Schraubenfederwaage
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenfederwaage. Derartige Federwaagen haben den Nachteil, dass die Kennlinie der verwendeten Schraubenfeder oder Schraubenfedern keine Gerade ist. Wird eine Schraubenfeder ausgezogen, so verringert sich ihr Durchmesser.
Hauptsächlich aus diesem, aber auch aus anderen Gründen wird die Schraubenfeder bei zunehmender Auslenkung steifer. Daher hat eine bestimmte Laständerung eine grössere oder kleinere Wirkung, je nachdem, ob sie bei noch wenig ausgelenkter oder schon wesentlich weiter ausgelenkter Feder erfolgt.
Die Kennlinienkrümmung macht sich bei Schraubenfederwaagen einer höheren Genauigkeit als 10-3 störend bemerkbar. Die Krümmung der Federkennlinie lässt sich zwar dadurch kompensieren, dass man die Skale nichtlinear teilt. Bei der Herstellung von Mikroskalen bereitet dies aber an sich schon Schwierigkeiten.
Nichtlineare Projektionsskalen lassen sich aber dann nicht verwenden, wenn man die der Projektionsanzeige folgenden Gewichtsstellen durch eine bekannte Mikrometeranordnung anzeigen will.
Hierfür ist nämlich Voraussetzung, dass die Abstände zwischen den Teilstrichen der Projektionsskale über die ganze Skalenlänge gleich bleiben.
Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Schraubenfederwaage geschaffen werden, bei der die Krümmung der Federkennlinie in der Weise kompensiert wird, dass eine linear geteilte Anzeigeskale verwendbar wird.
Dies geschieht bei einer Schraubenfederwaage erfindungsgemäss dadurch, dass sie einen Waagebalken und mindestens eineSchraubenzugfeder aufweist, deren eines Ende am Waagengestell und deren anderes Ende am Waagebalken so angreift, dass das von der Feder hervorgerufene Drehmoment dem von der Last hervorgerufenen Drehmoment entgegenwirkt, und dass die Wirkungsgerade der Feder mit einer Geraden, die das Balkenstützlager und den Angriffspunkt der Feder am Balken schneidet, einen Winkel bildet, der in jeder Schwenk- stellung des Balkens höchstens 90 Grad beträgt.
Hierdurch wird erreicht, dass sich bei einer Schwenkung des Waagebalkens die Zugrichtung der Feder so ändert, dass sich der wirksame Hebelarm für die Federzugkraft ändert, und zwar in dem Sinne, dass dieser Hebelarm bei grösserer Auslenkung des Waagebalkens und damit bei grösserer Dehnung der Zugfeder verkleinert wird. Wird also bei zunehmender Dehnung der Schraubenzugfeder deren Federsteifigkeit grösser, so wird gleichzeitig der für das Feder-Drehmoment wirksame Hebelarm kleiner. Die Anordnung lässt sich räumlich nun so treffen, dass gerade die Krümmung der Federkennlinie innerhalb des erforderlichen Schwenkbereichs mit ausreichender Genauigkeit kompensiert wird.
Demgegenüber ist es von geringerer Bedeutung, wo das Stützlager des Balkens angeordnet ist und wie es ausgebildet ist. Ebenso ist es von geringerer Bedeutung.
wo und wie die Last am Balken angreift.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann das am Waagengestell befestigte Federende verstellbar angeordnet sein, und zwar insbesondere etwa parallel zum Waagebalken. Hierdurch lässt sich die Kompensationswirkung entsprechend dem tatsächlichen Verlauf der Federkennlinie justieren.
Weiterhin kann der Angriffspunkt der Feder am Balken senkrecht zu diesem Balken verstellbar sein.
Auch hierdurch lässt sich der Winkel zwischen den beiden genannten Geraden verändern. Das auf den Waagebalken einwirkende Federende kann zum Beispiel an einem Gehänge befestigt sein, das den Waagebalken umgreift und an einer Schneide des Balkens angreift, wobei die Schneide auf der der festen Federaufhängung abgewendeten Seite einer Geraden liegt, die das Last- und Stützlager des Balkens schneidet.
