Federwaage
Federwaagen sind an sich bekannt. Die meisten weisen eine Feder auf, üblicherweise eine Schraubenfeder, die durch den zu wiegen, den Körper belastet wird. Die Deformation der Feder wird gemessen und gilt als Mass für das Gewicht des Körpers. Es wird dabei angenommen, dass die Verformung der Feder proportional der Belastung ist. Dies ist aber nur bedingt richtig. Werden die Deformationen der Feder relativ klein gehalten und ist die gewünschte Präzision der Messung nicht allzu gross, so kann in erster Annäherung die Proportionalität zwischen Belastung und Verformung angenommen werden. Treten hingegen relativ grosse Verformungen und Spannungen auf, z. B. bei tragbaren Waagen für zwanzig und mehr Tonnen, so kann von solchen Waagen die genügende Proportionalität von Last und Weg nicht mehr erwartet werden.
Um die Hauptvorteile von Federwaagen, geringes Gewicht und Unempfindlichkeit gegenüber Transporten, verwerten zu können, werden oft Nachteile gegenüber anderen Waagen in Kauf genommen. So werden z. B. bei einer bekannten Ausführung bei der Eichung eine Anzahl Messwerte mit bekannten Gewichten festgelegt. Beim Gebrauch der Waage müssen dann Massstab- und Proportionalitätsfehler entsprechend Fehlertabellen korrigiert werden.
Solche Waagen und Wiegeverfahren sind jedoch nicht im üblichen Sinne eichamtlich zugelassen und nicht zum allgemeinen Gebrauch geeignet.
Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die Übertragungsorgane zwischen dem die Verformung der Feder abtastenden Stift und dem Antrieb des Zeigers derart zu gestalten, dass der Zeiger für den vorgesehenen Wiegebereich eine zur Belastung proportionale Anzeige vermittel't. Diese Anzeige ist, streng genommen, nicht ganz genau, der Fehler kann jedoch in bezug auf die Grössenordnung (2ort) der in Frage kommenden Belastungen ohne weiteres vernachlässigt werden.
Die erfindungsgemässe Federwaage ist zu diesem Zweck gekennzeichnet durch mindestens zwei sich zur Belastung nicht proportional deformierende Feder körper mit parabolischer Federkennlinie, einen über ein Fühlorgan entsprechend der Deformation der Federkörper verschwenkten Hebel, der über ein an ihm angelenktes Antriebselement ein Anzeigegerät steuert, welches Anzeigegerät eine zur Belastung proportionale Skalenteilung aufweist, wobei der Winkel zwischen der den Schwenkpunkt des Hebels mit dem Angriffspunkt des Fühlorgans an demselben verbindenden Geraden und der jeweiligen Richtung der auf den Hebel einwirkenden Kraft stets grösser als der Winkel ist,
den die den Schwenkpunkt des Hebels mit dem Anlenkpunkt des Antriebselementes an diesem Hebel verbindende Gerade mit der Verbindungsgeraden, die den Anlenkpunkt des Hebels mit derjenigen Stelle verbindet, an der das Antriebselement die Anzeigebewegung auf das Anzeigegerät überträgt, einschliesst.
Es können mit dieser Ausbildung hochbeanspruchbare leichte Federwaagen gebaut werden, welche eine direkte Ablesung des Messwertes ohne Korrektur gestatten, hierbei die übliche, amtlich verlangte Genauigkeit erreichen und so zum allgemeinen Gebrauch geeignet sind.
In der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Vertikal schnitt durch die ganze Waage, wobei das Übertragungssystem nur schematisch dargestellt ist,
Fig. 2 in schaubildlicher Darstellung den Stützkörper,
Fig. 3 das Lagerorgan,
Fig. 4 den Übertragungshebel,
Fig. 5 schematisch die Wirkungsweise der Federwaage,
Fig. 6 eine Variante zu Fig. 5,
Fig. 7 ein Belastung-Weg-Diagramm und
Fig. 8 eine variante Ausführung der Federgruppe im Schnitt.
Die Fig. 3 bis 6 sind gegenüber der Fig. 1 umgekehrt orientiert.
