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Dynamometer mit auf Druck ansprechenden Meßvorrichtungen Die Erfindung
betrifft ein Dynamometer mit auf Druck ansprechenden Meßvorrichtungen, das innerhalb
eines festen Gehäuses einen vollen Dynamometerdruckstab enthält, der an seinem oberen
Ende unter Zwischenschaltung eines zumindest an seinen Abrollflächen kugelförmigen
Rollkörpers eine die zu messende Kraft übertragende Auflageplatte trägt und an seinem
unteren Ende eine auf einer festen Unterlage abrollbare Kugelfläche besitzt sowie
eine in dem Gehäuse eingesetzte ebene ringförmige Membran aufweist, wobei der zwischengeschaltete
Rollkörper zwischen zwei kugelförmigen Mulden von gleichem Krümmungsradius beweglich
angeordnet ist, von denen die obere Mulde an der Auflageplatte und die untere Mulde
am Druckstab vorgesehen ist. Hierfür kommen beispielsweise Dynamometer mit Meßvorrichtungen
in Betracht, die elektrisch leitende Drähte einschließen, deren Widerstand durch
die einer mechanischen Spannung entsprechenden Verlängerung oder Verkürzung verändert
wird.
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Häufig und insbesondere beim Wiegen eines Behälters oder einer anderen
Lagerungsvorrichtung ergeben die Verformungen, die der Behälter aus einem beliebigen
Grund erfährt, eine Dezentrierung der Angriffspunkte der Kräfte und eine Schräglage
dieser Kräfte in bezug auf die Axialrichtung des Dynamometers. Um diese Dezentrierung
und Schräglage zu vermeiden, ist es bekannt, Stabilisierungsstangen zu verwenden,
die horizontal oder häufiger senkrecht zu der zu messenden Kraft angeordnet sind
und die verwickelte, sperrige und aufwendige Konstruktionen ergeben, um sich nicht
den Verformungen des Behälters entgegenzustellen, die beispielsweise durch seine
Ausdehnung entstanden sind.
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Im wesentlichen besteht gewöhnlich ein Dynamometer aus einem oberen
Teil oder Auflageplatte, auf dem das Meßobjekt liegt, einem unteren Teil, das die
feste Unterlage des Geräts bildet, und einer oder mehreren sogenannten Kraftmeßdosen,
die zwischen diesen oberen und unteren Teilen liegen. Jede Kraftmeßdose schließt
einen Druckstab mit einer rotationssymmetrischen Form und einer im Ruhestand senkrechten
Achse ein, dessen Länge durch den angewandten Druck verändert wird und der den empfindlichen
Teil des Geräts bildet. Jeder Stab ist an einem seiner Enden mit dem oberen Teil
und an dem anderen seinerEnden mit dem unteren Teil des Geräts verbunden.
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Um die Wirkung der störenden Kräfte zu beseitigen, die auf das Meßobjekt
in einer horizontalen Richtung gegebenenfalls wirken, muß das obere Ende jedes Druckstabs
eine horizontale Verschiebung ausüben können.
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In einer bekannten Anordnung, die das ermöglicht, sind die Enden
jedes Stabs kugelförmig und können in Mulden, die in den oberen und unteren Teilen
des Geräts vorgesehen sind, abrollen. Ein Nachteil dieser Anordnung liegt darin,
daß in dem Gleichgewichtszustand die Achsen der Stäbe etwas von der senkrechten
Richtung verschoben sind und daß infolgedessen eine an dem Stab angreifende Biegungskraft
entsteht. Ein anderer Nachteil liegt darin, daß, da die seitliche Verschiebung der
Stäbe begrenzt sein muß, zusätzliche Glieder zu diesem Zweck vorgesehen werden müssen,
was zu einem noch schwereren und kostspieligeren Gerät führt. In einer solchen Anordnung
ist es jedoch möglich, den ersten Nachteil zu vermeiden, wenn man von zusätzlichen
Verbindungselementen, z. B. Kugellagern, zwischen dem Stab und der Unterlage Gebrauch
macht. Auf diese Art kann man die Richtung der angreifenden Kraft wieder mit der
Achse des Stabs zusammentreffen lassen; aber die zusätzlichen Elemente, insbesondere
die Kugellager, sind kostspielig und nutzen sich ab.
