DE3316292C2

DE3316292C2 -

Info

Publication number: DE3316292C2
Application number: DE3316292A
Authority: DE
Inventors: Eugen Meilen Ch Meier
Original assignee: Mettler Toledo AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Switzerland
Priority date: 1982-07-16
Filing date: 1983-05-04
Publication date: 1993-01-28
Also published as: GB2124396A; GB2124396B; DE8313214U1; FR2530336B1; CH656711A5; DE3316292A1; FR2530336A1; JPS5914031U; US4497386A; GB8310592D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wägezelle mit einer Konsole, einem beweglichen Lastaufnehmer, der mittels einer aus elastischen Lenkern gebildeten Parallelführung mit der Konsole verbunden ist, einem wegarmen Meßsystem und einem ein biegeelastisches Kraftübertragungsorgan sowie einen an der Konsole gelagerten Hebel, dessen einer Arm an das Meßsystem angeschlossen ist, aufweisenden Kraftumsetzer für die auf das Meßsystem zu übertragende Meßkraft.

Bei einer derartigen bekannten Wägezelle (EP 00 16 238 A1) wird also ein Teil der Wägelast von den elastischen Lenkern der Parallelführung und der verbleibende Teil von dem biegeelastischen Kraftübertragungsorgan aufgenommen. Die elastischen Lenker der Parallelführung und das biegeelastische Kraftübertragungsorgan wirken dabei wie zwei parallelgeschaltete Federsysteme, auf welche sich die Wägelast nach Maßgabe der für die einzelnen Federsysteme gewählten Federkonstanten verteilt. Für den von dem biegeelastischen Kraftübertragungsorgan in Richtung auf das Meßsystem weitergegebenen Anteil der Wägelast gilt die folgende Beziehung:

wobei P = der von dem Kraftübertragungsorgan übertragene Anteil der Wägelast,
Q = die am Lastaufnehmer wirkende Wägelast,
c_p = die Federkonstante der Parallelführung und
c_k = die Federkonstante des Kraftübertragungsorgans
ist.

Außerdem wird der von dem biegeelastischen Kraftübertragungsorgan aufgenommene Anteil der Wägelast durch den diesem Kraftübertragungsorgan nachgeschalteten Hebel einer weiteren Kraftumsetzung unterzogen. Insgesamt kann dadurch der Wägelastbereich an den zulässigen Meßkraftbereich des Meßsystems angepaßt werden, was insbesondere bei Wägezellen für hohe Wägelasten erforderlich ist.

Bei dieser bekannten Wägezelle sind der Hebel und das biegeelastische Kraftübertragungsorgan als voneinander getrennte Teile ausgebildet, wobei für die Kraftübertragung zwischen dem Hebel und dem Kraftübertragungsorgan auch noch ein gesondertes Koppelglied erforderlich ist. Infolge dieser Mehrstückigkeit des das biegeelastische Kraftübertragungsorgan, das Koppelglied und den Hebel aufweisenden Kraftumsetzers ergibt sich allerdings ein verhältnismäßig hoher Raumbedarf und Bauaufwand.

Ferner ist eine Waage mit einem elektromagnetischen Kraftkompensationssystem bekannt (DE 81 37 825 U1), bei dem zur Kraftuntersetzung keine elastische Organe, sondern nur ein starrer Hebel vorgesehen ist, der zwischen den Lastaufnehmer der Waage und das elektromagnetische Kraftkompensationssystem geschaltet ist.

Schließlich ist bei einer anderen bekannten Wägezelle (US 41 96 784), die eine Parallelführung aufweist, lediglich eine übersetzungsfreie Übertragung der Wägelast vom Lastaufnehmer zum Meßsystem mittels eines starr und einstückig mit dem Lastaufnehmer verbundenen Lastübertragungsbalkens vorgesehen, welcher keinerlei Hebelfunktion aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wägezelle der eingangs genannten Art sowohl hinsichtlich ihres baulichen Aufwandes als auch ihres Platzbedarfs zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der an das Meßsystem angeschlossene eine Arm elastisch ausgebildet ist sowie das Kraftübertragungsorgan bildet, und der starre andere Arm an den Lastaufnehmer angeschlossen ist.

