DE3412483C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein elektromechanischer Meßumformer-Zapfen, insbesondere zur Messung von Kräften veränderlicher Wirkungslinie, wobei am Zapfenumfang jeweils zwei einander paarweise radial gegenüberliegende Zylindermantelflächen und ebene Mantelflächen ausgebildet sind und an den ebenen Mantelflächen mindestens je zwei Deformationsmeßfühler angeordnet sind, die in eine Meßbrücke eingeschaltet sind, wobei der Angriffspunkt bzw. die Angriffslinie der Kraft und der Reaktionskraft auf den zylindrischen Mantelflächen liegt.

Eine der am häufigsten gemessenen Größen in der industriellen Praxis ist die Kraft. Mit der Verbreitung der elektrischen Meßmethoden wurden zur Umformung der Kraft in elektrische Signale zahlreiche Lösungen ausgearbeitet. Am meisten verbreitet für diese Aufgabe sind zur Zeit die mit Dehnungsmeßstreifen versehenen Meßumformer, die jedoch auch eine andere physikalische Erscheinung nutzen. Zur richtigen Umwandlung der Kraft in elektrische Signale in derartigen elektromechanischen Meßumformern ist es jedoch erforderlich, daß die Wirkungslinie der zu messenden Kraft und die Meßrichtung des Meßumformers zusammenfallen. In allen anderen Fällen entstehen aus der zusätzlichen Beanspruchung im Meßkörper zusätzliche Spannungen. Solange die auf den Meßkörper wirkende Resultierende eine einzige Kraft ist, liefert der Meßumformer aus dieser resultierenden Kraft ein zu der in die Meßrichtung fallenden Komponente proportionales elektrisches Signal. Tritt als Resultierende auch ein Moment auf, so wird auch von diesem die der Kraft entsprechende Komponente von dem Umformer gemessen.

In der Praxis wird deshalb große Sorgfalt auf die richtige Einführung der Kraft in den Meßumformer gelegt. Mittels besonderer Konstruktionselemente wird für die Aufnahme der zur Meßrichtung senkrechten Kräfte gesorgt - damit diese nicht auf den Meßkörper des Meßumformers einwirken - und mit besonderer Konstruktion wird für die Verhinderung des Entstehens von von der Meßrichtung abweichenden Kraftwirkungen gesorgt. Dies wurde durch die Entwicklung von nach ihrer Bauart Träger darstellenden Kraftmessern gelöst. Später wurden für diesen Zweck ihrem Aufbau nach Meßachsen bzw. Zapfen darstellende Meßumformer verwendet. Trotz dieser vielfältigen Konstruktionen kommt es in zahlreichen Meßaufgaben vor, daß außer dem Absolutwert der Kraft sich auch die Richtung der Wirkungslinie der Kraft verändert.

Sämtliche der bis jetzt bekannten Meßumformer liefern nur zu der in die Meßrichtung fallenden Kraftkomponente proportionale elektrische Signale. Eine derartige Ausführungsform ist z. B. in der SU-PS 1 98 735 beschrieben. Grundsätzlich ist diese Ausführungsform als an beiden Enden abgestützter Träger ausgebildet. Zwischen den beiden Abstützungen sind zwei Kegelstümpfe angeordnet, die mit ihrer den größeren Durchmesser aufweisenden Grundfläche gegeneinandergestellt sind. Der Doppelkegel ist auf seinem den größeren Durchmesser aufweisenden Teil durch eine zu der zylindrischen Buchse senkrechten Kraft belastet. Auf diese Weise ist dieser Träger auf Biegung beansprucht. Die Beanspruchung kann soweit erhöht werden, bis die Erzeugenden der Kegel parallel zu der Erzeugenden der Buchse zu liegen kommen, d. h. mit diesen zusammenfallen.

Einen ähnlichen hinsichtlich seiner Bauart zapfenförmigen Kraftmesser beschreibt auch die US-PS 35 54 025. Der Meßkörper ist ein beiderseits eingspannter Träger, an dessen einem Ende ein Moment und eine Kraft wirken. Auch das Moment wird durch die zu messende Kraft bewirkt. Der Aufbau der Meßbrücke ist so gehalten, daß sie gegen seitliche Kräfte unempfindlich ist, d. h. nur die in Richtung der senkrechten (mit der zu messenden Kraft zusammenfallenden) Achse des Meßquerschnittes wirkende Kraft mißt. Aus diesem Grunde ist zur richtigen Arbeitsweise des Meßumformers seine Orientierung zu der zu messenden Kraft von außerordentlicher Wichtigkeit (z. B. beim Messen von Seilkräften).

