Dokumentenidentifikation |
DE102004040180A1 23.02.2006 |
Titel |
Hebezeug mit Dehnungssensor |
Anmelder |
R. Stahl Fördertechnik GmbH, 74653 Künzelsau, DE |
Erfinder |
Finzel, Manfred, 74653 Künzelsau, DE; Kircher, Timo, 74535 Mainhardt, DE |
Vertreter |
Rüger und Kollegen, 73728 Esslingen |
DE-Anmeldedatum |
18.08.2004 |
DE-Aktenzeichen |
102004040180 |
Offenlegungstag |
23.02.2006 |
Veröffentlichungstag im Patentblatt |
23.02.2006 |
IPC-Hauptklasse |
B66D 1/58(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
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IPC-Nebenklasse |
B66C 9/14(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,   
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Zusammenfassung |
Ein Hebezeug oder ein Fahrantrieb für Kräne und Katzfahrwerke weist ein Getriebegehäuse auf, in dem wenigstens eine Ausgangswelle drehbar gelagert ist. In einem der Lagerschilde, zwischen denen die Ausgangswelle gelagert ist, sitzt neben einem Lagersitz ein DMS-Sensor. Mit Hilfe des Sensors wird die elastische Verformung des betreffenden Lagerschilds erfasst, wobei die Verformung eine Funktion der Hakenlast des Hebezeugs oder des Fahrwiderstands ist.
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Beschreibung[de] |
Um eine Überlastung von Hebezeugen zu vermeiden ist es erforderlich,
die Hakenlast zu erfassen. Eine solche Überlastung kann entstehen, wenn sich der
Haken bei der Hubbewegung mitsamt Last verklemmt oder falls eine Last mit zu großen
Gewicht angehängt wird. Hierdurch entstehen gefährliche Situationen, die zum Absturz
der Last und/oder des Hebezeugs führen können. Die Sicherheitsvorschriften sehen
deswegen vor, dass das Hebezeug mit entsprechenden Kraftmessmitteln versehen sein
muss, um solche Überlastungen zu vermeiden. Wird eine Überlastung festgestellt,
schaltet der Antrieb des Hebezeugs automatisch ab.
Außerdem werden Lastmessungen benötigt, um zu entscheiden, ob vom
Langsamgang auf einen Schnellgang umgeschaltet werden kann. Diese Umschaltung ist
Lastabhängig, weil im Falle von Asynchronmotoren zum Antrieb des Hebezeug das Kippmoment
von der Betriebsfrequenz des Motors abhängig ist. Je höher die Betriebsfrequenz
ist, umso kleiner ist das Kippmoment, d.h. hohe Lasten dürfen nicht mit hohen Frequenzen
und damit hohen Drehzahlen gehoben werden.
Zur Erfassung der Hakenlast ist es im Falle von Kettenzügen bekannt,
die Axialkraft, die an einer Zwischenwelle des Getriebes auftritt, zu erfassen.
Die Kettenzüge verfügen über Zahnrädergetriebe mit Schrägverzahnung. Aufgrund der
Schrägverzahnung entsteht bei Belastung des Hakens ein entsprechender Schub, parallel
zur Richtung der Achse der von der Belastung abhängig ist. Diese Kraft wird beispielsweise
mit Hilfe einer Druckmessdose gemessen, oder es wird der Verschiebeweg gegen eine
Druckfeder erfasst. Nachteilig bei dieser Art der Messung ist die verhältnismäßig
große Hysterese, die von der Zahnflankenreibung in axialer Richtung herrührt.
Im Falle von Seilzügen wird davon Gebrauch gemacht, an einem Ende
der Seiltrommel das Gewicht zu messen. Hierbei ist nachteilig, dass das Messergebnis,
abhängig vom Ablaufpunkt des Seils, längs der Trommel ist.
Außerdem dient die Belastungserfassung als Grundlage für die Berechnung
des Lastkollektivs.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung ein Hebezeug zu schaffen,
dass eine genauere Erfassung der Hakenlast gestattet.
Eine weitere Aufgabe bestehet darin, eine einfache und genaue Messung
der Fahrantriebskraft bei Kranen und Katzfahrwerken zu schaffen.
Diese Aufgaben wird erfindungsgemäß mit dem Hebezeug mit den Merkmalen
des Anspruches 1 oder 2 gelöst.
Bei dem neuen Hebezeug ist ein Antriebsmotor an einem Getriebegehäuse
angeflanscht. Das Getriebegehäuse weist zwei einander gegenüberstehende Lagerschilde
auf, die Lagersitz für Getriebewellen enthalten. Eine der Wellen ist eine Ausgangswelle,
die mit einem Ende aus dem Getriebegehäuse auskragt. Mit diesem auskragenden Ende
wird ein Lastaufnahmemittel angetrieben.
Der Antrieb des Lastaufnahmemittels kann mit Hilfe einer Kettennuss,
einer Seilscheibe oder einer Seiltrommel geschehen, je nachdem ob es sich bei dem
Hebezeug um eine Seilwinde, einen Kettenzug oder einen Bandzug handelt.
In einem der Lagerschilde ist ein Sensor untergebracht, der sich neben
einem der Lagersitze befindet. Mit Hilfe dieses Sensors wird die elastische Verformung
des Lagerschilds in der Umgebung des betreffenden Lagersitzes erfasst.