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Es ist noch bekannt, für die Verbindung des Stabs mit der Auflageplatte
eine Kugel als Zwischenelement zu verwenden. In diesem Fall sind das obere Ende
des Stabs und die untere Fläche der Auflageplatte je mit einer Mulde versehen, die
eine Kugelfläche aufweist, auf der die Kugel abrollen kann. Die Kugel ist mit einer
elastischen Membran verbunden,
die am festen Gehäuse des Apparats
befestigt wird und deren Rückwirkung die Kraft, die zum Ausgleich der störenden
horizontalen Kräfte notwendig ist, ergibt. Bei dieser Anordnung, die den Vorteil
reduzierter Abmessungen aufweist, wird dennoch eine Biegungskraft auf den Stab ausgeübt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dynamometer der eingangs
genannten Art zu schaffen, das die vorgenannten, den bisher bekannten derartigen
Dynamometern anhaftenden Nachteile.vermeiden läßt und darüber hinaus von einfachem
Aufbau ist sowie wenig Raum beansprucht, also wenig aufwendig ist, aber gleichzeitig
empfindlich und genau arbeitet, selbst wenn es erheblichen dezentrierten und/oder
schrägen Kräften ausgesetzt ist.
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Diese Aufgabe ist bei dem hier vorgeschlagenen Dynamometer vor allem
dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß das Krümmungszentrum der unteren, am Druckstab
vorgesehenen Mulde die Höhe bestimmt, auf der die ringförmige Membran an dem Druckstab
befestigt ist. Auf Grund dieser Anordnung bleibt immer der Angriffspunkt der Vektorsumme
der Kräfte, die auf den Druckstab ausgeübt werden, auf der Druckstabachse, während
die Richtung dieser Summe mit der Druckstabachse zusammenfällt.
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Weitere Merlunale des Dynamometers gemäß der Erfindung gehen aus
den Unteransprüchen, durch sie erzielte Vorteile gehen aus der nachstehenden Beschreibung
der Zeichnung hervor, die zwei beispielsweise gewählte Ausführungsformen eines solchen
Dynamometers schematisch veranschaulichen. Es zeigt F i g. 1 in schematischer Darstellung
ein Dynamometer nach der Erfindung, das einer dezentrierten Kraft ausgesetzt ist,
und F i g. 2 einen axialen Längsschnitt durch ein Dynamometer gemäß der Erfindung
in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Wie aus F i g. 1 hervorgeht, stützt sich eine obere bewegliche Auflageplatte
1 auf einen vollen dynamometrischen Druckstab 2 über eine Kugel 3 ab. Die Kugel
3 mit Zentrum C3 und Durchmesser d ist so ausgebildet, daß sie zwischen einer oberen
Mulde, die mit der Auflageplatte 1 verbunden ist, und einer unteren Mulde, die mit
dem Stab 2 verbunden ist, abrollen kann, wobei diese beiden Mulden sphärisch sind
und jeweilige Zentren C1 und C2 aufweisen und den gleichen Kugeldurchmesser D aufweisen.
Der Stab 2 ruht auf der festen ebenen Grundplatte eines ihn umgebenden Gehäuses
5 auf einem Festpunkt E.
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Der Stab 2 weist ferner eine ebene Membran 4 auf, die in das Gehäuse
5 eingelassen ist.
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Gemäß der Ausführungsform der F i g. 1 bildet die Gerade EC2 die
Achse des Stabes 2, und die senkrecht zu dieser Achse stehende mittlere Ebene der
Membran 4 verläuft durch den Punkt Q.
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Wenn die Auflageplatte 1 auf dem Stab zentriert ist, so gilt dies
in gleicher Weise für die Kugel, und die gesamte Vorrichtung dreht sich um die Achse
EC2.