Bei einer anderen Ausführungsform (DE-PS 24 35 322) wirken auf beide Enden der Rohrachse die zu messende Kraft und die Reaktionskraft als ein Kräftepaar ein und auf diese Weise ist der Rohrachsenträger zwischen den beiden mittleren Kraftübertragungsstellen auf ein konstantes Moment beansprucht. Die Meßfühler sind jedoch an den beiden Enden an einer ein veränderliches Moment aufweisenden Stelle in der Ebene der neutralen Faser in zu den Scherspannungen in einem Winkel von ±45° liegenden Richtungen angeordnet.

Auf diese Weise ermöglicht der Meßumformer die Messung der zur neutralen Ebene der Rohrachse senkrechten Kraftkomponente. Auf ähnliche Weise arbeitet auch der Meßumformer gemäß der DE-PS 26 31 698 mit einem Kräftepaar an beiden Enden des Trägers. An allen unterschiedlich ausgebildeten Querschnitten ist der Dehnungsmeßfühler auf der zur neutralen Ebene senkrechten tangentialen Fläche angeordnet, und zwar mit einer in die Richtung der sich aus den Scherspannungen ergebenden Zug- bzw. Druckspannungen zeigenden Meßrichtung.

Eine interessante Lösung beschreibt die DE-OS 26 50 442. Bei dieser Ausführungsform wird die eine Komponente der beiden zueinander senkrechten Komponenten der Kraft gemessen, die in dem Maschinenelement (Stange, Arbeitszylinder usw.) entsteht, das in der die beiden im Mechanismus der Arbeitsmaschinen (Hebemaschinen) vorhandenen Gelenke verbindenden Geraden liegt. Die Ausführungsform des Meßkörpers ist ein achszapfenförmiger durchgehender Träger mit drei Abstützungen, von denen jede als Einspannung aufgefaßt werden kann. Von diesen Einspannungen repräsentieren die beiden äußeren z. B. die Reaktionskraft, während die mittlere die zu messende Kraft ist. Die neutrale Achse des Querschnittes des gebogenen Stabes fällt mit der Richtung der Komponente zusammen, deren Messung nicht erwünscht ist, wogegen die dazu senkrechte Achsrichtung die Meßrichtung der Meßachse ist.

Der SU-Urheberschein 1 40 593 beschreibt einen Meßachszapfen, der die Bestimmung einer auf die Achse von Maschinenkonstruktionen wirkenden Kraft ermöglicht. Der Meßumformer ist in seinem Aufbau ein an seinen beiden Enden abgestützter und in der Mitte belasteter Träger. Die durch die zu messende Kraft herbeigeführte Beanspruchung wird in Richtung von zwei zur Längsachse des Trägers und auch zueinander senkrechten Achse gemessen, die zu messende Kraft sozusagen in diese zwei Komponenten zerlegt. Bei der beschriebenen Ausführungsform sind entlang des Zylinders bei den beiden Durchmessern des Querschnittes Nuten ausgebildet, auf deren Bodenflächen die Dehnungsmesser angeordnet werden. Die als Produkt der Kraftkomponenten und der Spannweiten erhaltenen Momente ergeben die Ausgangssignale der Meßbrücken. Die tatsächliche Kraft wird durch quadratische Summierung und Quadratwurzelziehen erhalten; ihre Richtung kann - im Vergleich zu den beiden Achsen - durch eine arctg- Beziehung erhalten werden.

