DE8313214U1 - Waegezelle - Google Patents
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Description
Patentanwälte
Liliiwebar ü Zi !■.·■■ rmann ;"; · . :"::.".' ·..·.'
Rosental 7/11. A-ifg. ! *: " ·' ' :..: , .: ' :..: ·. .'·
D -8000 München 2
Mettler Instrunente AG, 8606 Greifensee/Schweiz
Wägeze lie 4# Mai 1933
Die Erfindung betrifft eine Wägezelle mit einer Konsole,
einem beweglichen Lastaufnehmer, der mittels eir.er aus elastischen Lenkern gebildeten Parallelführung mit der Konsole
verbunden ist, einem wegarmen Messsystem und einem den Messsystem vorgeschalteten elastischen Kraftübertragungsorgan.
Für den Einbau in Handels- und Industriewaagen bestimmte Wägezellen dieser Art sind beispielsweise aus der CH-PS
552 799 und aus der unter der Mr. 0 016 238 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung bekannt.
Die elastischen Lenker der Parallelführung einerseits und das elastische Kraftübertragungsorgan andererseits bilden
zusammen zwei parallel geschaltete Federsysteme, auf welche sich die Wägelast nach Massgabe der für die einzelnen Federsysteme
gewählten Federkonstanten verteilt. Der auf das Messsystem übertragene Anteil der Wägelast ergibt sich aus
der Beziehung:
P = Q (1)
1 + c /c,
wobei P = die am Messsystem wirkende Messkraft, Q= die am Lastaufnehmer wirkende Wägelast,
c = die Federkonstante der Parallelführung und c = die Federkonstante des Kraftübertragungsorgans
ist.
Bei den erwähnten bekannten Wägezellen sind diese Federsysteme
nun so dimensioniert, dass die elastische Parallelführung den Hauptanteil· der Wägelast aufnimmt, während der
die Messkraft bildende restliche Anteil vom elastischen Kraftübertragungsorgan aufgenommen und auf das Messsystem
übertragen wird. Das Verhältnis c p/ck ist dabei viel grös-
ser als 1, z.B. 100. Auf diese Weise lässt sich eine hebelfreie Lastuntersetzung erzielen.
Ein wesentlicher Nachteil dieses Konzepts liegt jedoch darin, dass die Meijskraft in erheblichem Mass von den Federeigenschaften
abhängt und ungleiche Aenderungen dieser Eigenschaften in den beiden Federsystemen, insbesondere in
bezug auf Temperatureinflüsse und Kriecheffekte, zu fehlerhaften
Messergebnissen führen können. Solche Abweichungen lassen sich zwar kompensieren, aber z.T. nur mit verhältnis
massig grossem Aufwand. Um z.B. die Auswirkungen der Kriech
effekte zu vermeiden bzw. auf ein zulässiges Mass herabzusetzen, sind Massnahmen zu treffen, die bewirken, dass an
beiden Federsystemen unter Last gleiche Materialdehnungsverhältnisse vorliegen. Zu diesem Zweck sind beispielsweise
bei einer Ausführung gemäss einem früheren Vorschlag die Lenker und das Kraftübertragungsorgan, welche durchwegs aus
Blattfedern mit örtlich konzentrierten Biegestellen bestehen, aus dem gleichen Material hergestellt und so dimensioniert,
dass die durch eine Laständerung hervorgerufene Biegespannungsänderung an allen Biegestellen gleich ist. Die
Herstellung solcher Federsysteme verlangt hohe Präzision, und auch an die Einspannung der elastischen Teile werden
hohe Anforderungen gestellt.
Im übrigen sind mit einer Wägezelle, die zur Kraftumsetzung
nur ein Parallel-Federsystem aufweist, lediglich Lastuntersetzungen
möglich, d.h. für Lastübersetzungen müssen entsprechende Einrichtungen ausserhalb der Wägezelle zusätzlich
vorgesehen werden.
Ein weiteres Problem stellt bei solchen Wägezellen die Ueberlast- bzw. Schocksicherung der Messzelle dar. Eine
erste Schutzmassnahme bildet die elastische Ausführung des Kraftübertragungsorgans. Daneben ist es jedoch erforderlieh,
einen mechanischen Anschlag für den beweglichen Teil
:; der Wägezelle vorzusehen. Besonders günstig ist es dabei,
' wenn dieser Anschlag möglichst nahe am Ende des Kraftüber-
' tragungsweges liegt, damit auch in den Lastaufnehmer eingeleitete
Schockwellen vom Messsystem ferngehalten werden.
