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Verfahren zur Umformung mechanischer Kräfte bzw. Geschwindigkeiten.
Vergrössert man den Widerstand, der einem zwangläussg bewegten Mechanismus entgegenwirkt, so muss sich dadurch bekanntermassen entweder seine Geschwindigkeit verringern oder seine Leistungsaufnahme vergrössern.
Anders verhält sich ein frei schwingendes System, dem durch eine sogenannte lose Kupplung Energie zugeführt wird. Seine Periodenzahl ist abhängig von seiner Masse und seinen elastischen Mitteln und kann bei verschiedener Belastung durch einen variablen Widerstand entweder ganz konstant bleiben oder nur eine relativ geringfügige Änderung, die z. B. von Form oder Material der elastischen Mittel abhängig sein kann. erfahren. Aber auch die Leistungsaufnahme eines frei schwingenden, lose gekoppelten Systems kann bei verschiedener Widerstandsbelastung in weiten Grenzen konstant gehalten werden.
Die Wirkung, die ein veränderlicher Widerstand auf ein frei schwingendes, lose gekoppeltes mechanisches System ausübt, besteht in einer Amplitudenänderung. Je mehr das System durch Einschalten von Widerstand gedämpft wird, desto kleiner wird unter sonst gleichbleibenden Verhältnissen sein Ausschlag (die Amplitude).
Nun ist aber eine Ausschlagänderung unter gewissen Bedingungen gleichbedeutend mit einer Wegänderung, und eine Wegänderung wiederum gleichbedeutend mit einer Übersetzung- änderung.
Hieraus ergibt sich, dass man durch Zwischenschaltung frei schwingender, lose gekoppelter Systeme in Mechanismen ganz allgemein unter Anwendung geeigneter Mittel eine Übersetzung- änderung erzielen kann.
Als geeignete Mittel, die mit schwingungsfälligen Systemen zu diesem Zwecke kombiniert werden können, haben sich alle jene mechanischen Vorrichtungen erwiesen, die einseitig nach Art eines Ventils wirken, z. B. Sperr-und Freilaufvorrichtungen, aber auch einseitig wirkende Brems-und Koppelvorrichtungen, z. B. Bandbremsen, Federkopplungen, die je nach der
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Richtung freizugeben, geeignet sind.
Eine beispielsweise Ausführung ist in Fig. 1 zur Darstellung gebracht. e stellt einen 11m die Welle ('oszillierenden Hebel dar, dessen Nabe als hin und her gehender Teil eines Freilaufes nach Fig. 16,17, 19 ausgebildet ist ; das elastische Mittel ist die Feder b, die mit ihrem inneren Ende an der Nabe des Hebels e, mit ihrem äusseren Ende unter Zwischenschaltung der Kurbelstange h mit der Kurbel 9 verbunden ist. Auf dem Hebel e befinden sich zwei Gewichte (Massen) a, a, verschiebbar angeordnet. Hiedurch kann die Eigenschwingung' des aus Masse und Elastizität (Feder) bestellenden sehwingungsfähigen Systems in relativ weiten Grenzen geändert werden.
An Stelle des mit Masse verschenen Hebels kaun nalürlich auch, wie punktiert angegehen, ein Schwungrad gesetzt werden.
Angenommen, das beschriebene System würde von der Kttrl) el g aus zunächst mit lang-
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Annahme, dass der Freilauf in Richtung des Pfeiles II die Welle mitnimmt, zunächst die Feder gespannt (hiebei kann angenommen werden, dass bei der ersten Federspannung der Hebel e überhaupt keine Bewegung ausführt). Nach Überschreiten des Totpunktes der Kurbel wird jedoch die in der Feder b akkumulierte Energie wieder an den Mechanismus zurückgegeben und die dem Pfeil II entgegengesetzte Bewegung des Hebels e, die überdies in der Leerlaufrichtung des Freilaufes verläuft, fällt um so energischer aus.
Bei der nächsten Halbperiode der Kurbel g kehrt dann der Hebel e, der vor Erreichung der Ruhelage die Feder b noch mit einem gewissen Betrag gespannt hat, zurück und nimmt hiebei auf Grund der ihm innewohnenden Energie den Freilauf um einige Grade im Sinne des Pfeiles II mit. Dieses Spiel wiederholt sich bei jeder Periode und der Ausschlag si (die Amplitude) des Hebels e vergrössert sich um so mehr, je mehr sich die Umlaufszahl der Kurbel g der Eigenschwingungszahl des schwingungsfähigen Systems (a, b) nähert. Tritt zwischen Kurbel und schwingungsfähigem System Resonanz, d. h. Abstimmung ein, so wird, eine be-
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In ganz ähnlicher Weise wirkt die Anordnung Fig. 2. Auch hier schwingt ein durch zwei bewegte Massen a beschwerter Hebel e um eine Achse c. Die Rückstellkraft wird durch die elastischen Mittel b aufgebracht, an deren einem Ende ein Hebel i angebracht ist. der durch die Kurbelstange h von der Kurbel y in oszillierende Bewegungen gesetzt wird. In ihrer Wirkungsweise stimmt die Anordnung vollkommen mit derjenigen der Fig. 1 überein.