Die Verformung in dem betreffenden Lagerschild ist eine Folge der
an diesem Lagerende auftretenden Querkraft. Die Querkraft dort ist im allgemeinen
eine Funktion des an dieser Welle übertragenen Drehmoments. Lediglich im Falle der
Ausgangswelle addiert sich zu der Querkraft, die durch das Antriebs- oder Abtriebsmoment
erzeugt ist, eine Kippkraft hinzu, die von der Hakenlast herrührt und die bestrebt
ist, die auskragende Ausgangswelle um das dazwischen liegende Lager zu verkippen.
Um eine möglichst fehlerfreie Messung zu bekommen, sollte der Ort
für den Sensor so gewählt werden, dass das Messergebnis nicht durch die Überlagerung
von mehreren Spannungen, die im Lagerschild auftreten, verfälscht wird. Insbesondere
muss der Ort so gewählt werden, dass von den benachbarten Lagersitzen ausgehende
Kräfte das Nutzsignal nicht verkleinern, weil am Ort des Sensors von anderen Lagersitzen
Spannungen induziert werden, die ein entgegengesetztes Vorzeichen haben, wie die
Kraft, die vom benachbarten Lagersitz ausgeht, der gemessen werden soll.
Die Spannungsmessung in dem Lagerschild kann sowohl bei Getriebe mit
Gradverzahnung als auch bei Getrieben mit Schrägverzahnung vorgenommen werden.
Der Sensor zur Messung der Spannung im Gehäuse bzw. der elastischen
Verformung ist bevorzugt ein gekapselter DMS-Sensor (= Dehnungsmessstreifensensor,
straingagesensor). Solche Sensoren sind sehr hysteresefrei und empfindlich. Insbesondere
sind sie von Haus aus bis zu einem gewissen Grad temperaturkompensiert, ohne das
zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen.
Sensoren dieser Art sind beispielsweise von der Firma Sensya unter
der Bezeichnung "Model K 3003", oder der Firma Texis GmbH zu beziehen.
Die oben beschriebenen Zusammenhänge und Vorteile werden auch in Verbindung
mit Fahrantrieben für Katzfahrwerke und Kräne erreicht. Hierbei sitzt das Getriebe
anstatt, wie erläutert zwischen Motor und Lastaufnahmemittel, zwischen Motor und
wenigstens einem angetriebenen Rad. Ansonsten ergeben sich für das Getriebe selbst
dieselben Verhältnisse. Auch hier muss dabei darauf geachtet werden, dass durch
die Befestigung am Fahrwerksrahmen keine zusätzlichen die Messung verfälschenden
Spannungen eingeleitet werden oder die Steifheit des Lagerschildes im Bereich des
Messortes verändert wird, so dass es zu Verfälschungen kommt.
Die Aufnahmebohrung kann eine Sackbohrung sein oder eine Durchgangsbohrung,
wobei letzteres deswegen besonders einfach ist, weil auf diese Weise das Anschlusskabel
unmittelbar aus dem Getriebegehäuse herausgeführt werden kann.
Damit die Messung hysteresefrei ist und sehr empfindlich, sitzt das
Gehäuse des Sensors, vorzugsweise mit Presssitz, in der Aufnahmebohrung.
Das Gehäuse ist einfachheitshalber rotationssymmetrisch, d.h. zylindrisch,
und parallel zur Achse des Lagersitzes ausgerichtet. Dies vereinfacht die Montage
und die Herstellung erheblich.
Außerdem hat der Presssitz den Vorteil, dass gleichzeitig die erforderliche
Abdichtung gewährleistet ist.
Der Sensor wird, um ein maximales Nutzsignal zu erzeugen, auf der
Verlängerung desjenigen Radius der benachbarten Lagerbohrung angeordnet, der parallel
zum Querkraftvektor liegt, der an dem betreffenden Lagerende angreift bzw. zu erfassen
ist.
Der Querkraftvektor kann im Falle einer Zwischenwelle ein Querkraftvektor
sein, der sich ausschließlich aus dem Antriebsmoment ergibt, während der Querkraftvektor
im Falle der Ausgangswelle zusätzlich ein Kippmoment enthält, dass bestrebt ist,
die Ausgangswelle um jenes Lager zu kippen, das dem auskragenden Ende unmittelbar
benachbart ist. Grob gesagt befindet sich der Sensor auf einer Geraden durch die
Achse des Lagersitzes die rechtwinklig zu einer Geraden verläuft, die die Drehachsen
der unmittelbar benachbarten Getriebewellen miteinander verbindet. Dabei ist die
andere Getriebewelle, die antriebsmäßig in Richtung auf den Motor liegt.
Im Falle der Messung im Bereich der Ausgangswelle sollte darauf geachtet
werden, dass der Messort so gewählt wird, dass tatsächlich nur der Fahrwiderstand
erfasst wird und nicht zusätzlich eine weitere Kraft, die von der Hakenlast herrührt.
Deshalb ist es im Falle von Fahrantrieben häufiger sinnvoll, die Messung an einer
Zwischenwelle und nicht an der Ausgangswelle vorzunehmen.
Das Messsignal wird groß, wenn neben einem Lagersitz gemessen wird,
der einem Ritzel einer Getriebewelle benachbart ist, soweit es sich nicht um die
Ausgangswelle selbst handelt.