'j Die Schwierigkeit besteht nun darin, bei den mitunter sehr
;' 5 kurzen Wegen des Lastaufnehmers einen Anschlag auf den Maxi-
4 malwert der Messkraft sicher einzustellen. Unter ungünstigsten
Umständen, insbesondere bei hartelastischen Parallelführungen, kann sich für den Weg des Lastaufnehmers ein so
ι geringes, mit dem aussteuerbaren Weg des Messsystems ver-
10 gleichbares Mass ergeben, dass eine Anschlagjustierung prak-
:i tisch nicht mehr durchführbar ist.
: Die Erfindung soll den Bau einer Wägezelle der eingangs genannten
Art ermöglichen, bei der die in das Messsystem ein-
;; 15 geleitete Messkraft von der Konstruktion der Parallelfüh-
: rung und den Materialeigenschaften der zugehörigen Lenker
j weitgehend unabhängig ist, bei der ferner günstigere Voraussetzungen
für die Realisierung eines mechanischen Anschlags zur Sicherung des wegarmen Messsystems vorhanden
,:■ 20 sind und die ein breiteres Anwendungsgebiet hat.
I Die erfindungsgemässe Lösung besteht darin, dass ein als
I Kraftumsetzer dienender, an der Konsole gelagerter Hebel an
I den Lastaufnehmer angeschlossen ist und dass ein Arm dieses
tj 25 Hebels mit einem Anschlag an der Konsole zusammenwirkt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das elastische Kraftübertragungsorgan eine biegeelastische Feder, welche
einen für die Kraftumsetzung wirksamen Hebelarm bildet. Der 30 Lastaufnehmer greift am starren Hebelarm an, während der
elastische Hebelarm auf das Messsystem einwirkt.
Die Messkraft P ergibt sich nunmehr aus folgender Beziehung: 35
• ti ι
• ι · ·
ι ι · ■ a ·
1 +c /c'.
P k
P k
wobei c'. = c, —
k k a ,
k k a ,
a = die wirksame Länge des starren Hebelarmes und b = die wirksame Länge des elastischen Hebelarmes
ist.
Da für die Kraftumsetzung ein Hebel eingesetzt ist, kann
die in die Parallelführung eingeleitete Kraft auf einen Bruchteil der Wägelast herabgesetzt werden (c <£: c, ). Da-
P K durch vermindert sich der Term A = c /c' in Gleichung (2)
P K
und damit der Einfluss der veränderlichen Federeigenschaften auf die Messkraft P. Im Falle einer Lastuntersetzung
Ia1Cb) verstärkt sich dieser Effekt noch, so dass der Term
A verschwindend klein wird und für die Messkraft folgende Näherungsformel gilt:
P «* £ Q (1 - A) (3)
In weniger extremen Fällen genügen einfache, bekannte Massnahmen
zur Kompensation der von den Federsystemen ausgehenden störenden Wirkungen. Unter diesen Umständen sind ei ■-fache
und billige Konstruktionen für die Parallelführung anwendbar.
Für die Anschlagfunktion kann der Hebel einen zusätzlichen starren Hebelarm aufweisen, dessen wirksame Länge so gewählt
wird, dass sich für das Zusammenwirken mit dem Anschlag ein genügend grosser Weg ergibt. Diese Lösung ist:
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 Einsatzmöglichkeiten der Wägezelle an der gleichen, für seine Schutzwirkung günstigsten Stelle angeordnet
werden kann.
• ti
III
Die erfindungsgemässe Lösung ermöglicht den Bau einer gegenüber
äusseren Einflüssen unempfindlichenWägezelle mit
genauer und stabiler Darstellung der Messkraft über den ganzen Messbereich. Sie eignet sich für den Einsatz sowohl in
Handels- und Industriewaagen als auch beispielsweise in Analysenwaagen. In einem breiten Anwendungsbereich ist dabei
als einzige Variable nur die wirksame Länge des vom Lastaufnehmer beaufschlagten Hebelarmes der jeweiligen Nennlast anzupassen.