Die dargestellte Waage weist eine Sockeiplatte 1 mit einer Ausnehmung auf, in welcher ein Stützkörper 2 (Fig. 2) angeordnet ist. Dieser Stützkörper 2 ist hohlzylindrisch und weist drei Einschnitte 3 bzw. drei Vorsprünge 4 auf. Über dem Stützkörper 2 sind zwei tellerförmige Federkörper 5, 6 übereinander angeordnet. Diese Federkörper 5, 6 sind im wesentlichen spiegelsymmetrisch. Sie sind durch nicht dargestellte Klammern aneinander gehalten.
Der untere Federkörper 5 weist eine Längsbohrung 7 auf. Seine untere Seite ist mit einem Rand 8 und einem ringförmigen Vorsprung 9 versehen. Der Vorsprung 9 liegt auf den Oberflächen der Vorsprünge 4 des Stützkörpers 2 auf, die vom Rand 8 umschlossen sind. Es wäre aber auch möglich, die Unterseite der Feder 5 vollkommen flach auszubilden und den ringförmigen Vorsprung 9 sowie den Rand 8 an dem Stützkörper 2 anzubringen. Die obere Seite des Federkörpers 5 weist an ihrem Umfang einen abgeflachten Ringwulst auf, auf welchem eine ringförmige Schneide 10 des oberen Federkörpers 6 aufliegt. Anstelle von Schneide und Wulst könnte man einen ring- und einen pfannenförmigen Rand vorsehen. Die obere Seite des Mittelteils des Federkörpers 6 ist vollkommen eben und bildet eine Abwälzfläche für die untere gewölbte Fläche 11 eines Tragbolzens 12, der in einem Deckel 13 eingefasst ist.
Die obere Seite 14 des Tragbolzens ist konkav gewölbt ausgebildet. Der zu wägende Gegenstand, z. B. ein Flugzeug, wird auf dieser oberen Seite 14 abgestützt. Die Belastung wird somit punktförmig auf die Feder 6 übertragen.
Die beschriebenen Teile sind in einem Gehäuse 15 untergebracht, dessen obere Kante 16 mit Abstand unter einem ringförmigen Rand 17 des Deckels 13 liegt. Das Gehäuse 15 weist einen Längsschlitz 18 auf.
Ferner ist ein Lagerorgan 19 (Fig. 3) vorgesehen, das in Fig. 1 vereinfacht dargestellt ist. Dieses Lagerorgan 19 besteht aus einem Ring 20 und einem Arm 21. Der Ring 20 ist um den Stützkörper 2 angeordnet und trägt auf drei in den Einschnitten 3 liegenden Vorsprüngen 22 drei Stifte 23, die mit ihren Flächen 24 an dem ringförmigen Vorsprung 5 anliegen. Zwischen der Unterseite des Ringes 20 und der Sockelplafte 1 angeordnete Federn 25 halten das Organ 19 in der dargestellten Lage gegen den Federkörper 5. Der Arm 21, der sich durch den Schlitz 18 erstreckt, trägt eine Platte 26, an welcher das weiter unten beschriebene Anzeigegerät (47) befestigt ist. Durch diese Ausbildung ist der ganze Anzeigeteil der Waage nur am unteren Federkörper 5 abgestützt.
Der Übertragungshebel 27 (Fig. 4) besteht aus einem Dreieck 28 und' einem Arm 29. Der Steg 30 der Dreiecks 28 verläuft durch zwei der Einschnitte 3, so dass einer der VorsprTinge 4 vom Dreieck 28 umschlossen ist. Dieses Dreieck trägt ferner zwei Schneiden 31, die in Pfannen 32 liegen. Diese Pfannen 32 sind beidseitig des Ringes 20 am Lagerorgan 19 befestigt (Fig. 3). Infolge der drei Stifte 23 und der Federn 25 bleiben die Pfannen stets in der gleichen Höhenlage relativ zur Feder 5. Die Schneiden 31 bilden die Schwenkachse S des Hebels 29. Sie könnten auch unmittelbar an nicht der Abstützung dienenden Punkten der Unterseite der Feder 5 gelagert werden. In der Mitte des Steges 30 ist eine weitere Schneide 33 vorgesehen, auf welcher das untere Ende eines Fühlstiftes 34 liegt.
Das andere Ende dieses Fühlstiftes liegt gegen das untere Ende des Federkörpers 6 an.