Da bei der erfindungsgemäßen Lösung das biegeelastische Kraftübertragunfgsorgan dadurch gebildet ist, daß der eine der beiden Arme des Hebels selbst biegeelastisch ausgebildet ist, bedarf es keines besonderen Koppelgliedes zwischen dem Hebel und dem Kraftübertragungsorgan. Durch den Wegfall des Koppelgliedes und die Tatsache, daß dieser Hebelarm die Funktion des Kraftübertragungsorgans liefert, wird einerseits der bauliche Aufwand herabgesetzt und andererseits der Platzbedarf verringert. Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung ganz besonders zur einstückigen Ausbildung mit allen dadurch erzielten Vorteilen, insbesondere einer Herabsetzung des Montageaufwandes und einer Steigerung der Genauigkeit.

Die auf das Meßsystem übertragene Meßkraft errgibt sich dann aus der folgenden Beziehung:

wobei

a = die wirksame Länge des starren Hebelarmes und
b = die wirksame Länge des elastischen Hebelarmes
ist.

Der der weiteren Kraftumsetzung dienende Hebel begünstigt eine starke Herabsetzung der in die Parallelführung eingeleiteten Kraft auf einen Bruchteil der Wägelast (c′_p « c_k). Dadurch vermindert sich der Term A = c′_p/c_k in Gleichung (2) und damit der aus Gleichung (1) ersichtliche Einfluß der veränderlichen Federeigenschaften auf die Meßkraft P. Im Falle einer Lastuntersetzung (a « b) verstärkt sich dieser Effekt noch, so daß der Term A verschwindend klein wird und für die Meßkraft folgende Näherungsformel gilt:

In weniger extremen Fällen genügen einfache, bekannte Maßnahmen zur Kompensation der von den Federsystemen ausgehenden störenden Wirkungen. Unter diesen Umständen sind einfache und billige Konstruktionen für die Parallelführung anwendbar.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht also den Bau einer gegenüber äußeren Einflüssen unempfindlichen Wägezelle mit einer genauen und stabilen Darstellung der Meßkraft über den ganzen Meßbereich. Die Erfindung eignet sich damit für den Einsatz sowohl in Handels- und Industriewaagen als auch beispielsweise in Analysenwaagen. In einem breiten Anwendungsbereich braucht dabei als einzige Variable nur die wirksame Länge des an den Lastaufnehmer angeschlossenen Hebelarms der jeweiligen Nennlast angepaßt zu werden.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wägezelle besteht darin, daß der Hebel einen mit einem Anschlag an der Konsole zusammenwirkenden weiteren starren Arm aufweist.

Hierdurch wird eine verbesserte Überlast- bzw. Schocksicherung des Meßsystems erreicht. Zwar bewirkt schon der eine, elastisch ausgebildete Hebelarm einen gewissen Schutz. Für einen vollständigeren Schutz ist es jedoch erforderlich, auch einen mechanischen Anschlag für den beweglichen Teil der Wägezelle vorzusehen. Dabei ist es besonders günstig, wenn dieser Anschlag möglichst nahe dem Ende des Kraftübertragungsweges liegt, damit auch in den Lastaufnehmer eingeleitete Schockwellen vom Meßsystem ferngehalten werden. Doch ist es schwierig, bei den mitunter sehr kurzen Wegen des Lastaufnehmers einen Anschlag auf den Maximalwert der Meßkraft sicher einzustellen. Unter ungünstigen Umständen, insbesondere bei hartelastischen Parallelführungen, kann sich für den Weg des Lastaufnehmers ein im Vergleich zu dem aussteuerbaren Weg des Meßsystems so geringes Ausmaß ergeben, daß eine Anschlagjustierung praktisch nicht mehr durchführbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung des Hebels durch den mit dem Anschlag an der Konsole zusammenwirkenden weiteren starren Arm läßt sich dessen wirksame Länge so wählen, daß sich für das Zusammenwirken mit dem Anschlag ein genügend großer Weg ergibt. Doch ist diese Weiterbildung auch dann zu bevorzugen, wenn, wie im Falle einer Lastübersetzung, auf der Lastaufnehmerseite des Hebels genügend Weg für die Anschlagfunktion verfügbar wäre, da auf diese Weise der Anschlag für alle Ersatzarten der Wägezelle an der gleichen, für seine Schutzwirkung günstigen Stelle angeordnet werden kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Die Wägezelle weist eine Konsole 1 und einen beweglichen Lastaufnehmer 2 auf, welche durch eine elastische Parallelführung miteinander verbunden sind. Die Parallelführung wird gebildet aus in zwei Ebenen übereinander angeordneten Lenkern 3 in Form von Blattfedern, wobei in jeder Ebene zwei Lenker 3 vorgesehen sind. Jeder Lenker 3 besteht aus zwei Armen 4 und 5, die sich je von der Konsole 1 und dem Lastaufnehmer 2 aus in gleicher Richtung über den Lastträger 2 hinaus zu einer gemeinsamen, freischwebenden Verbindungsstelle erstrecken, welche hier durch einen für beide Lenker einer Ebene gemeinsamen Verbindungssteg 6 gebildet wird. In der Zeichnung sind die Lenkerarme der besseren Übersicht wegen nicht in einer Ebene dargestellt. An der Ansatzstelle sind die beiden Arme 4 und die beiden Arme 5 je unter sich durch einen Verbindungssteg 7 bzw. 8 miteinander verbunden. Der Verbindungssteg 7 ist an der Konsole 1 und der Verbindungssteg 8 am Lastaufnehmer 2 befestigt.