Aus der DE-OS 29 32 597 ist ein Meßelement bekannt, dessen Oberseite aus einer im wesentlichen zylinderförmigen Mantelfläche besteht und dessen sich längs des Meßelements erstreckenden Seitenflächen sowie Unterseite aus im wesentlichen ebenen Flächen besteht. Dabei wird das Meßelement von Schlitzen zwischen den Seitenflächen durchdrungen, wovon sich in den beiden Endbereichen des Meßelements jeweils ein Schlitz vertikal erstreckt und im unteren Bereich des Meßelements jeweils ein Schlitz längs des Meßelements erstreckt. Mit diesen Schlitzen wird erreicht, daß sich in Längsrichtung des Meßelements gesehen in dessen Mittelbereich ein relativ steifer Meßbalken ausbildet, der im wesentlichen nur an zwei wie elastische Gelenke wirkenden Verbindungsstellen aufgehängt ist und von einem in der Mitte des Meßbalkens angreifenden Steg von unten unterstützt wird. Dabei soll erreicht werden, daß in den durch die vertikal verlaufenden Schlitze von dem Meßbalken abgetrennten Endteilen eine reine Schubbeanspruchung auftritt, wodurch von an diesen Endteilen angebrachten Dehnungsmeßstreifen die vertikal auf den Meßbalken einwirkende Kraft unabhängig von dem Angriffspunkt auf dem Meßbalken, d. h. der Meßstrecke, erfaßt werden können soll. Das Meßelement eignet sich nur zum Messen von vertikal auf das Meßelement einwirkenden Kräften, und damit insbesondere zum Einbau in einen Eisenbahn- Schienenstrang, womit beispielsweise die Radlast eines Eisenbahnwagens gemessen werden kann.

Aus der US-PS 39 92 934 ist ein gattungsgemäßer Meßumformer- Zapfen zum Lagern eines Hakens zum Aufnehmen eines Schiffstaus bekannt, mit welchem die auf das Schiffstau wirkende Kraft gemessen werden kann. Dieser Meßumformer- Zapfen weist ebenso wie der erfindungsgemäße Meßumformer- Zapfen zwei gegenüberliegende ebene Mantelflächen und Zylinderflächen auf, wobei an den ebenen Mantelflächen Deformationsmeßfühler angebracht sind. Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Meßumformer-Zapfen werden hierbei Scherspannungen gemessen, die zwischen den Lagerstellen des Zapfens auftreten. Dabei ist dieser Zapfen mittels zwei Platten an dem Haken festgelegt und bewegt sich entsprechend mit diesem mit, wobei der Haken sich seinerseits mit der sich zeitlich verändernden Richtung der auf ihn einwirkenden Seilkräfte der Schiffstaue mitbewegt. Da der Zapfen nach der US-PS 39 92 934 nicht die Möglichkeit bietet, bei identischem Betrag der Kraft und unterschiedlicher Wirkungslinie ein identisches Meßergebnis zu liefern, mußte hier eine spezielle Konstruktion bereitgestellt werden, die gewährleistet, daß die Kraft immer in der gleichen Richtung an dem Meßumformer- Zapfen angreift.

Die Erfindung löst die Aufgabe, einen gattungsgemäßen Meßumformer-Zapfen zu schaffen, der die Möglichkeit der Messung des Absolutwertes der auf den Zapfen wirkenden Kraft auch in dem Falle ermöglicht, wenn die Wirkungslinie der zu messenden Kraft eine veränderliche Richtung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich die Zylindermantelflächen und die ebenen Mantelflächen jeweils über die gesamte Zapfenlänge hin erstrecken und längs der gesamten Länge der beiden ebenen Mantelflächen derart tiefe, zu der geometrischen Achse des Zapfens parallele Schlitznuten in die ebenen Mantelflächen eingearbeitet sind, daß die Schlitznuten über die geometrische Achse hinausreichen, und daß die Deformationsmeßfühler an den ebenen Mantelflächen an der dem Nutgrund der jeweiligen Schlitznut gegenüberliegenden Stelle angeordnet sind.

Die Schlitze können in Bezug auf die geometrische Achse des Zapfens symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sein. In beiden Fällen besteht die Möglichkeit, die Schlitze senkrecht zur Wirkungslinie der Kraft bzw. Reaktionskraft oder mit derselben einen Winkel einschließen anzuordnen. Der Grund der Schlitze ist vorzugsweise abgerundet, so daß in Ecken entstehenden Spannungsspitzen vermieden werden können.

Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, daß eines der in der Praxis des Maschinenbaues am meisten verbreitet verwendeten Maschinenelemente, der Zapfen, der ein einfachen Fall den Kraftfluß zwischen zwei oder mehreren Maschinenteilen über eine Scherbeanspruchtung gewährleistet, sofern er mit entsprechenden Schlitzen versehen ist, anstelle der einfachen Scherbeanspruchung eine derartige Spannungsverteilung sicherstellt, die sich zur Messung des Absolutwertes von Kräften mit Wirkungslinien veränderlicher Richtung eignet.

Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Vorderansicht einer Ausführungsform des ausgeführten Meßzapfens,

Fig. 2 die perspektivische Darstellung der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform,

Fig. 3 das Schaltschema der zu der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsform gehörenden Meßanordnung,

Fig. 4 die Auswahl der geometrischen Abmessungen des Meßzapfens,

Fig. 5 eine elektrische Schaltung mit zwei Meßkreisen,

Fig. 6 eine Ausführungsform des Zapfens, bei der der Hebelarm der durch die auf den Zapfen wirkenden Kraft herbeigeführten Biegung für beide Seiten nicht identisch ist,

Fig. 7 eine Variante, bei der der Hebelarm der Biegung für beide Seiten gleich, jedoch auf die Mittellinie des Zapfens bezogen asymmetrisch ist,

Fig. 8 eine Ausführungsform, bei der die Schlitze zur Mittellinie bezogen asymmetrisch angeordnet sind,

Fig. 9 eine Einsatzmöglichkeit des Meßzapfens zur kontinuierlichen Messung der Bandspannkraft im Verlaufe des Walzens von Metallbändern, und

Fig. 10 ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem der Zapfen in den Ausleger einer Hebemaschine eingebaut ist.

Die Ausführungsform aus den Fig. 1 bis 3 besteht aus einem Zapfen 1, der durch die ebenen zueinander parallelen Flächen 2 und die Zylindermantelflächen 3 begrenzt wird, wobei die Zylinderflächen 3 einerseits und die ebenen Flächen 2 andererseits einander jeweils paarweise gegenüberliegen und die Achse der Zylinderflächen 3 mit der Zapfenachse 6 zusammenfällt. Die ebenen Flächen 2 sind zu der Zapfenachse 6 symmetrisch angeordnet. Auf die Zylindermantelflächen 3 des Zapfens 1 wirken die Kräfte 4 und 5. Die ebenen Flächen 2 liegen parallel zu der durch die Kräfte 4 und 5 sowie die geometrische Achse 6 des Zapfens 1 gebildeten Ebene.

In den Zapfen 1 sind zwei jeweils von einer der ebenen Mantelflächen 2 ausgehende Schlitze 7 und 8 ausgebildet. Die Ebenen der Schlitze 7 und 8 verlaufen parallel zueinander und parallel zu der geometrischen Achse 6. Die Schlitze 7, 8 sind - gesehen parallel zu den ebenen Mantelflächen 2 - gegenüber der Achse 6 mit gleichen Abständen versetzt angeordnet und reichen jeweils über die die Achse 6 enthaltende, zu den ebenen Mantelflächen parallele Ebene hinaus, so daß der Zapfenquerschnitt etwa S-förmig ist. Bei der Ausführungsform aus den Fig. 1 und 2 verlaufen die Schlitzebenen jeweils senkrecht zu den ebenen Mantelflächen 2. Auf den ebenen Flächen 2 sind in Verlängerung desjenigen Schlitzes 7, 8, der jeweils von der anderen ebenen Fläche 2 ausgeht, in dessen Schlitzebene gegenüberliegend, die Deformationsmeßfühler 9, 10 bzw. 11, 12 vorzugsweise beidseitig der Längsmitte des Zapfens angeordnet.