Dabei hat die Messung an einer Zwischenwelle den Vorteil, dass das
überlagerte Störsignal, das von den Wälzlagern herrührt, eine verhältnismäßig hohe
Frequenz aufweist und sich leicht herausfiltern lässt. Bei der Messung an einem
Lagersitz der Ausgangswellen ist dagegen die Frequenz entsprechend niedrig und etwas
schwerer zu filtern.
Die Größe des Nutzsignals wird ferner verbessert, wenn die Aufnahmebohrung
für den Sensor seitlich freigestellt ist. Dadurch wird das Lagerschild in Richtung
auf die Lagerbohrung elastischer, was wiederum zu einer größeren Belastung des Sensors
führt, jeweils bezogen auf die gleiche Hakenlast.
Die Freistellung der Aufnahmebohrung kann durch zwei seitliche Taschen
erfolgen, die sich bezüglich der Bohrung praktisch diametral gegenüberliegen. Jeder
der Taschen umgibt die Aufnahmebohrung längs eines Umfangswinkels zwischen 90°
und 160°. Hierdurch entstehen zwei Stege, deren Längsachsen zweckmäßigerweise
parallel zum zur erfassenden Querkraftvektor liegen, jeweils gemessen in der Ebne
des Lagerschilds und damit rechtwinklig zur Drehachse der betreffenden Welle.
Im übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind vielfältig
abwandelbar. Die jeweilig erforderlichen Änderungen ergeben sich aus den Randbedingungen
der Gehäusekonstruktion und aus dem jeweiligen Anforderungen. Um den Umfang der
Figurenbeschreibung nicht zu sprengen wurde auf eine solche Erläuterung verzichtet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 das erfindungsgemäße Hebezeug in einer
perspektivischen Gesamtansicht,
2 einen Längsschnitt durch das Getriebegehäuse,
3 eine Draufsicht auf das Lagerschild
mit dem Sensor,
4 einen Schnitt durch das Lagerschild
in einer Ebene, die die Achse des Lagersitzes und die Achse der Aufnahmebohrung
enthält, in einer vereinfachten Darstellung,
5 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen
Seilzugs in einer perspektivischen Darstellung und
6 ein Katzfahrwerk zur Veranschaulichung
eines weiteren Einsatzgebietes der Erfindung, in einer schematischen Darstellung
in einer Stirnansicht.
1 zeigt in einer vereinfachten perspektivischen
Darstellung einen erfindungsgemäßen Kettenzug 1. Der Kettenzug
1 weist ein etwa quaderförmiges Getriebegehäuse 2 auf, an dessen
einer Stirnseite ein Elektromotor in Gestalt eines Asynchronmotors angeflanscht
ist. Sowohl das Getriebegehäuse 2 als auch der Motor 3 sind mit
durchlaufenden Kühlrippen versehen, wie dies die Figur erkennen lässt. Auf der von
dem Getriebegehäuse 2 abliegenden Seite ist an dem Motor 3 ein
Deckel 4 vorgesehen, der die Steuerung bzw. wesentliche Teile der Steuerung
enthält. Zwischen dem Steuerungsdeckel 5 und der gegenüberliegenden Stirnseite
des Getriebegehäuses 2 befindet sich ein Kettennussgehäuse 6 aus
dessen Oberseite 2 Laschen 7 vorstehen, die der Aufhängung des
Kettenzugs 1 dienen. Unten aus dem Kettennussgehäuse 6 führt eine
Rundgliederkette 8 weg, an deren freien Ende ein Haken 9 befestigt
ist.
2 zeigt den Kettenzug 1 nach
1 in einem horizontalen Längsschnitt, bezogen auf die
normale Gebrauchsstellung.
Bei dem Motor 3 handelt es sich, wie bereits erwähnt, um
einen Asynchronmotor mit einer Feldwicklung 10, die in einem Motorgehäuse
11 eingesetzt ist. Das Motorgehäuse 11 ist becherförmig gestaltet
in der Weise, dass die in 1 erkennbare zylindrische
mit Kühlrippen versehene Seitenwandanordnung mit einer Stirnwandanordnung
12 einstückig verbunden ist. Die Stirnwand 12 weist einen Lagersitz
für ein darin steckendes Rillenkugellager 13 auf. An seiner Rückseite ist
das Motorgehäuse 11 durch einen Rückdeckel 14 verschlossen, der
in einer entsprechenden Sitzbohrung ein weiteres Rillenkugellager 15 enthält.
Mit Hilfe der beiden Rillenkugellager 13 und 15 ist ein Kurzschlussläufer
16, der auf einer Ankerwelle 17 drehfest sitzt, gelagert.
Die Ankerwelle 17 steht nach rechts in Richtung auf das Getriebegehäuse
2 vor und enthält dort eine Längsbohrung 18, in die eine Welle
19 eingepresst ist, die an ihrem vorstehenden Ende ein Ritzel
21 trägt.
