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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
der Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
schamatische Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Aufbaus der Überlastsicherung,
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2 ein
Kräftediagramm
an der Oberfläche des
Stiftes,
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3 eine
Seitenansicht des Wägesystems mit
der Überlastsicherung – z. T.
längs der
Linie III – III
in 4 geschnitten – ,
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4 eine
Aufsicht auf das Wägesystem
mit der Überlastsicherung,
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5 eine
perspektivische Ansicht des Verbindungselementes der Hilfsparallelführung, das
die Waagschale trägt
und
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6 ein
Detail des Verbindungselementes in einer alternativen Ausführung.
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Das in 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.
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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.
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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.
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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 1 – soll
nun anhand des Kräftediagramms
in 2 erläutert werden.
In 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 FH 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 FH nun in eine Kraft
FN (Normalkraft) und eine tangential wirkende
Kraft FT aufgeteilt. Die Normalkraft FN wird dabei in bekannter Weise durch entsprechende
Flächenpressung
aufgenommen; die verbleibende Tangentialkraft FT versucht
dagegen, den Stift 14 aus der Ausnehmung 15 herauszuziehen.
Die Größe von FT ergibt sich aus den in 2 eingezeichneten Hilfsdreiecken zu FT = FN ⋅ tan α
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Dabei ist α die Abweichung des konischen Bereiches
des Stiftes 14 bzw. der Ausnehmung 15 von der
Vertikalen und mit FT und FN sind
jeweils die Beträge
der Kräfte
gemeint. – Bevor
die Tangentialkraft FT den Stift 14 aus
der Ausnehmung 15 herausziehen kann, muss jedoch erst die
Reibung zwischen beiden überwunden
werden. Für
diese Reibkraft FR gilt bekanntlich der
Zusammenhang: FR ≤ μ ⋅ FN
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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 FR
max = μ ⋅ FN erreicht bzw. überschritten ist. Wählt man
nun den Winkel α so,
dass gilt: FT = FR
max oder nach
Umformung: tan α = μ so heben
sich FT und FR max 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
FH 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 dler 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.
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Nach dieser ausführlichen Erläuterung
der Funktionsweise der Überlastsicherung
an einer Prinzipskizze, ist in den 3 bis 5 nun ein wirkliches Wägesystem
mit der erfindungsgemäßen Überlastsicherung
gezeigt. 3 ist eine
Seitenansicht, – z.
T. längs
der Linie III – III
in 4 geschnitten 4 eine Aufsicht und 5 eine perspektivische Ansicht
des Verbindungselementes 12.
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Gleiche Teile wie in 1 sind mit den gleichen Bezugszahlen
bezeichnet, auch wenn sie konstrukctiv 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 4 erkennt
man, dass die Feder 11 relativ breit ist, um auch die seitlichen
Kräfte
(Kraftrichtung oben/unten in 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.
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Vom Wägesystem, das mehrere Übersetzungshebel
beinhaltet, erkennt man in
3 nur
den letzten Übersetzungshebel
25 und
teilweise seine gehäusefeste
Abstützung
26.
In
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 C1 erläutert;
da sie für
die Erfindung nicht wesentlich sind, wird hier auf eine detaillierte
Beschreibung verzichtet.
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Die erfindungsgermäße 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 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 2'', also nicht in der Symmetrieebene, sondern
seitlich davon. Dies ist am besten in der perspektivischen Darstellung
in 5 erkennbar. Die
ausmittige Anordnung des Stiftes 14 stört dabei nicht, solange die
Feder 11 genügend
stabil ist, um die zusätzlichen
Seitenkräfte aufzunehmen.
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Weiter weist das Verbindungselement 12 einen
seitlichen Arm 12''' auf – in 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.
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In 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.
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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.