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 Ebener, 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 Lastträger 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 5 gebildet wird. In
der Zeichnung sind die Lenkerarme der besseren Uebersicht wegen nicht in einer Ebene dargestellt. An der Ansatzstelle
sind die beiden Arme δ und die beiden Arme 5 je unter sich
durch einen Verbindungssteg 7 bzw. 3 miteinander verbunden. Der Verbindungssteg 7 ist an der Konsole 1 und der Verbindungssteg
3 am Lastträger 2 befestigt.
Die Lenker 3 beider Ebenen sind je zusammen mit ihren Verbindungsstegen
6 bis 8 aus einem Stück hergestellt, vorzugsweise aus 81ech gestanzt. Im vorliegenden Beispiel sind am
gleichen Stanzstück auch noch zwei als mechanische Tiefpassfilter
wirkende Blattfedern 9 ausgebildet, über weiche
III It·
I ill · · a ■ ·
I till··· ■ ·
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 exzenirischer
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 \8 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 Oeffnung 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 23
dargestellt ist. Die Saite 23 ist einerseits in einem Kopf 24 am freien Ende des elastischen Hebelarmes 18 und ander-
• · ata
seits 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 dureh 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 dt?r Konsole 1 eingelegte Biegefeder erzeugt werden.
Die Anschlaganor Inung befindet sich beim letzten Glied der
Kraftübertragung zum Messsystem. Zusammen mit dem elastischen Kraftübertragungsorgan 18 wird dadurch das Messsystem
gegen Ueberlast- 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 seitliehen
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 rr.it der elastischen Aufhängung (Tiefpassfilter) der Wägezelle wiederum
ein Parallelfedersystem, das die Auswirkung ucermässiger
mechanischer Beanspruchung auf die Wägezelle, und insbesondere
auf das Messsystem, abschwächt. Durch geeigr.e-
tn. Wahl des Materials für diese beider. Federsysterr.e V.zr.r.er.
die materialbedingten Stcrfaktorer, ir. bekannter Weise weitgehend
kompensiert werden.
Aisschliessend sei noch darauf hingewiesen, dass die ir. der
Zeichnung gewählte Darstellung von Konsole 1 und Lastaufnehmer 2 sowie der Lenker 3 zur Verdeutlichung der einzelnen
Lenker arme dient. Real weiser, die Kor.scle " und. der Lastaufnehmer
2 die gleiche Höhe auf, und alls einander entsprecher
den Lenkerarme (4; 5; 9) sind stets parallel zueinander. 30
Claims (7)
1. Wägezelle mit einer Konsole (1), einem beweglichen Lastaufnehmer
(2), der mittels einer aus elastischen Lenkern (3) gebildeten Parallelführung mit der Konsole verbunden
ist, einem wegarmen Messsystem (23) und einem dem Messsystem vorgeschalteten elastischen Kraftübertragungsorgan
(18), dadurch gekennzeichnet, dass ein als Kraftum-10 setzer dienender, an der Konsole (1) gelagerter Hebel
».· (14) an den Lastaufnehmer (2) angeschlossen ist und dass
».· (14) an den Lastaufnehmer (2) angeschlossen ist und dass
£ ein Arm (19) dieses Hebels mit einem Anschlag (22) an
:■' der Konsole (1) zusammenwirkt.
2. Wägezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Kraftübertragungsorgan eine biegeelastische
Feder (l°0 ist und einen für die Kraftumsetzung
wirksamen Hebelarm bildet.
wirksamen Hebelarm bildet.
■ 20 3. Wägezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnec, dass
der Hebel (14) mit der biegeelastischen Feder (18) ein- ! stückig ausgebildet ist.
4. Wägezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die biegeelastische Feder (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,
mechanischen Eigenschaften wenigstens annähernd dem Material gleich ist, aus dem die Lenker (3) der Parallelführung bestehen,
30
5, Wägezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hebel (14) ein aus einer Aluminiumlegierung bestehender Druckgussteil ist.
6. Wägezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Lagerung des Hebels (14) ein Biegelager (15) vorgesehen
ist.
7. Wägezelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (19) und die biegeelastische Feder
(18) sich im wesentlichen parallel zueinander erstrekken und auf derselben Seite des Hebels (14) angeordnet sind.
(18) sich im wesentlichen parallel zueinander erstrekken und auf derselben Seite des Hebels (14) angeordnet sind.
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