DE10161517A1

DE10161517A1 - Überlastsicherung für eine oberschalige Waage

Info

Publication number: DE10161517A1
Application number: DE2001161517
Authority: DE
Inventors: Thorsten Capelle; Otto Kuhlmann
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2021-12-15
Also published as: DE10161517B4

Abstract

Für eine Überlastsicherung für eine oberschalige Waage mit einer Waagschale, die über eine Hilfsparallelführung mit einem Lastaufnehmer (2) eines Wägesystems verbunden ist, wobei die Lenker der Hilfsparallelführung so vorgespannt sind, dass sie im zulässigen Wägebereich an einem Hilfsparallelführungsanschlag anliegen und dadurch die Waagschale quasi starr mit dem Lastaufnehmer verbunden und bei Überschreiten des zulässigen Wägebereiches vom Hilfsparallelführungsanschlag abheben und dadurch die Waagschale nur noch elastisch nachgiebig mit dem Lastaufnehmer verbinden, und mit mindestens einem gehäusefesten Begrenzungsanschlag (1'), der die elastische Ausweichbewegung der Waagschale bei Überlast begrenzt, wird vorgeschlagen, dass der eine Lenker der Hilfsparallelführung aus einer vorgespannten Feder (11) besteht, dass der andere Lenker der Hilfsparallelführung durch einen vertikalen Stift (14), der in eine Ausnehmung (15) von unten hineingreift, ersetzt ist, wobei der vertikale Stift (14) und/oder die Ausnehmung (15) zumindest teilweise konisch ausgebildet ist/sind, und dass der vertikale Stift (14) durch die Vorspannkraft der Feder (11) in die Ausnehmung (15) hineingedrückt wird und gleichzeitig den Hilfsparallelführungsanschlag bildet. DOLLAR A Dadurch lässt sich eine Überlastsicherung aus wenigen Bauteilen herstellen, die platzsparend in vorhandene Wägesysteme integriert werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überlastsicherung für eine oberschalige Waage mit einer Waagschale, die über eine Hilfsparallelführung mit einem Lastaufnehmer eines Wägesystems verbunden ist, wobei die Lenker der Hilfsparallelführung so vorgespannt sind, dass sie im zulässigen Wägebereich an einem Hilfsparallelführungsanschlag anliegen und dadurch die Waagschale quasi starr mit dem Lastaufnehmer verbinden und bei Überschreiten des zulässigen Wägebereichs vom Hilfsparallelführungsanschlag abheben und dadurch die Waagschale nur noch elastisch nachgiebig mit dem Lastaufnehmer verbinden, und mit mindestens einem gehäusefesten Begrenzungsanschlag, der die elastische Ausweichbewegung der Waagschale bei Überlast begrenzt.

Überlastsicherungen dieser Art sind z. B. aus DE 28 30 345 A1 bekannt. Die dort gezeichnete Ausführungsform nimmt jedoch erheblichen Platz in Anspruch, sodass die Gehäusegröße der Waage durch die Überlastsicherung zunimmt. Außerdem besteht die Überlastsicherung aus einer Vielzahl von Teilen, sodass die Montage aufwändig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Überlastsicherung der eingangs genannten Art anzugeben, die nur aus wenigen Teilen besteht und platzsparend in das Wägesystem integriert werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der eine Lenker der Hilfsparallelführung aus einer vorgespannten Feder besteht, dass der andere Lenker der Hilfsparallelführung durch einen vertikalen Stift, der in eine Ausnehmung von unten hineingreift, ersetzt ist, wobei der vertikale Stift und/oder die Ausnehmung zumindest teilweise konisch ausgebildet ist/sind, und dass der vertikale Stift durch die Vorspannkraft der Feder in die Ausnehmung hineingedrückt wird und gleichzeitig den Hilfsparallelführungsanschlag bildet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Aufbaus der Überlastsicherung,

Fig. 2 ein Kräftediagramm an der Oberfläche des Stiftes,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Wägesystems mit der Überlastsicherung - z. T. längs der Linie III-III in Fig. 4 geschnitten -,

Fig. 4 eine Aufsicht auf das Wägesystem mit der Überlastsicherung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Verbindungselementes der Hilfsparallelführung, das die Waagschale trägt und

Fig. 6 ein Detail des Verbindungselementes in einer alternativen Ausführung.

