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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, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse B66C 9/14(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      
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.

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.


Anspruch[de]
  1. 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.
  2. 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.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (3,90) ein Drehstromasynchronmotor oder ein permanent erregter Gleichstrommotor ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebezeug (1,70) ein Kettenzug, ein Bandzug oder ein Seilzug ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem auskragenden Ende der Ausgangswelle (36) eine Kettennuss (56) oder eine Bandscheibe sitzt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das auskragende Ende mit einer Seiltrommel (73) gekuppelt ist.
  7. 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.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrädergetriebe ein gerade oder ein schräg verzahntes Zahnrädergetriebe ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnradgetriebe ein Stirnzahnradgetriebe ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (65) ein DMS-Sensor ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (65) in einen in sich geschlossenem Gehäuse sitzt, aus dem Anschlussdrähte (66) herausführen.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (65) mit seinem Gehäuse in einer Aufnahmebohrung (57) des betreffenden Lagerschilds (29,32) sitzt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Sensors (65) mit Presssitz in der Aufnahmebohrung (57) sitzt.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass jede Tasche (58,59) die Aufnahmebohrung (57) mit einem Umfangswinkel zwischen 60° und 140° umgibt.
  22. 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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