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Nach einer seitlichen Verschiebung der Auflageplatte 1 in einer Richtung,
die mit der Achse EC2 eine Ebene darstellt, die gemäß der Ebene in F i g. 1 eine
radiale Symmetrieebene bildet, ist die Kugel 3 auf den beiden Mulden abgerollt.
Nachdem sich die Kontaktradien C1C3A und C2C3B in dem gleichen Winkel auf der Ebene
gemäß F i g. 1 gedreht haben, befinden sich die beiden Zentren C2 und Q mit C1 auf
der Linie AB ausgerichtet, die ein Durchmesser der Kugel ist.
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Die von der Auflageplatte 1 auf die Kugel 3 ausgeübte Kraft und die
von dieser Kugel auf den Stab 2 übertragene Kraft werden gemäß AB gerichtet. Die
auf diese Weise an B des Stabes 2 angewendete Kraft verläuft demnach durch C2. Die
ebene Membran 4 überträgt auf den Stab 2 eine Reaktion, die auf seiner mittleren
Ebene liegt. Es befindet sich also eine horizontale Kraft Q aus symmetrischen Gründen
auf der Ebene der Figur und verläuft demzufolge durch C2. Die Reaktion der Auflageplatte
des Gehäuses 5 ist eine Kraft P, die auf E wirkt und notwendigerweise durch C2 verläuft,
der damit zum Treffpunkt der drei Kräfte wird, die auf den Stab wirken.
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Der Stab 2 in seinem empfindlichen Teil wird demnach einer rein axialen
Beanspruchung unterworfen. und seine neutrale Linie kann sic:1 nicht durchbiegen.
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Der Stab 2 wird auf der Achse des Gehäuses 5 zentriert gehalten durch
die Membran 4 und ein Zentrierkorn X mit Zentrum E, das mit dem Stab verbunden ist
und frei in die entsprechende Zelle 8' der Basis des Gehäuses 5 eingreift. Es sind
Zentrierkörner 6 mit Zentrum Gj und 7 mit Zentrum G2 in der oberen bzw. unteren
Mulde vorgesehen, um frei in die entsprechenden Zellen 6' und 7' einzugreifen, die
an diametral entgegengesetzten Punkten der Kugel 3 ausgebildet sind. Unter diesen
Bedingungen wird gewährleistet, daß von der zentrierten Stellung der Kugel ab, wo
sie die beiden Mulden an diametral entgegengesetzten Punkten berührt und nachdem
sie auf beiden Mulden-Bogenlängen entlanggerollt ist, die definitionsgemäß gleich
sind, die neuen Kontaktpunkte A und B diametral entgegengesetzt bleiben.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 2, die einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen
Dynamometers darstellt, ist sichtbar, daß diejenigen Elemente, die denjenigen gemäß
Fig. 1 entsprechen, die gleichen Bezugszahlen aufweisen.
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Die obere Auflageplatte 1 ist mit einer Einsatzplatte 10 versehen,
die beispielsweise aus Hartstahl bestehen kann, worin die obere Mulde angeordnet
ist, worin das Zentrierkorn 6 eingesetzt ist. Der Stab 2 weist einen wulstigen Kopf
auf, worin eine Höhlung angebracht ist, die zur Aufnahme der Kugel 3 dient.
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Am Boden dieser Aufnahme ist die untere Mulde vorgesehen, worin das
Zentrierkorn 7 eingesetzt ist.
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Die Kugel 2 ist mit den zwei diametral entgegengesetzten Zellen 6'
und 7' versehen. Der gemeinsame Sphärendurchmesser D der beiden Mulden ist etwas
kleiner als der doppelte Durchmesser d der Kugel, damit sich die Membran etwas unterhalb
des obersten Punktes der zentrierten Kugel anordnet.
