Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines monolithischen Wägeaufnehmers einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem zweistufigen Hebelgetriebe;

2 eine weitere perspektivische Ansicht des monolithischen Wägeaufnehmers in 1;

3 eine schematische Darstellung einer Struktur eines mittels eines Sterngelenks an den Grundkörper gekoppelten einseitigen Hebels eines Hebelgetriebes eines Wägeaufnehmers;

4 eine schematische Darstellung einer Struktur eines mittels eines Sterngelenks an den Grundkörper gekoppelten zweiseitigen Hebels eines Hebelgetriebes eines Wägeaufnehmers;

5 eine schematische Darstellung einer Struktur eines mittels eines Sterngelenks an den Grundkörper gekoppelten zweiseitigen Hebels eines Hebelgetriebes eines Wägeaufnehmers mit vereinfachter Anbindung an den Grundkörper;

6 eine schematische Darstellung einer Struktur eines mittels eines Sterngelenks an den Grundkörper gekoppelten zweiseitigen Hebels eines Hebelgetriebes eines Wägeaufnehmers mit einer gegen Verkippungen unempfindlichen der Lasteinleitung ;

7 eine schematische Darstellung einer weiteren Struktur eines mittels eines Sterngelenks an den Grundkörper gekoppelten zweiseitigen Hebels eines Hebelgetriebes eines Wägeaufnehmers mit einer gegen Verkippungen unempfindlichen der Lasteinleitung;

8 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Struktur eines Sterngelenks mit im Raum versetzt angeordneten Biegebereichen;

9 eine perspektivische Ansicht eines monolithischen Wägeaufnehmers einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem einstufigen Hebelgetriebe;

10 eine weitere perspektivische Ansicht des monolithischen Wägeaufnehmers in 8;

Der in 1 dargestellte Wägeaufnehmer 1 ist monolithisch ausgeführt. Er kann in dieser Form beispielsweise durch zerspanende Bearbeitung eines Materialblocks, insbesondere Fräsen und Bohren, hergestellt werden. Der Wägeaufnehmer 1 umfasst einen Grundkörper 3, der beispielsweise fest in das Gehäuse einer Waage montiert werden kann. Der Grundkörper 3 ist über zwei parallel verlaufende Arme oder Parallellenker 5 mit einem Lastaufnahmeelement 7 verbunden, wobei die Arme 5 jeweils über ein elastisch deformierbares Gelenk 9 mit dem ortsfesten Grundkörper 3 und dem Lastaufmeelement 7 verbunden sind. Das Lastaufnahmeelement 7 kann mit einer Aufnahmevorrichtung für ein zu wiegendes Gut (nicht dargestellt) verbunden werden.

Eine auf das Lastaufnahmeelement 7 wirkende Gewichtskraft F_G führt zu einer Auslenkung der Parallellenker 5 und einer Bewegung des Lastaufnahmeelements 7 in Richtung der Gewichtskraft 7.

Das Lastaufnahmeelement 7 ist über ein Koppelelement 11 mit dem kürzeren Hebelarm eines ersten Hebels 13 eines zweistufigen Hebelgetriebes 15 gekoppelt. Die Kopplung erfolgt wiederum durch jeweils ein elastisch deformierbares Gelenk 17 an beiden Enden des Koppelelements 11. Wie aus 2 ersichtlich erstreckt sich das Koppelelement 11 bei der dargestellten Ausführungsform über die gesamte Breite des Wägeaufnehmers 1. Der Hebel 13 ist über ein elastisch deformierbares Gelenk 19, welches sich ebenfalls über die gesamte Breite des Wägeaufnehmers 1 erstreckt, mit einem zwischen die Parallellenker 5 vorkragenden Bereich 21 (2) des Grundkörpers 3 verbunden. Der längere Hebelarm des Hebels 13 verjüngt sich ausgehend von der gesamten Breite in der Nähe des Gelenks 19 bis zu seinem Endbereich derart, dass er über ein innerhalb der Breite des Wägeaufnehmers 1 seitlich neben dem vorkragenden Bereich 21 des Grundkörpers 3 angeordnetes Koppelelement 25 mit dem kürzeren Hebelarm eines zweiten Hebels 23 gekoppelt werden kann. Dieser zweite Hebel 23 ist als einarmiger Hebel ausgebildet. Die Kopplung erfolgt wiederum durch jeweils ein an den Enden des Koppelelements 25 vorgesehenes elastisch deformierbares Gelenk 27. Der Hebel 23 bzw. dessen längerer Hebelarm ist seitlich am Grundkörper 3 vorbei bis in dessen Endbereich geführt. Hier kann bei einer Verwendung des Wägeaufnehmers in einer nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitenden Waage die Einrichtung zur Erzeugung des Wägesignals vorgesehen werden (nicht dargestellt).