Es ist bekannt, Kosten bei der Waagenherstellung dadurch zu sparen, dass man anstelle von Schneidenlagern Torsionsspannbänder verwendet. Bei einer bekannten Waage dieser Art (DAS 1 255 336) sind für eine zweischalige Waage drei lotrechte Rahmen vorgesehen, um die die Torsionsbänder gespannt sind. Zwei Waagebalken bilden zusammen ein Parallelogrammgestänge und sind an sechs Stellen an die Torsionsbänder angelenkt. Bei der bekannten Waage ist zwar eine Spi ralfeder zum Gewichtsausgleich vorgesehen. Diese überdeckt aber nur einen sehr kleinen Gewichtsbereich, während der Hauptteil der Last durch aufzulegende Ge wichtsstücke kompensiert werden muss.
Schliesslich kann auch eine Schraubenfederwaage durch Anwendung des Prinzips der Torsionsbandrahmen billiger gestaltet werden. Dies kann in Weiterbildung der Erfindung dadurch geschehen, dass nur zwei Torsionsbandrahmen vorgesehen sind, von denen der eine ortsfest ist, und der andere die Lastschale trägt, und dass parallel zum Balken ein beide Rahmen verbindender Lenker vorgesehen ist. Da nur zwei Torsionsbandrahmen erforderlich sind, benötigt man insgesamt nur vier Torsionsbandgelenke. Bei geschickter Anordnung des Stütz- und des Lastlagers kann der Lenker kürzer gemacht werden als der Waagebalken.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt stark schematisiert in Seitenansicht eine Schraubenfederwaage nach der Erfindung mit Torsionsbandaufhängung;
Fig. 2 zeigt einen der beiden Torsionsbandrahmen von rechts in Fig. 1 gesehen;
Fig. 3 zeigt vereinfacht und übertrieben eine Schraubenfederkennlinie;
Fig. 4 zeigt übertrieben die Wirkung der Federaufhängung auf das Feder-Drehmoment.
Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Waage einen Waagebalken 1 mit einer Mikroskale 3, die durch ein nicht dargestelltes Projektionssystem auf eine Mattscheibe abgebildet wird, eine Lastschale 5, die an einem lotrechten Lastschalenträger 7 befestigt ist und zwei lotrecht und zueinander parallel angeordnete Torsionsbandrahmen 9, 10. Beide Rahmen gleichen einander. Einer von ihnen ist in Fig. 2 im einzelnen gezeigt. Jeder Torsionsbandrahmen weist einen in sich geschlossenen Tragrahmen 12 auf, der an seiner unteren Seite eine Einbuchtung nach oben hat und an dem oben rechts und links je ein Bügel 14 befestigt ist. Ein Torsionsband 16, zum Beispiel aus Federstahl, ist um den Tragrahmen 12 und die Bügel 14 herumgespannt. An die freien Enden der Bügel 14 wird das Torsionsband 16 mit Hilfe von Druckstücken 17 angepresst.
Zum Einstellen der richtigen Spannung dient ein zylindrisches Stück 18, das von aussen gegen das Torsionsband 16 drückt und mit Hilfe einer Schraube 20 gegen den Tragrahmen 12 angezogen werden kann. Das Torsionsband 16 verläuft sowohl oben als auch unten am Rahmen ein längeres Stück frei, das heisst ohne Auflage am Rahmen. Dieses Stück dient zur Lagerung des Waagebalkens 1 und eines Lenkers 22. Beide sind an dem Torsionsband in nicht näher dargestellter, aber bekannter Weise befestigt.
Zum Einstellen des Abstandes vom oberen zum unteren freien Stück des Torsionsbandes und zum Einstellen der Parallelität beider Stücke dienen zweiSchrauben 24. Durch Verstellung dieser Schrauben werden die Bügel 14 mehr oder weniger weit gebogen, wodurch das obere freie Stück des Torsionsbandes 16 zu dessen unterem freien Stück parallel justiert werden kann.
Der Torsionsbandrahmen 10 ist, wie Fig. 1 zeigt, ortsfest angeordnet, das heisst am Waagengestell befestigt. An seinem Torsionsband ist unten der Waagebalken 1, oben der Lenker 22 befestigt. Der zweite Torsionsbandrahmen 9 ist beweglich angeordnet. Sein Torsionsband ist unten am Waagebalken 1, oben am Lenker 22 befestigt. Beide Torsionsbandrahmen bilden mit einem Stück des Waagebalkens 1 und dem Lenker 22 eine Parallelogrammführung.