Der Rückdeckel 14 ist wiederum seinerseits ein Gehäuse für
eine auf die Ankerwelle 17 wirkende Reibungsbremse 22. Zu der
Reibungsbremse 22 gehört ein ringförmiger Bremslüftemagnet 23
sowie eine mit der Ankerwelle 17 drehfest verbundene Bremsscheibe
24. Mit Hilfe einer nicht weiter gezeigten Federeinrichtung wird die Bremse
in die Bremsstellung vorgespannt und mit Hilfe des Elektromagneten 23 gelüftet.
Auf einem über dem Bremslüftemagneten 23 nach hinten hin
ausgehenden Wellenfortsatz steht schließlich ein Lüfterad 25. Sowohl die
Bremse 22 als auch der Lüfter 25 laufen in einem Teil des Deckels
5.
Unterhalb des Motors 3 ist eine in dem Gehäuse
5 untergebrachte Steuerungsanordnung 26 zu erkennen.
Das Getriebegehäuse 2 ist eine etwa zweischalige Konstruktion,
bestehend aus einer ersten Gehäuseschale 27 und einer zweiten Gehäuseschale
28. Die erste Gehäuseschale 27 weist einen weitgehend ebenen,
als Montagefläche dienenden Boden 29 sowie eine um den Rand dieser Montagefläche
29 umlaufenden in sich geschlossene Seitenwandanordnung 30 auf.
Ihr Rand 31 liegt in einer Ebene.
Der Boden 29 bildet gleichzeitig eines der Lagerschilde des
Getriebegehäuses 2.
Die Grund- oder Montagefläche 29 ist aus der Sicht des Motors
3 etwa rechteckig.
Deckungsgleich mit der Gehäuseschale 27 ist die Gehäuseschale
28, die ebenfalls aus einem Boden 32 und einer Seitenwandanordnung
33 besteht, die einstückig angeformt ist. Der Boden 32 bildet
ein dem Boden- oder Lagerschild 29 gegenüberstehendes und dazu parallel
verlaufendes Lagerschiff. Die Seitenwandanordnung 33 endet ebenfalls an
dem Gehäusespalt 31.
Die Befestigungsschrauben zum Zusammenschrauben der beiden Gehäuseschalen
27, 28 sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
In dem Getriebegehäuse 2 ist ein insgesamt 3-stufiges Zahnradgetriebe
mit zwei Zwischenwellen 34 und 35 sowie einer Ausgangswelle
36. Zur Lagerung der ersten Zwischenwelle 34 sind an der Innenseite
der beiden Lagerschilde 29, 32 miteinander fluchtende napfförmige
Lager 37, 38 angeformt, in denen Rillenkugellager 39,
40 sitzen. Mittels dieser Rillenkugellager 39 und 40
ist die erste Zwischenwelle 34 mit Hilfe von in der Zeichnung erkennbaren
Endzapfen drehbar gelagert. Auf ihr ist ein mit dem Ritzel 21 kämmendes
Zahnrad 41 drehfest angeordnet und sie trägt außerdem einstückig ein weiteres
Ritzel 42.
Aus der Sicht des Motors 3 weiter abliegend ist die zweite
Zwischenwelle 35 angeordnet. Zur Lagerung dieser zweiten Zwischenwelle
35 ist an der Innenseite des Lagerschildes 29 eine napfförmige,
ebenfalls nach innen weisender Lagersitz 43 angeformt, der mit einer Lagersitzbohrung
44 in dem Lagerschild 28 fluchtet. Die Lagersitzbohrung
44 enthält ein Rillenkugellager 45, während ein weiteres Rollenlager
46 in dem Lagersitz 43 steckt.
Mittels dieser beiden miteinander fluchtenden Wälzlager
45, 46 ist mit entsprechenden Wellenzapfen die zweite Zwischenwelle
35 drehbar gelagert. Ihr linkes Ende ist, wie gezeigt, als Ritzel
47 ausgeführt, während das rechte Ende der Zwischenwelle 35 ein
Zahnrad 48 trägt. Das Zahnrad 48 kämmt mit dem Ritzel
42 und bildet gleichzeitig eine Scheibe einer Rutschkupplung
49.
Da die Rutschkupplung 49 nicht Gegenstand der Erfindung ist,
genügt es an der Stelle zu erwähnen, dass das scheibenförmige Zahnrad
48 zwischen zwei mittels einer Feder gegeneinander vorgespannten Platten
gehalten ist, von denen wenigstens eine drehfest mit der zweiten Zwischenwelle
35 verbunden ist. Mit Hilfe eines von außen über die Lagerbohrung
44 zugänglichen Einstellgliedes lässt sich das Rutschmoment einstellen.
Nach der Einstellung wird die Lagerbohrung 44 mittels eines nicht gezeigten
Deckels verschlossen.
Sobald es die Sicherheitsrichtlinien für Hebezeuge zulassen, kann
die Rutschbremse 49 entfallen. Das Zahnrad 48 wird dann unmittelbar
drehfest auf der Zwischenwelle 35 aufgesetzt.
Die in der Leistungsflussrichtung gesehen letzte Welle des Getriebes
ist die Ausgangswelle 36, zu deren Lagerung an der Innenseite des Lagerschildes
28 ein napfförmiger Lagersitz 51 angeformt ist. Diese steht in
das innere des Getriebegehäuses 2 vor. Er nimmt ein Rillenkugellager
52 auf, in dem das betreffende Ende der Ausgangswelle 36 steckt.