Der Hebel 23 ist über ein Gelenk 28, das als Sterngelenk bezeichnet werden kann, mit dem vorkragenden Bereich 21 des Grundkörpers gekoppelt. Das Sterngelenk, dessen Struktur, Funktionsweise und weitere Eigenschaften im Folgenden erläutert werden, weist gegenüber einem einfachen elastisch deformierbaren Gelenk eine drastisch ver besserte Steifigkeit in allen Raumrichtungen und Rotationsrichtungen auf, ausgenommen die gewünschte Rotationsrichtung zur Ermöglichung der Schwenkbewegung des Hebels 23. Hierdurch wird die einseitige Ausbildung des zweiten Hebels 23 ermöglicht und gleichzeitig eine hohe Messgenauigkeit und Langzeitstabilität des Wägeaufnehmers 1 sowie eine hohe Unempfindlichkeit gegen von außen auf den Wägeaufnehmer 1 wirkende, unerwünschte statische und dynamische Störkräfte gewährleistet.

Das Prinzip des Gelenks 28 (Sterngelenk) ist in 3 dargestellt. Die über das Koppelelement 25 auf den kurzen Hebelarm des Hebels 23 wirkende Lastkraft F_L, die sich insbesondere aus der Gewichtskraft F_G, dem Hebelverhältnis des ersten Hebels 13 und den Eigenschaften der elastisch deformierbaren Gelenke 9 und 19 ergibt, würde ohne dass am längeren Hebelarm eine das Gleichgewicht des Hebels bewirkende Reaktionskraft F_R erzeugt wird, beispielsweise durch eine Einrichtung zur elektromagnetischen Kraftkompensation, eine Schwenkbewegung des Hebels 23 um eine virtuelle Schwenkachse D bewirken.

Die virtuelle Schwenkachse D lässt sich bei derart komplizierten Strukturen praktisch nur noch mit numerischen Methoden ermitteln. Bei entsprechenden Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass die virtuelle Schwenkachse D mit der Schnittgeraden der Längserstreckungsebenen der Biegebereiche 29 des Sterngelenks 28 identisch ist (oder einen allenfalls geringen Abstand von der Schnittgeraden aufweist), mit denen der Hebel 23 über die Koppelelemente 31 mit dem Festland, d.h. dem Grundkörper 3, gekoppelt sind. Die Kopplung der Koppelelemente 31 mit dem Festland erfolgt dabei wiederum über Biegebereiche 33, deren Längserstreckungsebenen mit den Längserstreckungsebenen der Biegebereiche 29 identisch sind.

Da die Längserstreckungsebenen einen Winkel &agr; einschließen weist das Sterngelenk 28 eine gegenüber einem einfachen, elastisch deformierbaren Gelenk, welches nur einen einzigen Biegebereich aufweist, eine deutlich verbesserte Steifigkeit in allen translatorischen Raumrichtungen x, y, z auf. Zudem ergibt sich eine drastisch verbesserte Steifigkeit gegen Rotationsbewegungen um die x-Achse und die y-Achse, da entsprechende......

Rotationskräfte zu einem wesentlichen Teil als Zug- und Druckkräfte in den Biegebereichen 29 und 33 aufgenommen werden und nicht allein als Scherkräfte, wie bei einer Anbindung des Hebels 23 über einen einzigen Biegebereich, dessen Längserstreckungsebene parallel zur Richtung der Einleitung der Lastkraft F_L verläuft (dieser Verlauf der Längserstreckungsebene ist bei der Verwendung eines einzigen Biegebereichs obligatorisch, da sich sonst keine ausreichend definierte Schwenkachse ergibt).

Bei der in 3 dargestellten Struktur eines Sterngelenks 28 können die Dünnstellen oder Biegebereiche 27 und 29 in einfacher Weise durch eine zerspanende Bearbeitung, beispielsweise durch Bohren hergestellt werden. Es sind hierfür insgesamt nur fünf Bohrungen erforderlich, da die einander zugewandten Flächen der Dünnstellen 29 mit einer einzigen Bohrung hergestellt werden können. Alternativ ist selbstverständlich (wie auch im Fall aller anderen Ausführungsbeispiele) eine Erzeugung der Struktur mit Hilfe dünner Schnitte (erodierende Bearbeitung) möglich.

Es ist auch möglich, die einander zugewandten Flächen der Dünnstellen 29 und 27 mit einer einzigen Bohrung herzustellen, jedoch kann hierbei die Position der Einleitung der Lastkraft F_L nicht mehr frei gewählt werden, sondern ist vom Durchmesser des Bohrers abhängig. Das Hebelverhältnis kann dann durch die Wahl der Lage der virtuellen Schwenkachse D und die Länge des längeren Hebelarms auf den gewünschten Wert eingestellt werden.