Die Lenker 3 beider Ebenen sind je zusammen mit ihren Verbindungsstegen 6 bis 8 aus einem Stück hergestellt, vorzugsweise aus Blech gestanzt. Im vorliegenden Beispiel sind am gleichen Stanzstück auch noch zwei als mechanische Tiefpaßfilter wirkende Blattfedern 9 ausgebildet, über welche die Konsole 1 mit dem nicht dargestellten Gestell einer Waage verbunden wird.

Zum genauen Parallelstellen der Lenker können verschiedene Maßnahmen getroffen werden. Bevorzugt wird eine Lösung, bei der je zwei übereinander angeordnete Lenker 3 an den freischwebenden Verbindungsstegen 6 durch ein in seiner Länge veränderliches Einstellorgan miteinander verbunden sind.

Als Einstellorgan dient im vorliegenden Beispiel eine lange Schraube 10, deren Kopf 11 auf dem oberen Verbindungssteg 6 aufliegt und deren mit Gewinde versehenes Ende 12 in den unteren Verbindungssteg 6 eingeschraubt ist. Durch eine Druckfeder 13 werden die beiden Verbindungsstege 6 auf Distanz gehalten. Bei der Prüfung der Wägezelle mit exzentrischer Belastung des Lastaufnehmers 2 ermöglicht diese Lösung eine Einstellung der Parallelführung.

An der Konsole 1 ist ein als Kraftumsetzer dienender, dreiarmiger Hebel 14 gelagert. Zur Lagerung des Hebels 14 ist ein Biegelager in Form einer Blattfeder 15 mit örtlich konzentrierter Biegestelle vorgesehen. Der kürzere, starre Hebelarm 16 ist über einen biegeelastischen Lenker 17 mit dem Lastaufnehmer 2 verbunden. Der längere Hebelarm 18 ist biegeelastisch; er bildet das elastische Kraftübertragungsorgan. Ein zweiter längerer Hebelarm 19 ist starr ausgebildet und trägt einen Anschlagbolzen 20, der durch eine den Schwenkweg des Anschlagbolzens 20 begrenzende Öffnung 21 einer Anschlagplatte 22 ragt, welche an der Konsole 1 befestigt ist.

Das wegarme Meßsystem ist ein Einsaitenschwinger bekannter Art, von dem in der Zeichnung nur die schwingende Saite (Meßsystem) 23 dargestellt ist. Die Saite 23 ist einerseits in einem Kopf 24 am freien Ende des elastischen Hebelarmes 18 und anderseits in einem Ansatz 25 an der Konsole 1 eingespannt.

Bei Belastung des Lastaufnehmers 2 mit der Wägelast Q erzeugt der elastische Hebelarm 18 an der Saite 23 die Meßkraft P, entsprechend dem Längenverhältnis der Hebelarme 16 und 18. Dabei biegt sich der elastische Hebelarm 18 wegen der geringen Dehnung der belasteten Saite 23 durch, während der starre Hebelarm 19 voll ausschwenkt, nach Maßgabe der durch das Längenverhältnis der Hebelarme 16 und 19 erzielten Wegübersetzung.

Die Saite 23 ist normalerweise vorgespannt. Die dazu erforderliche Vorspannkraft kann entweder durch eine am Kopf 24 des elastischen Hebelarmes 18 angreifende Zug-Schraubenfeder oder durch eine zwischen dem elastischen Hebelarm 18 und der Konsole 1 eingelegte Biegefeder erzeugt werden.