Die Deformationsmeßfühler 9 bis 12 sind Dehnungsmeßstreifen mit einem Widerstand R, die in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise in eine Meßbrückenschaltung 13 eingeschaltet werden können und die, dabei an die Speisequelle 14 angeschlossen, das zu den Kräften 4 und 5 proportionale Ausgangssignal 15 (U _out) liefern. Dieses Signal kann ggf. unter Zwischenschaltung eines bekannten Datenverarbeitungsgerätes 16 an eine analoge 17 und/oder digitale 18 Anzeigeeinheit angeschlossen werden. Das System kann nötigenfalls durch eine Grenzwertanzeige und Schaltereinheit 19 bzw. eine Vorwahl- und Zuführeinheit ergänzt werden. Das System kann auch eine beliebige Mikroprozessor- Steuerung enthalten. Mit dem beschriebenen System können von der einfachen Kraftmessung über komplizierte Sicherheits- und Schaltaufgaben auch die zu den weitgehend komplexen Aufgaben der Verwiegetechnik zählenden Messungen ausgeführt werden. Die Unterbringung der Verdrahtung des Meßkreises wird durch die im Zapfen 1 vorgesehenen Bohrungen 22 bis 25 sichergestellt, von denen die eine Bohrung 23 als Sackloch axial zum Zapfen verläuft, das von dem zu der einen ebenen Fläche 2 führenden Sackloch 22 kleineren Durchmessers angeschnitten wird und von dem radial zur Zapfenachse und senkrecht zum Sackloch 22 die ebenfalls als Sackloch ausgebildete, bis zu der einen Zylinderfläche 3 verlaufende Bohrung 24 ausgeht, die sich mit der parallel zum Sackloch verlaufenden, zu der anderen ebenen Mantelfläche führenden Sackloch- Bohrung 25 schneidet.

Der Zapfen 1 kann anstelle der konzentrischen Zylindermantelflächen 3 auch mit unterschiedliche Achsen 26, 27 aufweisenden Zylindermantelflächen 3 a und 3 b ausgeführt sein, die in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt sind.

Eine derartige Ausführungsform führt neben der Möglichkeit der Messung auch zu einer zwangsläufigen Selbsteinstellung, soweit die Wirkungslinie 4 bis 5 der Kräfte nicht durch die durch die Mittelachsen 26, 27 bestimmte Ebene verläuft.

Die mechanische Beanspruchung des Umformers ist eine Biegebeanspruchung und deren Wert kann durch geeignete Wahl der geometrischen Abmessungen auf das gewünschte Maß eingestellt werden. Mit den Bezeichnungen in Fig. 4 ergibt sich, wenn die Resultierende der wirkenden Kräfte F _A bzw. F _R ist, die Kraft:

|F _A | = F _R = F;

auf den Querschnitt b×h, d. i. den Steg zwischen dem Schlitzgrund des jeweiligen, von der einen ebenen Mantelfläche ausgehenden Schlitzes und der anderen ebenen Mantelfläche, wirkt das Moment

M = F · l

und auf den Flächenteilen 2 entsteht nach der Beziehung

eine Zugspannung, die durch die Widerstände R der Dehnungsmeßfühler 9, 10, 11 und 12 in die Widerstandsänderung R umgewandelt wird. Für die gegebene Anordnung gilt U _out=f(F), d. h., wenn die gemeinsame Wirkungslinie von F _A und F _R von der zur Schlitzebene 2 l×b senkrechten Ebene abweicht, d. h. zu dieser nicht parallel verläuft, so erscheint als Ausgangssignal der Kosinus des Winkels α zwischen dieser Ebene und der Wirkungslinie:

U′ _out = U _out cosα = f(F) cosα

Die Meßgrenzen des Meßumformers werden neben den Werkstoffkennwerten (E, Elastizitätsmodul) durch die geometrischen Abmessungen und die Kraft F _A=F _R=F bestimmt. Bei der zulässigen Spannung σ _zul im Meßkörper gehört zum Moment M=F · l der Festigkeitskoeffizient

Aus den auf den Seitenflächen 2 des Meßumformers angeordneten Widerständen R 9 und 10 bzw. 11 und 12 und den an einer spannungsfreien Stelle angeordneten Widerständen R₀ sind die Meßkreise 131 und 132 aufgebaut (Fig. 5), für welche die an deren Ausgang erscheinende Signalspannung U _out proportional zu der das Moment M hervorrufenden Kraft F ist. Das Ausgangssignal der aus den Widerständen R aufgebauten Meßkreise 131 und 132 wird durch die Datenverarbeitungseinheit 16 zu einem Ausgangssignal umgewandelt. Dieses wird dann die Aufgabe entsprechend weiter verarbeitet.