Die Lage der virtuellen Schwenkachse kann bei der Struktur des Sterngelenks nach 3 durch die entsprechende Wahl des Winkels &agr; zwischen den Längserstreckungsebenen der Biegebereiche 29 eingestellt werden. Dabei ist aus 3 klar ersichtlich, dass für kleinere Winkel &agr; als in der Zeichnung dargestellt, der kleinere Hebelarm immer kleiner und dementsprechende das Übersetzungsverhältnis immer größer wird.

Unterschreitet der Winkel &agr; einen bestimmten Wert, so kommt die virtuelle Schwenkachse sogar in der Zeichnung rechts von der Längserstreckungsebene des Biegebereichs 27 zu liegen. In diesem Fall entsteht ein zweiseitiger Hebel, der gegenüber dem in 3 dargestellten einseitigen Hebel eine Richtungsumkehr der Reaktionskraft F_R bewirkt.

Diese Situation ist in 4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform können die einander zugewandten Flächen der Dünnstellen 29 und 27 mit einer einzigen Bohrung realisiert werden. Dagegen sind zur Herstellung der einander zugewandten Flächen der Dünnstellen 29 jeweils separate Bohrungen erforderlich.

Selbstverständlich kann der Hebel 23 des Sterngelenks 28 in 3 auch nach links verlaufen bzw. verlängert werden und beispielsweise seitlich (in der Zeichnung) nach links am Sterngelenk 28 vorbei geführt sein. Auch auf diese Weise kann mit der Struktur nach 3 ein zweiseitiger Hebel realisiert werden.

Eine derartige Struktur ist in 5 dargestellt. Der Hebel 23 ist hier als zweiseitiger Hebel realisiert, wobei die Reaktionskraft am linken, nicht dargestellten Ende des Hebels 23 angreift. Bei dieser Struktur eines Sterngelenks 28 ist der Hebel 23 direkt mittels zweier Biegebereiche 29 an den ortsfesten Grundkörper 3 gekoppelt. Bei diesen Biegebereichen 29 handelt es sich um eine verlängerte Dünnstelle, die nicht einfach durch zwei seitliche Bohrungen hergestellt wird. Diese Bauform ist für platzsparende Anordnung des Übersetzungshebels angedacht. Das zwischen den beiden Gelenken in den vorherigen Ausführungsformen ausgeführte Koppelelement zwischen den beiden Dünnstellen entfällt hier also vollständig. Ähnlich wie eine Koppelelement, welches an beiden Enden jeweils über einen Biegebereich zwischen dem Hebel und dem Lastaufnahmeelement oder einem vorgeschalteten Hebel vorgesehen ist, hat die verlängerte Dünnstelle 29 den Vorteil, dass keine unerwünschten Kräfte senkrecht zur Längserstreckungsebene der Dünnstelle übertragen werden.

Es können jedoch auch die Ausführungsformen der in den 3 und 4 dargestellten Strukturen so abgewandelt werden, dass der Hebel 23 jeweils nach links verlängert wird. Dieser kann wiederum seitlich am Sterngelenk 28 nach links geführt werden. Es ist jedoch auch eine Ausführungsform denkbar, bei der die beiden Koppelemente bzw.... die Dünnstellen 29 jeweils in der Zeichenebene vertikal nach oben bzw. unten geschoben werden, so dass der Stützhebel zwischen den beiden Dünnstellen 29 verlaufen kann.

Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass bei allen Ausführungsformen der Stützarm des Hebels, d.h. derjenige Hebelteil, an dem die jeweilige Reaktionskraft F_R angreift, nicht monolithisch mit dem übrigen Hebel ausgeführt sein muss. Vielmehr kann der gesamte Stützarm oder ein Teil davon auch in einem geeigneten Bereich mit dem anderen Teil des Hebels verschraubt, geklebt oder jeder beliebigen Befestigungsmethode stoff- oder formschlüssig verbunden sein.

6 zeigt eine weitere Struktur für eine Sterngelenk 28, die der in 3 dargestellten Struktur ähnlich ist. Diese Ausführungsform unterscheidet sich jedoch dadurch, dass der (geradlinige) Verlauf der dünnsten Stelle der Dünnstelle 27 zur Ankopplung des Koppelelements 25 in der Schnittgeraden der Längserstreckungsebene des Biegebereichs bzw. der Dünnstelle 27 mit der durch die virtuelle Schwenkachse D verlaufende und auf der Längserstreckungsebene des Biegebereichs 27 senkrecht stehenden Ebene liegt. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Verkippen der Längserstreckungsebene des Biegebereichs 27 bzw. des Koppelelements 25 der gedachte Hebelarm konstant bleibt.