Die Last übt auf den Waagebalken 1 ein Drehmoment ML um das Stützlager 28 aus. Diesem Drehmoment wirkt ein Moment MF entgegen, das von der Schraubenfeder 30 herrührt. Das obere Ende der Feder ist an einem Aufhängepunkt 32 am Waagengestell angebracht. Das untere Federende ist durch ein Gehänge 34 mit einer Pfanne 36 fest verbunden, in der eine Schneide eines vom Waagebalkens 1 nach unten ragenden Waagebalkenfortsatzes 38 ruht. Der Fortsatz 38 kann zum Beispiel gegenüber dem Balken 1 höhenverstellbar angeordnet sein, so dass der Abstand b zwischen dem unteren Ende des Fortsatzes 38 und einer Geraden 40 einstellbar ist, die das Stützlager 28 und das Lastlager 42 schneidet.
In Fig. 3 ist längs der Ordinate die Federkraft P angegeben, längs der Abszisse die Federauslenkung a.
Die stark vereinfacht dargestellte Kennlinie 43 der Schraubenfeder ist nach oben gekrümmt. Diese Krümmung soll durch die Aufhängung der Feder 30 kompensiert werden.
Wie dies geschieht, zeigt schematisch Fig. 4. Man erkennt den Waagebalken 1 mit seinem Stützlager 28 und seinem Fortsatz 38. Dessen Schneide ist bei 46 durch die Wirkungsgerade 30' der Schraubenfeder 30 mit dem Aufhängepunkt 32 am Waagen gestell verbunden.
Das gleiche ist noch einmal gestrichelt für eine andere Schwenkstellung des Waagebalkens eingezeichnet, wobei der feste Aufhängepunkt 32 der Feder besonders weit nach rechts versetzt ist, um die Verhältnisse deutlicher zu machen. Das linke Ende des Fortsatzes 38 ist durch eine Gerade 44 mit dem Stützlager 28 des Waagebalkens verbunden. Die Wirkungsgerade 30' der Schraubenfeder 30 schliesst mit der Geraden 44 einen spitzen Winkel ss ein, und zwar in jeder der beiden gezeichneten Schwenkstellungen sowie dazwischenliegenden und sich nach aussen anschliessenden Schwenkstellungen.
Das von der Feder erzeugte Drehmoment MF um das Stützlager 28 ist gleich der jeweiligen Federkraft P multipliziert mit dem wirksamen Radius r. Man erkennt in Fig. 4 deutlich, dass der Radius r abnimmt, wenn die Feder 30 gedehnt wird. Während also die Feder mit zunehmender Auslenkung a nach Fig. 3 steifer wird, wird der wirksame Hebelarm r des Federdrehmoments kleiner, wodurch die zunehmende Federsteifigkeit kompensiert wird.
Dies lässt sich mit ausreichender Genauigkeit durch Verstellung der Lage der Schneide am Fortsatz 38 und der Lage des Aufhängepunktes 32 erreichen. Der Aufhängepunkt 32 ist durch nicht dargestellte Mittel in der Zeichenebene der Fig. 1 und 4 verstellbar. Konstruktiv besonders einfach darstellbar ist eine lotrechte Verstellung des Aufhängepunktes. Wirkungsvoller für eine Ver änderung des Winkels ss ist jedoch, wie Fig. 4 zeigt, eine solche Verstellung, dass die Gerade 30' gegenüber der Geraden 44 geschwenkt wird, was man gut durch eine waagrechte Verstellung des Aufhängepunktes 32 annähern kann.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist nur eine bevorzugte Ausführungsform und lässt sich vielfach abwandeln, zum Beispiel können der Waagebalken 1 oben und der Lenker 22 unten angeordnet sein. Weiterhin können Stütz- und Lastlager vertauscht sein. Die Lastschale kann zum Beispiel ganz rechts und die Feder ebenfalls links, aber nach unten ziehend, angeordnet sein, wobei dann der Fortsatz 38 nach oben weist. Es können auch das Stützlager ganz rechts, das Lastlager mit der Lastschale ganz links und die Feder an einem mittleren Teil des Waagebalkens angeordnet sein, wobei die Feder dann ebenfalls nach oben zieht. Diese Anordnung ist aber insofern ungünstiger als dann der Lenker 22 die gesamte Länge des Waagebalkens 1 haben muss.
Anstelle der Torsionsbandlagerungen können auch Schneidenlagerungen verwendet werden. Bei allen diesen und weiteren möglichen Anordnungen kann das dargestellte Prinzip der Federaufhängung verwirklicht werden.