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Die Membran 4 wird unter Kraft auf den Stab 2 aufgepreßt, der zu
diesem Zweck an seinem Wulstteil gerieft ist. Die Membran ist andererseits in der
Lage, sich in dem Gehäuse frei zu bewegen, um ihre plane Form wiederzugewinnen,
sobald sie nicht mehr einer horizontalen Beanspruchung ausgesetzt ist. Zum Zwecke
einer besseren Abgrenzung der Lage del Membran sind ihr innerer und äußerer Umfang
in bezug auf ihre Mittelebene symmetrisch abgeschrägt.
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Die Verschiebungen der Membran sind in senkrechter Richtung durch
ein Rohr 11 begrenzt, das nur ein geringes Spiel zuläßt, und in Drehrichtung durch
einen Stift 12, der durch eine Kerbe in der Peripherie verläuft, was gleichzeitig
den Zweck hat, zu verhindern, daß sich der Stab um seine Vertikalachse dreht.
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Der Stab 2 endet an seinem unteren Teil mit einer kugelförmigen Oberfläche
mit großem Radius. Er ruht auf einer Einsatzplatte 13, beispielsweise aus hartem
Stahl, mit ebener oberer Fläche, die im Boden des Gehäuses 5 angeordnet ist. Das
Zentrierkorn 8, das zusammen mit dem Korn 7 die geometrische Achse des Stabes festlegt,
ist in die Endfläche des Stabes 2 eingesetzt, und eine entsprechende Zelle 8' ist
in der oberen Fläche der Einsatzplatte 13 angeordnet. Wenn das Gehäuse 5 auf einer
horizontalen Basis ruht, so ist die Achse 7-8 des Stabes vollständig senkrecht.
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Es ist festzustellen, daß die obere Auflageplatte 1 eine zylindrische
Abstufung aufweist, die dazu dient, den Bereich ihrer Dezentrierung zu beschränken.
Da die Dezentrierung der Auflageplatte ständig der doppelten Dezentrierung der Kugel
entspricht, ist das der Auflage 1 in dem Gehäuse 5 erlaubte Spiel etwas geringer
als das Doppelte des Spiels, das die Kugel 3 in ihrer Aufnahme im Kopf des Stabes
2 aufweist.
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Die Meßzelle ist außerdem mit einer bestimmten Anzahl von Vorrichtungen
versehen, die sie vor Witterungseinflüssen und industriellen Verschmutzungen schützen.
Demzufolge ist die obere Auflageplatte 1 mit dem Gehäuse 5 durch eine sehr dünne
Membran 14 verbunden, die drehbar ist und eine Brücke zwischen der Auflageplatte
und dem Gehäuse herstellt. Der Rundschnurring und die Klemmenplatte 16 schließen
die Kammer mit dem aktiven Teil des Stabes 2 hermetisch ab. Entlang des mittleren
empfindlichen Teils des Stabes 2 sind zwei diametral entgegengesetzte Meßvorrichtungen
17 dargestellt, die sich durch Anschlußdrähte 18 verlängern, die an Klemmen 19 enden,
von wo Leiter 20 ausgehen, die zu einem Verbindungskanal 21 gehören. Der Anschlußkasten22,
wo diese Verbindungen hergestellt werden, wird hermetisch durch einen Deckel 23
abgeschlossen, der mit einer Dichtung 24 versehen ist.
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Der Ausdruck Kugel mit Durchmesser d, welcher dem Teil3 gegeben wird,
bedeutet, daß die Oberflächen dieses Teils, die dazu dienen, in den Mulden abzurollen,
zu einer gleichen kugelförmigen Oberfläche gehören. Dies bedeutet nicht, daß das
Teil 3 notwendigerweise in seiner Gesamtheit eine Kugelform aufweist. Es ist also
beispielsweise möglich, um den Durchmesser des Wulstkopfes des Stabes 2 auf ein
Minimum zu verringern, die Kugelkalotten für das Abrollen mit einer beliebigen Oberfläche
zu verbinden, die innerhalb derer einer Kugel liegt, beispielsweise eine zylindrische
Umlauffläche mit einem Durchmesser unter d.