Das in Fig. 1 schematisch in Seitenansicht dargestellte Wägesystem besteht aus einem Bereich 5, der am Gehäuse - symbolisiert durch den schraffierten Teil 1 - befestigt ist, aus einem oberen Lenker 3 und einem unteren Lenker 4, die einen Lastaufnehmer 2 parallel führen, und einem Übersetzungshebel 6, der am gehäusefesten Bereich 5 gelagert ist und der die vom Koppelelement 7 übertragene Gewichtskraft untersetzt zur Spule 8 überträgt. Die Spule 8 befindet sich im Feld eines gehäusefesten Permanentmagneten 9 und erzeugt die der Gewichtskraft proportionale Gegenkraft. Der Strom durch die Spule 8 wird dabei von einem Lagesensor 10 geregelt. - Wägesysteme dieser Art sind allgemein bekannt und daher im Vorstehenden nur stichwortartig beschrieben.

Dieses Wägesystem weist nun erfindungsgemäß eine Überlastsicherung auf, die aus einer vorgespannten Feder 11 als oberem Lenker, und aus einem Verbindungselement 12, an dem die Waagschale 13 befestigt ist und das einen vertikalen Stift 14 trägt, der von unten in eine Ausnehmung 15 im Lastaufnehmer 2 hineingreift. Der Stift 14 ist zumindest teilweise konisch ausgebildet und auch die Ausnehmung 15 ist konisch ausgebildet. Der Stift 14 wird dabei durch die Vorspannung der Feder 11 nach oben in die Ausnehmung 15 hineingedrückt und dort fixiert. Für diese Fixierung reicht es aus, wenn der Stift einen konischen Bereich aufweist und die Ausnehmung als zylindrische Bohrung ausgeführt ist; der Stift ist dann an der Unterkante der zylindrischen Bohrung fixiert. Umgekehrt reicht es auch aus, wenn der Stift zylindrisch ausgebildet ist und die Ausnehmung einen konischen Bereich aufweist; der Stift ist dann an seiner Oberkante in der Ausnehmung fixiert. Um die Flächenpressung an diesem linienförmigen Berührungsbereich nicht zu groß werden zu lassen, ist es selbstverständlich zweckmäßig, die Berührungslinie durch Kantenabrundung zu entschärfen und so doch im eigentlichen Berührungsbereich eine konische Ausbildung beider sich berührenden Teile zu erzeugen.

Die Vorspannung der Feder 11 ist nun so groß gewählt, dass zumindest bis zur Höchstlast der Waage eine resultierende Kraft nach oben verbleibt, die den Stift 14 in die Ausnehmung 15 hineindrückt. Dadurch ist bis zur Höchstlast der Waage der Stift 14 in der Ausnehmung 15 fixiert und dadurch die Waagschale 13 über das Verbindungselement 12 starr mit dem Lastaufnehmer 2 des Wägesystems verbunden. Der Stift 14 nimmt also zusammen mit der Ausnehmung 15 waagerechte Kräfte in allen Richtungen auf und übernimmt damit die Funktion des unteren Lenkers der Hilfsparallelführung gemäß dem Stand der Technik. Außerdem verhindert er, dass die vorgespannte Feder 11 das Verbindungselement weiter nach oben drückt, und übernimmt damit zusätzlich die Funktion des Hilfsparallelführungsanschlages gemäß dem Stand der Technik. Erreicht die Belastung der Waagschale 13 nun die Ansprechschwelle der Überlastsicherung - beispielsweise beim 1,1-fachen der Höchstlast der Waage - so reicht die Vorspannung der Feder 11 gerade noch, diese Belastung zu tragen; der Stift 14 liegt damit nur noch kraftfrei an der Ausnehmung 15 an. Bei Überschreiten der Ansprechschwelle der Überlastsicherung senkt sich dann das Verbindungselement 12 ab, der Stift 14 ist nicht mehr in der Ausnehmung 15 fixiert, sondern nur noch locker gehalten und bei größer werdender Überlast senkt sich das Verbindungselement 12 auf den gehäusefesten Begrenzungsanschlag 1' ab, der dann die weitere Überlast aufnimmt. - Nach Ende der Überlast drückt die Feder 11 den Stift 14 wieder in die Ausnehmung 15 hinein und fixiert in dort wieder an derselben Stelle wie vor der Überlast.