Coil spring balance
The invention relates to a helical spring balance. Such spring balances have the disadvantage that the characteristic curve of the helical spring or helical springs used is not a straight line. If a coil spring is pulled out, its diameter is reduced.
Mainly for this, but also for other reasons, the coil spring becomes stiffer with increasing deflection. Therefore, a certain change in load has a greater or lesser effect, depending on whether it occurs when the spring is still slightly deflected or when the spring is deflected much further.
The curvature of the characteristic has a disturbing effect on coil spring balances with an accuracy higher than 10-3. The curvature of the spring characteristic can be compensated by dividing the scale non-linearly. However, this in itself creates difficulties in the production of microscales.
However, non-linear projection scales cannot be used if one wants to display the weight positions following the projection display using a known micrometer arrangement.
The prerequisite for this is that the distances between the graduation marks of the projection scale remain the same over the entire length of the scale.
The present invention is therefore intended to create a helical spring balance in which the curvature of the spring characteristic is compensated in such a way that a linearly divided display scale can be used.
According to the invention, this happens in a helical spring balance in that it has a balance beam and at least one coil tension spring, one end of which engages the balance frame and the other end of which engages the balance beam in such a way that the torque produced by the spring counteracts the torque produced by the load, and the line of action The spring forms an angle with a straight line that intersects the beam support bearing and the point of application of the spring on the beam, which is at most 90 degrees in each pivoting position of the beam.
This means that when the balance arm is pivoted, the direction of pull of the spring changes in such a way that the effective lever arm for the spring tensile force changes, in the sense that this lever arm is reduced in size with greater deflection of the balance arm and thus with greater expansion of the tension spring becomes. If the spring stiffness of the helical tension spring increases with increasing elongation, the lever arm effective for the spring torque becomes smaller at the same time. The arrangement can now be made spatially in such a way that the curvature of the spring characteristic curve is compensated with sufficient accuracy within the required pivoting range.
In contrast, it is of less importance where the support bearing of the beam is arranged and how it is designed. It is also of lesser importance.
where and how the load attaches to the beam.
In an advantageous further development, the spring end attached to the balance frame can be arranged to be adjustable, specifically in particular approximately parallel to the balance beam. This allows the compensation effect to be adjusted in accordance with the actual course of the spring characteristic.
Furthermore, the point of application of the spring on the bar can be adjusted perpendicular to this bar.
This also allows the angle between the two straight lines mentioned to be changed. The spring end acting on the balance beam can be attached, for example, to a hanger that engages around the balance beam and engages a cutting edge of the beam, the cutting edge lying on the side of a straight line facing away from the fixed spring suspension, which intersects the load and support bearing of the beam .
It is known to save costs in the manufacture of scales by using torsion tensioning straps instead of cutting edge bearings. In a known scale of this type (DAS 1 255 336), three vertical frames are provided for a two-shell scale, around which the torsion bands are stretched. Two balance beams together form a parallelogram linkage and are hinged to the torsion strips at six points. In the known scales a spiral spring is provided for weight compensation. However, this only covers a very small weight range, while the main part of the load has to be compensated for by laying down pieces of weight.
Finally, a helical spring balance can also be made cheaper by applying the principle of the torsion band frame. In a further development of the invention, this can be done in that only two torsion band frames are provided, one of which is stationary and the other carries the load shell, and that a link connecting both frames is provided parallel to the beam. Since only two torsion band frames are required, a total of only four torsion band joints are required. With a clever arrangement of the support and load bearing, the link can be made shorter than the balance beam.
An embodiment of the invention is described below with reference to the drawing.
Fig. 1 shows a highly schematic side view of a helical spring balance according to the invention with torsion band suspension;
Fig. 2 shows one of the two torsion band frames seen from the right in Fig. 1;
3 shows, in a simplified and exaggerated manner, a helical spring characteristic;
Fig. 4 exaggerates the effect of the spring suspension on the spring torque.
In the embodiment shown, the balance has a balance beam 1 with a microscale 3, which is mapped onto a ground glass by a projection system (not shown), a load tray 5 which is attached to a vertical load tray carrier 7 and two torsion belt frames 9, 10 arranged vertically and parallel to one another Both frames are alike. One of them is shown in detail in FIG. Each torsion band frame has a self-contained support frame 12, which has an indentation at the top on its lower side and to which a bracket 14 is attached at the top right and left. A torsion band 16, for example made of spring steel, is stretched around the support frame 12 and the bracket 14. The torsion band 16 is pressed against the free ends of the bracket 14 with the aid of pressure pieces 17.