Der Lagersitz 51 befindet sich an einer Stelle, in der das Lagerschild
28 eine Dicke aufweist, die der Tiefe des Lagersitzes 51 entspricht,
d.h. die Struktur die den Lagersitz 51 enthält erreicht bis an die Seitenwandanordnung
33 heran, wie dies die Figur erkennen lässt. In dem anderen Lagerschild
29 ist fluchtend mit dem Lagersitz 51 eine Lagerbohrung
53 vorgesehen, die ein Rillenkugellager 54 aufnimmt.
Das nach außen über das Lagerschild 29 überstehende Ende
der Ausgangswelle 36 trägt in bekannter Weise drehfest eine Kettennuss
56, die wie üblich mit Kettentaschen für stehende und liegende Glieder
einer Rundgliederkette versehen ist. Die Kettennuss 56 dreht sich in dem
Kettennussgehäuse 6, das auf der Außenseite des Lagerschildes
29 durch nicht weiter gezeigte Schrauben angeflanscht ist.
Aufgrund der Anordnung befindet sich das Kettennussgehäuse
6 seitlich neben dem Motor 3, wie dies die Schnittzeichnung erkennen
lässt.
Außerdem sind ersichlicherweise sämtliche Achsen zueinander parallel.
Die gezeigten Zahnräder und Ritzel können gerade verzahnt oder schräg verzahnt sein.
Um die nachfolgend erläuterte Messart möglichst hysteresefrei zu bekommen,
kann es von Vorteil sein, wenn dasjenige Zahnrad, an dem die Messung vorgenommen
wird, eine Gradverzahnung trägt, damit nur Querkräfte gemessen werden und keine
axialen Schubkräfte erzeugt werden, die hysteresebehaftet sind und in die Messung
eingehen können.
3 zeigt eine Draufsicht auf die Innenseite
der Gehäuseschale 32. In der Figur sind die bereits erwähnten Lagersitze
38 und 41 sowie die Lagerbohrung 44 zu erkennen. Außerdem
ist die Fügefläche 31 zu sehen, an der die Seitenwandanordnung
33 endet, ebenso wie der Boden 32.
Die 3 lässt ferner erkennen, dass oberhalb
des Lagersitzes 51 eine in 2 weggeschnittene
Durchgangsbohrung 57 enthalten ist, die achsparallel zu dem Lagersitz
51 ausgeführt ist. Die Aufnahmebohrung 57 führt durch den verstärkten
Bereich des Bodens 32 hindurch und endet sowohl an der Außenseite als auch
an der Innenseite des Bodens 32. Seitlich neben der Aufnahmebohrung
57 sind zwei in der Draufsicht etwa nierenförmige Taschen 58 und
59 enthalten, die sich in Richtung auf das Innere des Getriebegehäuses
2 öffnen und zur Außenseite hin geschlossen sind. Durch die beiden nierenförmigen
Taschen 58 und 59 entstehen zwei Stege 62 und
63, die auf einer gemeinsamen Geraden liegen, die eine Verlängerung eines
Radius des Lagersitzes 51 ist.
Die beiden nierenförmigen Taschen 58 und 59 umgeben
die zylindrische Aufnahmebohrung 57 längs eines Umfangswinkels von ca.
110°. Sie liegen allerdings nicht exakt diametral, sondern sie liegen so, dass
der Steg 62 etwas schmäler ist als der Steg 63. Diese Lage wird
erzwungen, weil die Bohrung 57 möglichst dicht an die
Lagerbohrung 51 herangerückt ist. Bei der praktischen Ausführung beträgt
die Wandstärke an der dünnsten Stelle zwischen der Aufnahmebohrung 57 und
der Sitzfläche für das Kugellager 52 ca. 3 mm. Verallgemeinert bedeutet
dies, dass die Dicke des Stegs 63 gemessen in Richtung parallel zur Verbindungsgeraden
zwischen dem Lagersitz 61 und der Aufnahmebohrung 57 ca 1/20 des
Durchmessers des Lagersitzes 61 beträgt. Damit ist die Wandstärke dort
genauso groß wie die Wandstärke im Bereich zwischen der Aufnahmebohrung
57 und der betreffenden nierenförmigen Tasche 58, 59.
Diese folgen mit ihrer der Aufnahmebohrung 57 benachbarten Wandfläche konzentrisch
der Bohrung 57 in Umfangsrichtung. D. h. der Krümmungsmittelpunkt der seitlichen
Wände der Taschen 58 und 59 fällt mit dem Mittelpunkt der Aufnahmebohrung
57 zusammen.
Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass eine Querkraft, die
von dem Lagersitz 51 ausgeht und längs eines Vektors verläuft, der durch
die Achse der Bohrung 57 führt, zu einer mehr oder weniger starken Verformung
der Bohrung 57 führt.
4 zeigt nochmals in einer vergrößerten
Darstellung die Relation zwischen der Aufnahmebohrung 57 und dem Lagersitz
51, wobei die Schnittrichtung so gewählt ist, dass der Schnitt zunächst
der Verbindung zwischen den Mittelpunkten des Lagersitzes 51 mit Aufnahmebohrung
57 folgt und sodann in der Lagerbohrung 57 rechtwinklig sich fortsetzt.