Der Übertragungshebel 27 wird durch zwei Zugfedern 55 (von der nur eine in Fig. 1 sichtbar ist) gegen die Pfannen 32 des Lagerorgans 19 und den Fühlstift 34 angedrückt. Statt auf dem Steg 30 könnte die Schneide 33 auf einem den temperaturabhängigen Elastizitätsmodul kompensierenden, an diesem Steg 30 befestigten Metallstreifen angeordnet werden.
Der Arm 29 ist aus der Ebene des Dreiecks 28 nach oben herausgebogen. Er trägt an seinem Ende eine schwenkbar gelagerte Zahnstange 35, die einen Winkel fl (siehe auch Fig. 5, 6) mit der den Schwenk- punkt S des Hebels 27 mit dem Anlenkpunkt C dieser Zahnstange 35 auf diesem Hebel 27 verbindenden Geraden p einschliesst.
Die Zahnstange 35 kämmt mit einem Ritzel 36, das auf der Zeigerwelle 39 sitzt. Diese Welle 39 ist in einem Träger 37 gelagert. Das Zifferblatt 38 weist eine Teilung 44 auf, die der Belastung der Federkörper 5, 6 proportional ist. Der Träger 37 ist mittels einer Zugfeder 41 am Flansch 26 gehalten und durch eine Einstellschraube 42 um zwei an der Platte 26 sitzende, eine Schwenkachse bestimmende Stifte 40 schwenkbar angeordnet. Diese Einstellschraube 42 ist in einer Gewindebohrung 46 des Trägers 37 geführt; sie dient zur Einstellung der Nullstellung des Zeigers 43, da durch Verstellung dieser Einstellschraube 42 die relative Lage des Ritzels 36 zur Zahnstange 35 verändert wird.
Messungen und Be rechnungen an verschiedenen Federkörpern haben gezeigt, dass die Abweichungen der Federcharakteristik, d. h. der Belastungs-Verformungswegkurve A (Fig. 7), vom linearen Verhältnis im wesentlichen durch eine Parabel dargestellt werden kann. Sind die Federkörper so ausgebildet, dass die Abweichungen von der Linearität nicht parabolisch ausfallen, so sind sie für die hier beschriebene Waage nicht mehr verwendbar.
Das durch den Fühlstift 34, den Übertragungshebel 27 und die Zahnstange 35 gebildete System hat also gewisse nachstehend angegebene Bedingungen zu erfüllen, um die nicht proportionale Verformung der Federkörper auf eine Skala mit gleichmässiger Teilung anzuzeigen.
In Fig. 5 und 6 sind der Übertragungshebel 27 und die Zahnstange 35 schematisch dargestellt. Der Fühlstift 34 ist nicht dargestellt. Fig. 5 entspricht einer Ausführung mit einem Übertragungshebel nach Fig. 4, während Fig. 6 eine Variante darstellt, bei welcher die Gerade m, etwa wie in Fig. 1 dargestellt, mit der Geraden p zusammenfällt. Die Gerade q ist nun stets derart angeordnet, dass sie mit der Geraden p einen Winkel fl einschliesst, der kleiner ist als der Winkel a zwischen den Geraden m und n (Fig. 5 und 6). Wesentlich sind hierbei die Richtung n des vom Hebel 27 übertragenen Federweges sowie der Angriffspunkt D des Stiftes 34 am Hebel 27. In Fig. 1 und 4 ist dieser Punkt D durch die Schneide 33 dargestellt.
Ist die Abweichungskurve unbekannt, so werden zunächst die Winkel cc a ss gesetzt. Die Waage wird dann mit bekannten Gewichten belastet, und die sich ergebenden Abweichungen werden notiert. Die Abweichungskurve A kann dann gezeichnet werden.
In Fig. 8 ist eine Variante dargestellt, bei welcher drei Federn 5', 6' und 44 vorgesehen sind. Die Federn 5', 6'entsprechen den Federn 5, 6, während die Feder 44 doppelt und symmetrisch ausgebildet ist.
Die Abstützung diieser Federn aufeinander erfolgt in der in Fig. 1 beschriebenen Weise. Die Feder 5' weist eine flache Unterseite auf, die auf einem mit ringförmigem Vorsprung 9' und Rand 8' versehenen Stützkörper 2' sitzt. Nlatürlich könnte dieser gemäss Fig. 2 und die Feder 5' wie die Feder 5 ausgebildet werden. Die Feder 44 weist ebenfalls eine Bohrung 7' für den Stift 34 auf.