A cylindrical piece 18, which presses against the torsion strip 16 from the outside and can be tightened against the support frame 12 with the aid of a screw 20, is used to set the correct tension. The torsion band 16 runs freely both at the top and at the bottom of the frame for a longer piece, that is to say without resting on the frame. This piece is used to support the balance beam 1 and a link 22. Both are attached to the torsion band in a known manner, not shown in detail.
Two screws 24 are used to adjust the distance from the upper to the lower free piece of the torsion band and to adjust the parallelism of both pieces. By adjusting these screws, the brackets 14 are bent to a greater or lesser extent, whereby the upper free part of the torsion band 16 becomes its lower free part can be adjusted in parallel.
The torsion band frame 10 is, as FIG. 1 shows, arranged in a stationary manner, that is to say attached to the balance frame. The balance beam 1 is attached to its torsion band at the bottom and the link 22 at the top. The second torsion band frame 9 is movably arranged. Its torsion band is attached to the balance beam 1 at the bottom and to the handlebar 22 at the top. Both torsion band frames together with a piece of the balance beam 1 and the link 22 form a parallelogram guide.
The load exerts a torque ML about the support bearing 28 on the balance beam 1. This torque is counteracted by a moment MF that originates from the helical spring 30. The upper end of the spring is attached to a suspension point 32 on the scale frame. The lower end of the spring is firmly connected by a hanger 34 to a pan 36 in which a cutting edge of a balance beam extension 38 protruding downward from the balance beam 1 rests. The extension 38 can for example be arranged in a height-adjustable manner with respect to the beam 1, so that the distance b between the lower end of the extension 38 and a straight line 40 which intersects the support bearing 28 and the load bearing 42 can be adjusted.
In Fig. 3, the spring force P is indicated along the ordinate, the spring deflection a along the abscissa.
The greatly simplified characteristic curve 43 of the helical spring is curved upwards. This curvature should be compensated for by the suspension of the spring 30.
How this happens is shown schematically in FIG. 4. The balance beam 1 with its support bearing 28 and its extension 38 can be seen. Its cutting edge is connected at 46 by the straight line 30 'of the helical spring 30 to the suspension point 32 on the balance frame.
The same is shown again in dashed lines for a different pivoting position of the balance beam, the fixed suspension point 32 of the spring being offset particularly far to the right in order to make the situation clearer. The left end of the extension 38 is connected by a straight line 44 to the support bearing 28 of the balance beam. The straight line of action 30 'of the helical spring 30 encloses an acute angle ss with the straight line 44, specifically in each of the two pivot positions shown as well as pivot positions in between and adjacent to the outside.
The torque MF generated by the spring about the support bearing 28 is equal to the respective spring force P multiplied by the effective radius r. It can be clearly seen in FIG. 4 that the radius r decreases when the spring 30 is stretched. So while the spring becomes stiffer with increasing deflection a according to FIG. 3, the effective lever arm r of the spring torque becomes smaller, whereby the increasing spring stiffness is compensated.
This can be achieved with sufficient accuracy by adjusting the position of the cutting edge on the extension 38 and the position of the suspension point 32. The suspension point 32 can be adjusted in the plane of the drawing in FIGS. 1 and 4 by means not shown. A vertical adjustment of the suspension point is particularly easy to represent in terms of design. However, as shown in FIG. 4, an adjustment such that the straight line 30 'is pivoted with respect to the straight line 44 is more effective for changing the angle ss, which can be easily approximated by a horizontal adjustment of the suspension point 32.
The arrangement shown in Fig. 1 is only a preferred embodiment and can be modified in many ways, for example the balance beam 1 can be arranged above and the link 22 below. Furthermore, support and load bearings can be interchanged. The load tray can, for example, be arranged on the far right and the spring also on the left, but pulling downwards, with the extension 38 then pointing upwards. The support bearing can also be arranged on the far right, the load bearing with the load tray on the far left and the spring on a central part of the balance beam, the spring then also pulling upwards. However, this arrangement is less favorable in that the link 22 must then have the entire length of the balance beam 1.
Instead of the torsion strip bearings, blade bearings can also be used. In all of these and other possible arrangements, the illustrated principle of the spring suspension can be implemented.