Im vorigen Absatz ist stillschweigend davon ausgegangen worden, dass die Überlast mittig auf die Waagschale 13 wirkt und daher keine Drehmomente auf das Verbindungselement 12 einwirken. Die Situation bei außermittiger Überlast - angedeutet z. B. durch den Kraftpfeil 16 in Fig. 1 - soll nun anhand des Kräftediagramms in Fig. 2 erläutert werden. In Fig. 2 ist der Stift 14 vergrößert dargestellt und die Kräfte, die er auf die Ausnehmung 15 ausübt. Angenommen ist dabei, dass die Belastung auf der Waagschale gerade der Ansprechschwelle der Überlastsicherung entspricht. Die vertikale Kraft, die bei Belastungen unterhalb der Ansprechschwelle den Stift 14 nach oben in die Ausnehmung 15 hineindrückt, ist also null; es verbleibt nur das Drehmoment aufgrund der außermittigen Belastung der Waagschale. Dieses Drehmoment wird durch ein horizontales Kräftepaar aus der Kraft F_H am Stift 14 und einer gleich großen, aber entgegengesetzt gerichteten Kraft in der Feder 11 auf den Lastaufnehmer 2 übertragen (vom Lastaufnehmer 2 wird es dann in gleicher Weise durch waagerechte Kräfte in den Lenkern 3 und 4 auf den gehäusefesten Bereich 5 und damit auf das Gehäuse der Waage übertragen). Durch die konische Ausbildung des Stiftes 14 und/oder der Ausnehmung 15 wird diese horizontale Kraft F_H nun in eine Kraft F_N (Normalkraft) und eine tangential wirkende Kraft F_T aufgeteilt. Die Normalkraft F_N wird dabei in bekannter Weise durch entsprechende Flächenpressung aufgenommen; die verbleibende Tangentialkraft F_T versucht dagegen, den Stift 14 aus der Ausnehmung 15 herauszuziehen. Die Größe von F_T ergibt sich aus den in Fig. 2 eingezeichneten Hilfsdreiecken zu

F_T = F_N.tanα

Dabei ist α die Abweichung des konischen Bereiches des Stiftes 14 bzw. der Ausnehmung 15 von der Vertikalen und mit F_T und F_N sind jeweils die Beträge der Kräfte gemeint. - Bevor die Tangentialkraft F_T den Stift 14 aus der Ausnehmung 15 herausziehen kann, muss jedoch erst die Reibung zwischen beiden überwunden werden. Für diese Reibkraft F_R gilt bekanntlich der Zusammenhang:

F_R ≤ µ.F_N

Dabei ist µ der Reibungskoeffizient (genauer gesagt der Haftreibungskoeffizient), der von den Materialien der beiden aneinander reibenden Oberflächen abhängt. Eine Bewegung der beiden Flächen gegeneinander beginnt aber erst, wenn die Grenze

F_Rmax = µ.F_N

erreicht bzw. überschritten ist. Wählt man nun den Winkel α so, dass gilt:

F_T = F_Rmax

oder nach Umformung:

tanα = µ

so heben sich F_T und F_Rmax auf und der Stift 14 wird sich trotz der Materialreibung gleich nach dem Überschreiten der Ansprechschwelle der Überlastsicherung aus der Ausnehmung 15 lösen. - Diese Überlegungen gelten unabhängig von der Größe der Kraft F_H und unabhängig davon, welche Richtung sie aufweist - also auf welcher Seite des Stiftes 14 sie wirkt. Damit ist gezeigt, dass bei richtiger Dimensionierung der Neigung des konischen Bereiches (Winkel α) die Ansprechschwelle der Überlastsicherung unabhängig vom Ort der Belastung ist und nur von der Größe der Belastung abhängt. Dadurch benimmt sich die erfindungsgemäße Anordnung aus der vorgespannten Feder 11 und der Paarung aus Stift 14 und Ausnehmung 15 trotz der Reibung zwischen Stift 14 und Ausnehmung 15 bis zur Ansprechschwelle einschließlich wie eine ideale, reibungsfreie Parallelführung. Erst nach dem Überschreiten der Ansprechschwelle - also bei einer Last, bei der sowieso kein Wägewert mehr angezeigt wird - macht sich der vereinfachte Aufbau der Hilfsparallelführung durch ein geringes, ecklastabhängiges Kippen der Waagschale 13 bemerkbar, das beim Erreichen des Begrenzungsanschlages 1' ebenfalls begrenzt wird.