Die Anschlaganordnung befindet sich beim letzten Glied der Kraftübertragung zum Meßsystem. Zusammen mit dem elastischen Kraftübertragungsorgan 18 wird dadurch das Meßsystem gegen Überlast- und Schockeinwirkungen optimal gesichert.

Der Hebel 14 mit seinen Hebelarmen 16, 18, 19 ist vorzugsweise einstückig ausgebildet, wobei z. B. die das Biegelager bildende Blattfeder 15 zwei Schenkel aufweist, die an seitlichen Schultern am Hebel 14 befestigt sind. Eine wirtschaftlich besonders günstige Lösung besteht darin, den Hebel als Druckgußteil aus einer Aluminiumlegierung herzustellen.

Andererseits besteht auch die Möglichkeit, den elastischen Hebelarm 18 aus einem anderen Material herzustellen als demjenigen des übrigen Hebelteils oder das elastische Kraftübertragungsorgan in anderer Form, z. B. in Form einer Schraubenfeder, als separaten Teil vorzusehen. Generell wird man aber aus den früher erwähnten Gründen bestrebt sein, für das elastische Kraftübertragungsorgan das gleiche Material zu verwenden wie für die Lenker der Parallelführung, insbesondere in bezug auf die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Materialeigenschaften.

Für die meisten Anwendungsfälle können jedoch die Parallelführung und der Hebel mit dem elastischen Kraftübertragungsorgan auf Grund der erfindungsgemäßen Anordnung aus verhältnismäßig billigem Material gefertigt werden, wobei auch ein gegebenenfalls höherer Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls nicht in Betracht fällt.

Die beschriebene Wägezelle eignet sich auch für den Einsatz in Waagen mit hoher Nennlast. Für die Lastuntersetzung kann der Wägezelle eine elastisch gelagerte Brücke vorgeschaltet sein. Dabei bildet die elastische Lagerung zusammen mit der elastischen Aufhängung (Tiefpaßfilter) der Wägezelle wiederum ein Parallelfedersystem, das die Auswirkung übermäßiger mechanischer Beanspruchung auf die Wägezelle, und insbesondere auf das Meßsystem, abschwächt. Durch geeignete Wahl des Materials für diese beiden Federsysteme können die materialbedingten Stärfaktoren in bekannter Weise weitgehend kompensiert werden.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die in der Zeichnung gewählte Darstellung von Konsole 1 und Lastaufnehmer 2 sowie der Lenker 3 zur Verdeutlichung der einzelnen Lenkerarme dient. Real weisen die Konsole 1 und der Lastaufnehmer 2 die gleiche Höhe auf, und alle einander entsprechenden Lenkerarme (4; 5; 9) sind stets parallel zueinander.

Claims

1. Wägezelle mit einer Konsole (1), einem beweglichen Lastaufnehmer (2), der mittels einer aus elastischen Lenkern (3) gebildeten Parallelführung mit der Konsole (1) verbunden ist, einem wegarmen Meßsystem (23) und einem ein biegeelastisches Kraftübertragungsorgan sowie einen an der Konsole (1) gelagerten Hebel (14), dessen einer Arm (18) an das Meßsystem (23) angeschlossen ist, aufweisenden Kraftumsetzer für die auf das Meßsystem (23) zu übertragende Meßkraft, dadurch gekennzeichnet, daß der an das Meßsystem (23) angeschlossene eine Arm (18) elastisch ausgebildet ist sowie das Kraftübertragungsorgan bildet, und der starre andere Arm (16) an den Lastaufnehmer (2) angeschlossen ist.

2. Wägezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der biegeelastische Arm (18) als einstückiges Teil des Hebels (14) ausgebildet ist.

3. Wägezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der biegeelastische Arm (18) aus einem Material besteht, das in bezug auf die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften wenigstens annähernd dem Material gleich ist, aus dem die Lenker (3) der Parallelführung bestehen.

4. Wägezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (14) ein aus einer Aluminiumlegierung bestehender Druckgußteil ist.

5. Wägezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung des Hebels (14) ein Biegelager (15) vorgesehen ist.

6. Wägezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (14) einen mit einem Anschlag (22) an der Konsole (1) zusammenwirkenden weiteren starren Arm (19) aufweist.

7. Wägezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere starre Arm (19) und der biegeelastische Arm (18) sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken und auf derselben Seite des Hebels (14) angeordnet sind.