In der Aufnahmebohrung 57 steckt mit Presssitz ein handelsüblicher
gekapselter DMS-Sensor 65, dessen Anschlusskabel 66 nach außen
aus dem Getriebegehäuse 2 herausführt. Der auf Druck empfindliche Teil
des DMS-Sensors 65 befindet sich in unmittelbarer Nachbarschaft des Rillenkugellagers
52. Von dem DMS-Sensor ist lediglich sein hermetisch dichtes Gehäuse sichtbar.
Die Lager der Aufnahmebohrung 57 ist wie folgt gewählt:
Durch das Antriebsmoment des Elektromotors 3, bzw. das Haltemoment der
Bremse 22, führt zu einem Drehmoment an dem Zahnrad 55. Dieses
dort zu messende Drehmoment ist abhängig von dem Gewicht einer an dem Haken
9 hängenden Last. Da das Drehmoment unsymmetrisch eingeleitet wird, nämlich
einerseits über die gegenüber der Achse der Welle 36 versetzen Kettentaschen
und andererseits über den Außenumfangs des Zahnrades 55, entsteht ein Querkraftvektor.
Der Querkraftvektor liegt im Wesentlichen rechtwinklig zu der Verbindungsgeraden
durch die Achse des Lagersitzes 51 bzw. der Lagerbohrung 44. Dementsprechend
befindet sich die Aufnahmebohrung 57 auf einer Verlängerung des Radius
des Lagersitzes 51 und zwar desjenigen Radius, der parallel zu diesem Vektor
ist.
Bei der speziellen Anordnung der Aufnahmebohrung 57, im Bereich
der auskragenden Ausgangswelle 36, kommt hierzu noch eine Querkraft, die
durch das Kippmoment um eine Horizontalachse hervorgerufen wird. Diese Horizontalachse
geht durch die Kugeln des Kugellagers 54. Hierdurch entsteht ein Summenvektor,
der sich aus dem Querkraftvektor und dem Kippvektor zusammensetzt. Dementsprechend
wird die Lage der Achse der Aufnahmebohrung 57 geringfügig korrigiert,
so dass die obige Bedingung hinsichtlich des rechten Winkels zwischen der Geraden,
die die Drehachsen der Lagersitze 51 und 44 verbindet, zu der
Verbindungsgeraden zwischen der Achse des Lagersitzes 51 und der Aufnahmebohrung
57 nicht exakt eingehalten ist, sondern entsprechend korrigiert ist.
Parallel zu diesem Summenvektor sind die Mitten der beiden Stege
62 und 63 ausgerichtet.
Sobald die Ausgangswelle 36 durch eine Last belastet wird,
induzieren die beiden Stege 62 und 63 eine Verformung der Aufnahmebohrung
57, was wiederum zu einer Verformung des mit Presssitz eingesetzten DMS-Sensors
65 führt. Dieser erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal. DMS-Sensoren,
die für den Anwendungsfall in Frage kommen, sind auf dem Markt frei erhältlich.
Es ist deswegen auch nicht notwendig, den inneren Aufbau eines solchen DMS-Sensors
an dieser Stelle explizit zu erläutern.
Die Anordnung des DMS-Sensors 65 neben der Ausgangswelle
36 ist nicht der einzige Ort, an der die Lastmessung erfolgen kann. Es
besteht auch die Möglichkeit dem DMS-Sensor 65 neben dem Rillenkugellager
46 unterzubringen, d.h. auf der Ritzelseite, da dort die größte Querkraft
an der Zwischenwelle 47 auftritt. Auch hier muss die Aufnahmebohrung mit
ihrer Längsachse auf einer Verbindungsgeraden zu der Mitte des Lagersitzes
44 liegen, die rechtwinklig zu der Verbindungsgeraden zwischen der dem
Lagersitz 44 und der Mitte des Lagersitzes 51 verläuft.
In dem interessierenden Lastbereich, tritt in der Umgebung des betreffenden
Lagersitzes, wo der DMS-Sensor 65 untergebracht ist, eine elastische Verformung
auf. Die elastische Verformung ist im Wesentlichen der Hakenlast proportional, so
dass am Ausgang des DMS-Sensors 65 ein elektrisches Signal ansteht, bei
dem ein Parameter der Last proportional ist, oder zumindest einem empirisch zu ermittelnden
Zusammenhang zwischen der Größe des elektrischen Signals und der Belastung erfolgt.
Die Erfassung der Belastung in der erläuterten Weise unterliegt nur
einer sehr geringen Hysterese, die letztendlich nur von dem geringen Dämpfungsverhalten
des Lagerschildes 32 abhängig ist. Somit ist sehr genau mit geringen Toleranzen
und verhältnismäßig sehr schnell die Hakenlast zu ermitteln.
Die Auswerteschaltung, die erforderlich ist, um das elektrische Signal
zu verarbeiten, ist bekannt und braucht deswegen an dieser Stelle ebenfalls nicht
erläutert zu werden.
Es leuchtet ohne weiteres ein, dass die Art der Lastmessung nicht
auf den gezeigten Kettenzug beschränkt ist. Es bedarf keiner weiteren Darstellung
um zu erkennen, dass anstelle der Kettennuss 56 auch den überstehenden
Zapfen der Ausgangswelle 36 eben so gut an der Bandscheibe aufgesetzt werden
kann, um ein Zugband aufzuwickeln, an dem der Haken 9 befestigt ist.