Schließt die Resultierende F′ der sich verteilenden Belastungen mit den Schlitzebenen 2 l×b einen Winkel (90-α) ein, so verändert sich der Kraftarm gemäß der Beziehung

l′ = (l-ctga)cosα

d. h. er wird zur Funktion des Winkels α und so auch die Signalspannung U _out wie folgt:

U _out = f*(F, α)

Ziel der Messung ist die Bstimmung der Kraft F; aus zwei voneinander unabhängigen Meßergebnissen kann die Kraft F berechnet werden. Die Meßkreise 131 und 132 sind zur geometrischen Achse 6 symmetrisch und so liefern sie - obwohl sie voneinander unabhängig sind - das gleiche Ergebnis.

Für die Beanspruchung der ersten Fläche 2 ist das maßgebliche Moment

M₁ = F(l-ctgα)cosα, und

für die zweite Fläche 2

M₂ = F(l-ctgα)cosα.

Die Gleichung des Meßkreises ist

in unbelastetem Zustand (F=0), und

wenn F≠0 d. h. Δ R=f(F) ist. Die Funktion f(F) ergibt wegen der Symmetrie für R den gleichen Wert und so ist U _out₁=U _out₂. Dies ergibt keine Möglichkeit zur Bestimmung von α und F.

Es ist notwendig, die Ungleichheit M₁≠M₂ durch die Geometrie zu sichern. Dazu bieten sich zwei Möglichkeiten:

• a) der Hebelarm der Biegung ist für beide Seiten nicht gleich (Fig. 6), d. h. l₁≠l₂, oder
• b) der Hebelarm der Biegung ist für beide Seiten gleich (l₁=l₂=l), jedoch sind die Schlitze in bezüglich der Zapfenachse 6 nicht symmetrischen Ebenen angeordnet (Fig. 7), d. h. c₁≠c₂, wobei c₁ und c₂ den senkrechten Abstand der Schlitzebenen von der die Längsmittellinie der ebenen Flächen 2 und die Zapfenachse 6 enthaltenden Ebene bedeutet.

Für den Fall a) (Fig. 6) mit der Bedingung σ _zul =konstant für beide Seiten, wird

d. h.

Mit derartigen geometrischen Abmessungen kommt bei einer Kraftrichtung senkrecht zu den Schlitzebenen ebenfalls die Gleichheit U _out₁=U _out₂ zustande. Die beiden Meßkreise liefern zusammen die Signalsumme

Σ U _out = U _out₁+U _out₂

und die Signaldifferenz

Δ U _out=U _out₁-U _out₂

Aus der Signalsumme erhält man die Kraftmeßzahl F.

Die Signalfrequenz

Δ U _out=0

bedeutet, daß die Wirkungslinie der Kraft senkrecht zu den Schlitzebenen

[(l₁+l₂)×b]

verläuft.

Im Fall U _out≠0 kann die Abweichung α der Wirkungslinie von der Senkrechten zu den genannten Ebenen berechnet werden.

Es ist nämlich

U _out₁ = k · M₁ = kF′(l₁-ctgα)cosa

und

U _out₂ = k · M₂ = kF′(l₂-ctgα)cosα

weiterhin

Σ U _ki = kF′(l₁+l₂-2ctgα)cosα

und

Δ U _out = kF′(l₁-l₂)cosα.

Man erhält den Quotienten:

woraus:

Hiermit ist der Wert F′ aus U _ki bestimmbar:

oder aus Δ U _out:

Die geeignete Wahl der Werte l₁, l₂ und c ermöglicht eine weitere Vereinfachung dieser Ausdrücke. So ist mit der Wahl l₁-l₂=2c:

und

Für den Fall b) (Fig. 7) kann folgendes geschrieben werden:

σ _zul =konst.

für beide Seiten und da l=konst.:

M₁ = M₂ = F · l
Σ M=M₁+M₂=2F · l
Δ M = M₁-M₂=0

Die Aussage dieser beiden Gleichungen ist der der vorstehend detallierten gleich, d. h.:

und

Δ U _out =0, d. h. die Kraft F ist senkrecht zur Schlitzebene (2l×b).