Nach dieser ausführlichen Erläuterung der Funktionsweise der Überlastsicherung an einer Prinzipskizze, ist in den Fig. 3 bis 5 nun ein wirkliches Wägesystem mit der erfindungsgemäßen Überlastsicherung gezeigt. Fig. 3 ist eine Seitenansicht, - z. T. längs der Linie III-III in Fig. 4 geschnitten - Fig. 4 eine Aufsicht und Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Verbindungselementes 12.

Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, auch wenn sie konstruktiv anders gestaltet sind. - Außer den Lenkern 3 und 4 erkennt man den Lastaufnehmer 2, den gehäusefesten Bereich 5 (das Gehäuse ist wieder nur schematisch mit 1 angedeutet), das Verbindungselement 12, den vertikalen Stift 14, die dazugehörige Ausnehmung 15 und die Feder 11. Aus Fig. 4 erkennt man, dass die Feder 11 relativ breit ist, um auch die seitlichen Kräfte (Kraftrichtung oben/unten in Fig. 4) aufnehmen zu können. Die Feder 11 weist mittig einen rautenförmigen Ausbruch 21 auf, dadurch ergibt sich eine gleichmäßigere Spannungsverteilung in den Schenkeln der Feder. Die - nicht dargestellte - Waagschale steckt mit ihrem Waagschalenzapfen im mittigen Loch 23 in der Aufnahmehülse 22. Die Feder 11 ist wieder entsprechend der Ansprechschwelle der Überlastsicherung vorgespannt.

Vom Wägesystem, das mehrere Übersetzungshebel beinhaltet, erkennt man in Fig. 3 nur den letzten Übersetzungshebel 25 und teilweise seine gehäusefeste Abstützung 26. In Fig. 4 erkennt man die kreisförmige Erweiterung 27 des letzten Übersetzungshebels 25; an der kreisförmigen Erweiterung 27 ist die Spule der elektromagnetischen Kraftkompensation befestigt. Außerdem ist der Permanentmagnet 9 erkennbar. - Diese Teile des Wägesystems sind in der DE 195 40 782 A1 erläutert; da sie für die Erfindung nicht wesentlich sind, wird hier auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet.

Die erfindungsgemäße Überlastsicherung lässt sich nun ohne Beanspruchung zusätzlichen Bauraumes in dieses Wägesystem integrieren. Dazu weist der obere Lenker 3 eine etwa rechteckförmige Ausnehmung 31 auf, in die eine obere Platte 12' des Verbindungselementes 12 hineinpasst. Diese Platte 12' weist zwei Löcher 28 auf, an denen die Feder 11 festgeschraubt ist. Da das Hebelwerk des Wägesystems nur etwa ein Drittel der Breite des Wägesystems umfasst und sich mittig in der Symmetrieebene erstreckt - in Fig. 4 etwa unterhalb der Feder 11 - kann sich eine Verbindungstrebe 12" seitlich neben dem Hebelwerk nach unten erstrecken und die Verbindung zum Stift 14 in Höhe des unteren Lenkers 4 herstellen. Der Stift 14 befindet sich dabei direkt in der Verlängerung der Verbindungsstrebe 12", also nicht in der Symmetrieebene, sondern seitlich davon. Dies ist am besten in der perspektivischen Darstellung in Fig. 5 erkennbar. Die ausmittige Anordnung des Stiftes 14 stört dabei nicht, solange die Feder 11 genügend stabil ist, um die zusätzlichen Seitenkräfte aufzunehmen.