Schließlich kann die Lastmessung auch an einem Seilzug 70
implementiert sein, wie er in 5 gezeigt ist. Zu dem
Seilzug 70 gehört ein Getriebe 71, dass an einer Seite ein Antriebsmotor
72 angeflanscht ist. Mit Hilfe der nicht veranschaulichten Ausgangswelle
des Getriebes 71 wird eine Seiltrommel 73 angetrieben, von der
ein Seil 74 abläuft. Die Seiltrommel ist andernends in einem Kopfstück
75 gelagert, das über ein Rückenteil 76 mit dem Getriebegehäuse
71 verbunden ist. Das Kopfstück 75 enthält eine Steuerungsanordnung
77, von der ein Steuerkabel 78 ausgeht, dass zu einem Handsteuerschalter
79 führt.
An dem Seil 74 hängt eine Hakenflasche 81, an der
eine Hakenlast 82 hängt, die schematisch angedeutet ist.
Der Aufbau des Getriebes 71 kann derselbe sein, wie im Zusammenhang
mit 2 erläutert ist, mit der einzigen Einschränkung,
dass der Antriebsmotor an der gegenüberliegenden Seite angeflanscht ist und das
die Ausgangswelle 36 die Seiltrommel 73 antreibt.
Das von der Seiltrommel 73 ausgehende Moment, das Lastabhängig
ist, kann in derselben Weise erfasst werden, wie dies vorstehend ausführlich erläutert
ist.
Als weiteres Beispiel für den Einsatz der erfindungsgemäßen Kraftmessung
auf dem Gebiet der Hebezeuge ist in 6 ein Katzfahrwerk
80 gezeigt.
Das Katzfahrwerk 80 weist einen Fahrwerksrahmen auf, zu dem
zwei seitliche Fahrwerkswangen 81 und 82 gehören. Die beiden Fahrwerkswangen
81 und 82 liegen beidseitig einer Fahrschiene 83, die
einen Oberflansch 84, einen Steg 85 sowie einen Unterflansch
86 aufweist. Die beiden Fahrwerkswangen 81 und 82 sind
durch zwei hintereinaner, d.h. in Fahrrichtung nebeneinander liegende Säulen
87 starr miteinander verbunden. Die beiden Säulen 87 verlaufen
unterhalb der Fahrschiene 83.
Oberhalb der Fahrschiene 83 sind an den einander zugekehrten
Innenseiten der beiden Fahrwerkswangen 81 un 82 insgesamt vier
Laufräder 88 und 89 drehbar gelagert. Dabei sind von den insgesamt
vier Rädern lediglich die zwei dem Betrachter zugekehrten Räder 88 und
89 zu erkennen.
Auf der Außenseite der linken Fahrwerkswange 82 ist ein Kettenzug
1 angeflanscht, der einen ähnlichen Aufbau aufweist, wie zuvor anhand der
Figuren beschrieben.
Um das Katzfahrwerk 80 längs der Fahrschiene 83
zu bewegen, ist an der rechten Fahrwerkswange 81 ein Fahrmotor
90 vorgesehen, der über ein Getriebegehäuse 91 mit der rechten
Fahrwerkswange 81 verbunden ist. Aus dem Getriebegehäuse 91 steht
eine nicht erkennbare Ausgangswelle vor, die in der Zeichnung nicht erkennbarist,
weil sie von Teilen der Fahrwerkswange verdeckt ist, und die beispielsweise ein
Ritzel trägt, das mit einer Verzahnung 92 auf einem Spurkranz des Laufrades
88 zusammenwirkt. Auf diese Weise kann durch in Gang setzen des Antriebsmotors
90 über das Getriebe 91 das Rad 88 angetrieben werden,
um das Katzfahrewerk 80 längs der Fahrschiene 83 zu bewegen.
Um die Kraft zu erfassen, die benötigt wird, das Katzfahrwerk zu bewegen,
weist das Getriebe einen inneren Aufbau auf, ähnlich dem, wie er anhand der
2-4 erläutert
ist. Dabei besteht das Wesentliche darin, dass in einem der Lagerschilde neben einem
Lagersitz einer Welle oder Zwischenwelle, wie zuvor ausführlich erläutert, ein DMS-Sensor
65 angeordnet ist, um die Querkraft in diesem Bereich an dieser Welle oder
Zwischenwelle zu erfassen. Hieraus ergibt sich ein Maß für den Fahr- oder Rollwiderstand
auf den das Katzfahrwerk 80 trifft.
In der gleichen Weise kann auch ein Kranfahrwerk gestaltet sein, so
dass einer weiteren ausführlichen Erläuterung nicht mehr bedarf.
Ein Hebezeug oder ein Fahrantrieb für Kräne und Katzfahrwerke weist
ein Getriebegehäuse auf, in dem wenigstens eine Ausgangswelle drehbar gelagert ist.
In einem der Lagerschilde, zwischen denen die Ausgangswelle gelagert ist, sitzt
neben einem Lagersitz ein DMS-Sensor. Mit Hilfe des Sensors wird die elastische
Verformung des betreffenden Lagerschilds erfasst, wobei die Verformung eine Funktion
der Hakenlast des Hebezeugs oder des Fahrwiderstands ist.