Es wirkte die Kraft F′ im Vergleich zu dieser Senkrechten in einer mit dem Winkel α abweichenden Wirkungslinie. So sind die zustandekommenden Momente

M₁ = F′(l+c₁ tgα)cosα

und

M₂ = F′(l-c₂ tga)cosα

und ihre Summe und ihre Differenz:

Σ M=M₁+M₂=F′(2l-c tgα)cosα

Δ M = M₁-M₂=F′(c₁+c₂) tgα · cosα

Zum Auflösen nach tgα wird der Quotient Σ M/Δ M gebildet:

woraus

Hiermit ergibt sich die gesuchte Kraft zu:

Bei Betrachtung der Figuren und der Gleichungen ist zu ersehen, daß im Falle c=0 auch c₁=c₂ ist, wodurch weitere Vereinfachungen erreicht werden können:

und

Diese Situation bzw. Ausführung zeigt Fig. 8. Zur Bestimmung eines genauen Spannungsmessers ist neben dem vorhergehenden vereinfachten Gedankengang auch die komplexe Beanspruchung zu berücksichtigen, d. h. daß auf den gegebenen Querschnitt b×h die Kraft auch als Druckkraft wirkt und wegen des Breitenmaßes des Schlitzes auch noch mit weiteren Biegebeanspruchungen zu rechnen ist.

Wie aus der Zeichnung und aus den oben gemachten Angaben ersichtlich, sind nach Fig. 6 die Schlitze mit ihren Schlitzebenen bezüglich der die Längsmittellinien der ebenen Mantelflächen und die Zapfenachse enthaltenden Ebene symmetrisch und zu dieser parallel angeordnet. Die ebenen Mantelflächen des Zapfens jedoch sind bezüglich der zu ihnen parallelen, die Zapfenachse enthaltenden Ebene unsymmetrisch angeordnet. Außerdem ist jeweils der Abstand l 1 zwischen dieser letztgenannten Ebene und dem Schlitzgrund des eines Schlitzes von dem Abstand l 2 zwischen dieser Ebene und dem Schlitzgrund des anderen Schlitzes verschieden.

Die betreffenden Abstände l bei der Ausführungsform aus Fig. 7 sind hingegen untereinander gleich, nach welcher die die Zapfenachse enthaltende, zu den ebenen Mantelflächen des Zapfens parallele Ebene deren Symmetrieebene bildet. Die Schlitze sind jedoch nach Fig. 7 mit ihren Schlitzebenen bezüglich der die Längsmittellinien der ebenen Mantelflächen und die Zapfenachse enthaltenden Ebene unsymmetrisch angeordnet, und zwar nach Fig. 2 beide zu der gleichen Seite dieser Ebene hin parallel gegen diese versetzt angeordnet.

Nach Fig. 8 schließlich verlaufen die Schlitzebenen zu den ebenen Mantelflächen des Zapfens und zu der deren Längsmittellinien und die Zapfenachse enthaltenden Ebene in einem von Null verschiedenen Winkel, wobei jedoch die Schlitzgründe jeweils parallel zu den ebenen Mantelflächen des Zapfens verlaufen und die oben definierten Abstände l′ 1 und l′ 2 ungleich sind und jeweils die Abstände zwischen der Schlitzmündung und der die Längsmittellinien und die Zapfenachse enthaltenden Ebene, die zwischen diesen Schlitzmündungen liegt, ebenfalls ungleich sind.

Eine charakteristische Verwendungsart der beschriebenen Lösungen ist aus Fig. 9 ersichtlich. Die Aufgabe besteht beim Walzen von Metallbändern in der kontinuierlichen Messung der Spannkraft F der Bänder. Das zwischen den Walzen 28 und 29 hindurchgeführte Band 30 läuft über die Leitrolle 31 auf die Wickeltrommel 32. Da sich auf der Wickeltrommel 32 die Menge des aufgewickelten Bandes 30 kontinuierlich verändert, verändert sich auch die Lage der Komponenten Fa, Fb . . . usw. entsprechend der jeweiligen Einlauftangente an die Wickeltrommel in bezug auf die (konstante) Richtung der Kraft F in dem Band vor der Leitrolle kontinuierlich. Dementsprechend verändern sich auch die Richtung und die Größe der resultierenden Kraft R. Die richtungsrichtige Messung der Resultierenden R kann z. B. mit dem Meßumformer-Zapfen vorgenommen werden und so kann ein zur Regelung der Walzspannkraft F entsprechendes Signal bereitgestellt werden.

Fig. 10 zeigt ein anderes Verwendungsbeispiel.