Weiter weist das Verbindungselement 12 einen seitlichen Arm 12''' auf - in Fig. 5 erkennbar -, der sich vom Stift 14 bis in die Symmetrieebene des Wägesystems erstreckt. Am Ende dieses Armes 12''' ist eine Gewindebohrung 29 vorhanden, in die ein Haken für Unterflurwägungen eingeschraubt werden kann. Der Haken für Unterflurwägungen befindet sich dadurch - wie üblich - in der Symmetrieebene des Wägeaufnehmers. Durch die Anbringung am Verbindungselement 12 ist die Überlastsicherung auch bei Unterflurwägungen in Funktion und schützt das Wägesystem vor Überlastung.

In Fig. 6 ist in einer Detaildarstellung eine alternative Ausgestaltung der Ausnehmung, in die der Stift 14 hineinragt, gezeigt: Im Lastaufnehmer 2 befindet sich ein Sackloch, in das eine Kunststoffbuchse 32 eingesteckt oder eingeklebt ist. Diese Kunststoffbuchse 32 weist dann die Ausnehmung 15 auf, in die der Stift 14, der aus Metall besteht, hineinragt. Die Materialpaarung Kunststoff/Metall weist einen geringen und gut reproduzierbaren Reibungskoeffizienten auf. Dadurch ist der optimale Winkel α klein und der konische Bereich am Stift 14 und/oder der Ausnehmung 15 kann sehr steil gemacht werden, sodass das seitliche Spiel im Überlastfall gering bleibt. Durch die gute Reproduzierbarkeit des Reibungskoeffizienten bleibt dieser auch nach häufigerem Ansprechen der Überlastsicherung konstant und eine Veränderung der Ansprechschwelle tritt nicht auf.

Im Vorstehenden ist immer der untere Lenker der herkömmlichen Hilfsparallelführung durch die Stift/Ausnehmung-Kombination ersetzt worden. Selbstverständlich ist auch die umgekehrte Bauweise möglich: Die vorgespannte Feder bildet den unteren Lenker, die Stift/Ausnehmung-Kombination ersetzt den oberen Lenker. Da die Vorspannung der Feder den Stift immer von unten in die zugehörige Ausnehmung drücken muss, muss auch in dieser umgekehrten Bauweise der Stift von unten in die Ausnehmung hineinragen. Die Ausnehmung kann also nicht einfach auf der Oberseite des Lastaufnehmers angeordnet sein.

Claims

1. Überlastsicherung für eine oberschalige Waage mit einer Waagschale, die über eine Hilfsparallelführung mit einem Lastaufnehmer eines Wägesystems verbunden ist, wobei die Lenker der Hilfsparallelführung so vorgespannt sind, dass sie im zulässigen Wägebereich an einem Hilfsparallelführungsanschlag anliegen und dadurch die Waagschale quasi starr mit dem Lastaufnehmer verbinden und bei Überschreiten des zulässigen Wägebereiches vom Hilfsparallelführungsanschlag abheben und dadurch die Waagschale nur noch elastisch nachgiebig mit dem Lastaufnehmer verbinden, und mit mindestens einem gehäusefesten Begrenzungsanschlag, der die elastische Ausweichbewegung der Waagschale bei Überlast begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Lenker der Hilfsparallelführung aus einer vorgespannten Feder (11) besteht, dass der andere Lenker der Hilfsparallelführung durch einen vertikalen Stift (14), der in eine Ausnehmung (15) von unten hineingreift, ersetzt ist, wobei der vertikale Stift (14) und/oder die Ausnehmung (15) zumindest teilweise konisch ausgebildet ist/sind, und dass der vertikale Stift (14) durch die Vorspannkraft der Feder (11) in die Ausnehmung (15) hineingedrückt wird und gleichzeitig den Hilfsparallelführungsanschlag bildet.

2. Überlastsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel α des konischen Bereiches die Beziehung tanα = µ gilt, wobei µ der Reibkoeffizient zwischen den Materialien des Stiftes (14) und der Ausnehmung (15) ist.

3. Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung durch eine Kunststoffbuchse (32) gebildet wird.

4. Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgespannte Feder (11) auf der gleichen Seite des Lastaufnehmers (2) angeordnet ist auf der auch die Lenker (3, 4) der Hauptparallelführung für den Lastaufnehmer (2) angeordnet sind.

5. Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Verbindungselement (12) der Hilfsparallelführung, das die Waagschale (13) trägt, zusätzlich ein Haken für Unterflurwägungen anbringbar ist.