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Anspruch[de] |
- Hebezeug (1,70)
mit einem Antriebsmotor (3,72,90),
mit einem Getriebegehäuse (2,91), an das der
Antriebsmotor (3,72) angeflascht ist, in das die Motorwelle (17)
hineinragt und das einander gegenüber stehende Lagerschilde (29,32)
bildet, die Lagersitze (37,38,43,44,
51,53) für Wellen (34,35,36) enthalten,
mit einer Ausgangswelle (36), die in dem Getriebegehäuse (2) gelagert
ist und die mit einem Ende über eines der Lagerschilde (29,32)
auskragt, wobei mittels des auskragenden Endes ein Lastaufnahmemittel (8,74)
angetrieben ist, und
mit einem Sensor (65), der neben einem der Lagersitze (37,38,43,44,51,53)
angeordnet ist, um dort die elastische Verformung des betreffenden Lagerschildes
(29,32) infolge der Belastung des Lastaufnahmemittels (8,74)
zu erfassen.
- Katz- oder Kranfahrwerk (80),
mit einem Fahrwerksrahmen (81,82),
mit an dem Fahrwerkrahmen (81,82) mittelbar oder unmittelbar gelagerten
Rädern (88,89),
mit einem Antriebsmotor (3,72,90),
mit einem Getriebegehäuse (2,91), an das der Antriebsmotor (3,72,90)
angeflascht ist, in das die Motorwelle (17) hineinragt und das einander
gegenüber stehende Lagerschilde (29,32) bildet, die Lagersitze
(37,38,43,44, 51,53) für Wellen
(34,35,36) enthalten,
mit einer Ausgangswelle (36), mittels derer wenigstens eines der Räder
(88,89) antreibbar ist und die in dem Getriebegehäuse (2,91)
gelagert ist, und
mit einem Sensor (65), der neben einem der Lagersitze (37,38,43,44,51,53)
angeordnet ist, um dort die elastische Verformung des betreffenden Lagerschildes
(29,32) infolge der Belastung des jeweils angetriebenen Rades
zu erfassen.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Antriebsmotor (3,90) ein Drehstromasynchronmotor oder ein permanent
erregter Gleichstrommotor ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebezeug
(1,70) ein Kettenzug, ein Bandzug oder ein Seilzug ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem auskragenden
Ende der Ausgangswelle (36) eine Kettennuss (56) oder eine Bandscheibe
sitzt.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das auskragende
Ende mit einer Seiltrommel (73) gekuppelt ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in
dem Getriebegehäuse (2) ein Zahnrädergetriebe enthalten ist, das wenigstens
eine Zwischenwelle (34,35,36) aufweist, die ein Ritzel
(42,47) und ein Rad (41,48) trägt, wobei das
Ritzel (42,47) mit einem Zahnrad (55) der Ausgangswelle
(36) kämmt.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Zahnrädergetriebe ein gerade oder ein schräg verzahntes Zahnrädergetriebe ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnradgetriebe
ein Stirnzahnradgetriebe ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sensor (65) ein DMS-Sensor ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sensor (65) in einen in sich geschlossenem Gehäuse sitzt, aus dem Anschlussdrähte
(66) herausführen.
- Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor
(65) mit seinem Gehäuse in einer Aufnahmebohrung (57) des betreffenden
Lagerschilds (29,32) sitzt.
- Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse
des Sensors (65) mit Presssitz in der Aufnahmebohrung (57) sitzt.
- Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse
zylindrisch ist das die Längsachse des Gehäuses parallel zu der Achse des Lagersitzes
(37,38,43,44,51,53) ausgerichtet
ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sensor (65) auf der Verlängerung desjenigen Radius, der benachbarten Lagerbohrung
(37,38,43,44,51,53) angeordnet
ist, der parallel zu dem Querkraftvektor liegt, der an dem betreffenden Lagerende
angreift.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sensor (65) neben jenem Lagersitz (51) angeordnet ist, an dem
das nicht auskragende Ende der Ausgangswelle (36) gelagert ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sensor (65) an einem Lagersitz (37,38,43,44)
einer Zwischenwelle (34,35) angeordnet ist, die zu einem in dem
Getriebegehäuse (2) befindlichen Zahnrädergetriebe gehört.
- Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz
(37,38,43,44) der Zwischenwelle (34,35)
ein Lagersitz ist, der dem Ritzel (42,47) der Zwischenwelle (34,36)
benachbart ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmebohrung
(57) für den Sensor (65) seitlich frei gestellt ist, derart, dass
zwei auf der Verlängerung des Durchmessers liegende Stege (62,63)
verbleiben, deren Achsen, gemessen in der Ebene des Lagerschildes
(28,32), parallel zum Kraftvektor ausgerichtet sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung
der Freistellung der Aufnahmebohrung (57) neben der Aufnahmebohrung (57)
zwei sich bezüglich der Aufnahmebohrung (57) gegenüberliegende Taschen
(58,59) angeordnet sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass jede Tasche
(58,59) die Aufnahmebohrung (57) mit einem Umfangswinkel
zwischen 60° und 140° umgibt.
- Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke
der Aufnahmebohrung (57) im Bereich der Taschen (58,59)
zwischen 2 mm und 10 mm, vorzugsweise um 4 mm, liegt.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen
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Patent Zeichnungen (PDF)
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