Voraussetzung der sicheren Arbeitsweise während des Betriebes von Portalkränen in Häfen, Schwimmkränen und überhaupt von Arbeitsmaschinen ist, daß das durch die Belastung wirkende Moment kleiner als das Kippmoment bleibt. Als Effektivkraft an der Spitze des Auslegers 33 wirkt die Resultierende des lastseitigen Zweiges Q und des trommelseitigen Zweiges F des Seiles 34. Diese Kraft verändert sich auch bei konstanter Last Q mit der Änderung der Lage des Auslegers 33 zu F₂ und damit ändert sich auch die Resultierende R₂. Zur Berechnung des wirksamen Momentes sind demgemäß die kontinuierliche Messung der Kraft und der geometrischen Lage erforderlich. Eine Möglichkeit dazu bietet der Einbau des Meßumformer-Zapfens in die Spitze des Auslegers 33.

In beiden angegebenen Fällen verändert sich bei Konstanz der aus der Technologie resultierenden Kraft (F bzw. Q) die Resultierende von R _a in R _b bzw. von R₁ in R₂, wobei sich auch ihre Richtung verändert (z. B. im Vergleich zur Senkrechten von α _a in α _b bzw. α₁ in α₂).

Aus vorstehender Beschreibung ist gut zu ersehen, daß die Lösung in ihren Grundlagen von den bisherigen abweicht. Die Achslinie der Biegung bzw. Torsion sind parallel zur Längsachse des Meßumformers, wobei der Querschnitt als ein einfach gekrümmter Stab aufgefaßt werden kann. Die Hüllfläche des Mantels des Meßkörpers ist so beschaffen, daß die Angriffslinie der einwirkenden Kraft stets durch die Längsachse der Hüllfläche läuft und die sich deformierenden Teile im Vergleich zu dieser Achse asymmetrisch angeordnet sind.

Auf diese Weise eignet sich der Meßumformer- Zapfen zur Bestimmung des Absolutwertes der übertragenen Krafteinwirkung auch bei veränderlicher Wirkungslinie.

Der Meßumformer-Zapfen kann natürlich neben den erläuterten auch in zahlreichen anderen Formen ausgeführt und für wichtige praktische Messungen eingesetzt werden. Insbesondere kann, falls es nicht auf eine veränderliche Wirkungslinie der Kraft ankommt, die symmetrische Ausführungsform nach Fig. 4 verwendet werden.

Claims (6)

1. Elektromechanischer Meßumformer-Zapfen, insbesondere zur Messung von Kräften mit veränderlicher Wirkungslinie, wobei am Zapfenumfang jeweils zwei einander paarweise radial gegenüberliegende Zylindermantelflächen und ebene Mantelflächen ausgebildet sind und an den ebenen Mantelflächen mindestens je zwei Deformationsmeßfühler angeordnet sind, die in eine Meßbrücke eingeschaltet sind, wobei der Angriffspunkt bzw. die Angriffslinie der Kraft und der Reaktionskraft auf den zylindrischen Mantelflächen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zylindermantelflächen (3) und die ebenen Mantelflächen (2) jeweils über die gesamte Zapfenlänge hin erstrecken und längs der gesamten Länge der beiden ebenen Mantelflächen (2) derart tiefe, zu der geometrischen Achse (6) des Zapfens parallele Schlitznuten (7, 8) in die ebenen Mantelflächen (2) eingearbeitet sind, daß die Schlitznuten über die geometrische Achse hinausreichen, und daß die Deformationsmeßfühler (9, 10, 11, 12) an den ebenen Mantelflächen (2) an der dem Nutgrund der jeweiligen Schlitznut (7, 8) gegenüberliegenden Stelle angeordnet sind.

2. Meßumformer-Zapfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitznuten (7, 8) zu der geometrischen Zapfenachse (6) symmetrisch angeordnet sind.

3. Meßumformer-Zapfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitznuten (7, 8) zu der geometrischen Zapfenachse (6) asymmetrisch angeordnet sind.

4. Meßumformer-Zapfen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitznuten (7, 8) mit ihrer Schlitzebene senkrecht zur Wirkungslinie der Kräfte (4, 5) verlaufen.

5. Meßumformer-Zapfen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitznuten (7, 8) mit ihrer Schlitzebene einen Winkel mit der Wirkungslinie der Kräfte (4, 5) einschließen.

6. Meßumformer-Zapfen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutgrund der Schlitznuten (7, 8) abgerundet ist.