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Sollen weiterhin Kräfte gemessen werden, die wohl senkrecht wirken,
deren Wirkungsort sich jedoch innerhalb gewisser räumlicher Grenzen verschiebt,
so wird eine Anordnung nach Abb. 3 gewählt werden müssen.
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Die Waagen sind mit I7, I8 und 19 bezeichnet. 20 ist ein starrer Rahmen,
der die Kolben untereinander fest verbindet. Es sind Meßeinrichtungen bekannt, die
unter Zwischenschaltung beweglicher Glieder mehrere Komponenten einer Kraft messen.
Hier dagegen handelt es sich mn eine starre Verbindung der einzelnen Waagen. Anstatt
des Gestänges 20 kann auch eine Platte o. dgl. Verwendung finden. Wirkt die Kraft
wie im Falle der Abb. 3 nun nicht mehr in nur senkrechter Richtung, sondern ähnlich
wie im Falle der Abb. 2 auch noch schräg, wobei. ihr Angriffsort nach Abb. 3 veränderlich
ist, d. h. liegt der allgemeinste Fall der Lastrichtung vor, so sind 6 Waagen anzuwenden,
die etwa nach dem Schema der Abb. 4 anzuordnen vor, so sind sechs Waagen anzuwenden,
die etwa nach dem Schema der Abb. 4 anzuordnen wären. In dieser Abbildung bedeuten
2I bis 26 die einzelnen Waagen für die verschiedenen Komponenten der Kraft P und
27 den starren Rahmen, der die Kolben der Waage fest miteinander verbindet. Auch
hier hat der Rahmen 27 nur schematische Bedeutung.
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Die vertikale Komponente wird durch die Meßkolben 2I, 22, 23 gemessen,
die beiden Horizontalen durch zwei Waagen 25 und 26 und durch eine Wange24, während
die Momente um die vertikale Achse von den Waagen 25, 26, die Momente um die Längsachse
von den Waagen 23 und 22 und die Momente um die Querachse von den Waagen 23, 22,21
aufgenommen werden. Es kommt dabei nur darauf an, daß jeder der sechs Freiheitsgrade
von einer Waage aufgenommen wird. Die Anordnung der Waagen kann also bezüglich der
Achsen zyklisch vertauscht werden.
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Entsprechend den Verhältnissen bei jeder bekannten Helbelwaage bzw.
Laufgewichtswaage müssen die Größen jeder der verschiedenen Komponenten immer größer
als Null sein, damit diese gemessen werden können.
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Es ist jedoch keine Schwierigkeit, durch geschickte Auswahl und Anordnung
bezüglich der herrschenden Kraftrichtung diese Forderung jederzeit zu erfüllen.