Dies gilt auch für die in 7 dargestellte Struktur eines Sterngelenks 28. Hier ist der Hebel 23 über die Koppelelemente 31 mit dem ortsfesten Grundkörper verbunden. Bei dieser Struktur steht die den Winkel &agr; zwischen den Längserstreckungsebenen der Biegebereiche 29 halbierende Ebene parallel zur Längserstreckungsebene des Biegebereichs 27 über den die Lastkraft F_L angekoppelt wird. Der Biegebereich 27 ist wieder so angeordnet, dass sich bei einer Verkippung der Längserstreckungsebene und damit der Lasteinleitungsrichtung der gedachte Hebelarm nicht ändert.

Es sei darauf hingewiesen, dass die beiden Biegebereiche 29 eines Sterngelenks 28 nicht zwingend in irgendeiner Weise symmetrisch zum Hebel 23 vorgesehen sein müssen, ... gewünschte Bauform als vorteilhaft erweist. Beispielsweise kann auch ein Biegebereich 29 mit seiner Längserstreckungsebene parallel zur Längserstreckungsebene des die Lastkraft einleitenden Biegebereichs 27 gewählt werden und der andere Biegebereich 29 so, dass sich die virtuelle Schwenkachse an der gewünschten Position ergibt. Der Winkel &agr; zwischen den beiden Längserstreckungsebenen soll zudem so gewählt werden, dass die Steifigkeit in entsprechenden Raum- oder Rotationsrichtungen ausreichend groß ist.

8 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform, bei der die Biegebereiche 29 des Sterngelenks 28 versetzt nebeneinander liegen. Die Längserstreckungsebenen schließen einen Winkel von 90 Grad ein, wobei die virtuelle Schwenkachse mit dem geradlinigen Verlauf der dünnsten Stelle des Biegebereichs 29, dessen Längserstreckungsebene parallel zum Hebel 23 liegt, zusammenfällt oder in einem geringen Abstand davon liegt. Dadurch wird eine niedrige Gesamtsteifigkeit dieses Hebelübersetzungssystems erreicht, mit einer maximalen Sicherheit gegen mögliche Überlasten.

Die Strukturen nach den schematischen 3 bis 8 zeigen die Vielfalt, mit der ein derartiges Sterngelenk in der Praxis einsetzbar ist. Sie ermöglichen auch bei einer einseitigen, unsymmetrischen Anordnung eines Hebels (außerhalb der Symmetrieebene) eines Wägeaufnehmers, wie dies in den 1 und 2 gezeigt ist, einen kompakten und steifen Aufbau des Wägeaufnehmers, wobei gleichzeitig ein großes Übersetzungsverhältnis realisierbar ist

Abschließend sei noch eine weitere Ausführungsform für einen Wägeaufnehmer gemäß den 8 und 9 beschrieben, dessen Hebelgetriebe lediglich einen einzigen Hebel aufweist. Der Wägeaufnehmer 1 weist die bereits im Zusammenhang mit dem Wägeaufnehmer nach den 1 und 2 beschriebenen Aufbau aus dem Grundkörper 3, den Parallellenkern 5 und dem Lastaufnahmeelement 7 auf. Das Lastaufnahmeelement 7 ist über einen Biegebereich 27, der als verlängerter Biegebereich ausgebildet sein kann (vgl. 5: hier sind die Biegebereiche 29 als verlängerte Biegebereiche ausgebildet), mit einem Hebel 23 verbunden. Der Hebel 23 ist über ein Sterngelenk 28, welches die Koppelelemente 31 und entsprechende Biegebereiche 29 umfasst, mit dem zwischen die Parallellenker 5 vorkragenden Bereich 21 des Grundkörpers 3 verbunden. Die Struktur des Sterngelenks 28 entspricht dabei weitgehend der in 6 dargestellten Struktur, wobei, wie bereits erläutert, die Lastkraft nicht über ein Koppelelement, sondern über eine verlängerte Dünnstelle 27 auf den Hebel 23 eingeleitet wird.

Wie aus 9 ersichtlich, kann der seitlich am Grundkörper vorbei geführte Teil 23a des Hebels 23 durch Verschrauben, Verschweißen oder andere geeignete Verbindungsarten mit dem übrigen Teil des Hebels, der einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet ist, verbunden sein. Die Steifigkeit des Sterngelenks gewährleistet trotz dieses unsymmetrischen und einfachen Aufbaus eine hervorragende Messgenauigkeit und Unempfindlichkeit gegen äußere Störkräfte.