In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Darstellung gebracht, bei der das schwingungsfähige System a, b vom Freilauf getrennt ist. Der Hebel e dreht sich um die Achse c und versetzt hiebei mittels der beiden Stangen o die Scheiben n und l des Freilaufes, Fig. 4, in oszillierende Bewegung,-u. zw. so, dass in demselben Augenblick, wo die Scheibe n die auf einer Welle
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geführt wird. Nach vollzogenem Richtungswechsel nimmt die Scheibe l den Freilauf mit, während dann die Scheibe n in umgekehrter Richtung bewegt wird.
Vor Beschreibung der Ausführungsform gemäss Fig. 5 wird noch bemerkt, dass die
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der getriebenen Welle erreicht werden kann.
Es kann entweder eine Masse eingeschaltet sein, der aufeinanderfolgend kinetische Energie zugeführt und entzogen wird, was als kinetische Kopplung bezeichnet wird, oder es kann eine Feder od. dgl. zwischengeschaltet sein, der abwechselnd potentielle Energie zu-bzw. abgeführt wird (gespannt bzw. entspannt), was als potentielle Kopplung bezeichnet wird.
In Fig. 5 ist derselbe Hebel e, der in Fig. 3 mit einer potentiellen Kopplung versehen war, mit einer kinetischen Kopplung versehen, die grundsätzlich überall dort Verwendung finden kann, wo Massenkopplungen verwendet sind, deren Massen keine Rückstellkräfte aus- zuüben haben. Sowohl die potentielle Kopplung als auch die kinetische Kopplung kann durch Einstellen des Schiebers x loser oder fester gemacht werden.
Fig. 6 veranschaulicht den durch kinetische Kopplung angetriebenen Hebel e. Die Einstellung der Kopplung erfolgt in diesem Falle durch Verschieben des Gewichtes p bzw. durch Verschieben des Angriffspunktes x. Da die kinetische Kopplung, auch Massenkopplung genannt, durch ihr Eigengewicht eine Rückstellwirkung ausübt, so kann in gewissen Fällen von der Anbringung besonderer rückführender Mittel (Federn usw.) Abstand genommen werden.
Der Antrieb der Massenkopplung k kann auch nach dem Schema, Fig. 7, unter Verwendung eines zweiarmigen Hebels erfolgen.
Fig. 8 stellt eine Ausführungsform dar, bei welcher ein schwingender Rahmen, dei gleichzeitig die Masse a verkörpert, die anzutreibende Achse c umschliesst. Der Antrieb des Freilaufes, der nach den Fig. 4 bzw. 13 konstruiert sein kann, erfolgt in der beschriebenen Weise durch die beiden Stangen o. Der Rahmen zusammen mit den Federn b bildet das schwingende System, welches durch die Massenkopplung k mittels des Kurbeltriebes y. 7t an- getrieben wird.
Fig. 9 zeigt den Rahmen a, mit elastisch-kinetischer Kopplung & versehen.
Die Anordnung Fig. 10 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 8 nur durch Weglassen der Federn b. Ausserdem erhielt der Rahmen eine offene Form. Da auch in diesen Falle der im Erdfeld schwingende Rahmen a eine Eigenperiode aufweist, so kann diese An ordnung in all denjenigen Fällen verwendet werden, wo die erwähnte Eigenschwingung als Betriebsfrequenz genügt.
In den Fig. 11 und 12 sind zwei Vorrichtungen dargestellt, die mit der durch Fig. veranschaulichten Vorrichtung bis auf die Kopplung übereinstimmen. Während bei Fig. 8 ein ( kinetische Massenkopplung angewendet wurde, ist die Kopplung 'bei Fig. 11 eine potentiell)
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Achse c oszillierenden Rahmens a angebracht sind. Die Nabe des Rahmens a ist in der be- schriebenen Weise als oszillierender Teil des Freilaufes ausgebildet und bildet mit den Federn b das schwingungsfähige System.
Auf der Achse r befindet sich ferner ein Zahnrad q, welches die Planetenräder r an- treibt. An den Planetenrädern r sind durch Hebel die verschiebbaren Massen p exzentrisch angebracht und so mit den Planetenrädern eingestellt, dass sie alle einen bestimmten Winkel z zur Achse ( einnehmen.
Wird das Zahnrad q in Umdrehung versetzt, so wird das schwingungsfähige System durch die umlaufende Massenkopplung t', p zu Schwingungen um die Achse c angeregt, die in beliebiger Weise auf einen Freilauf übertragen werden können. Bei aperiodischem Betrieb oder bei Anbringung einer im Erdfeld schwingenden Masse können die Federn b, b in Weg- fall kommen.
Der verwendete Freilauf kann sowohl ein normaler Walzen-oder Kugelfreilauf sein als auch als Sperrgetriebe ausgebildet werden.
Eine besondere Ausführungsform des Freilaufes ist in der Fig. 13 zur Darstellung gebracht. Die äussere oszillierende Schale ; < - des Freilaufes bildet einen Teil des schwingenden
Systems. Die einzelnen Knaggen lagern in der inneren Schale s. u. zw. des grossen Druckes wegen auf ihrer ganzen Länge in entsprechenden Vertiefungen. An ihrem äusseren Ende sind die Knaggen t mit einer kleinen Feder u versehen, die im Leerlauf in eine Lücke der Scheibe v eingreift und auf diese Weise die Knagge in ihrer Mittellage festhält. Der Freilauf ist dann ausser Tätigkeit gesetzt. Soll der Freilauf im Sinne des Pfeiles 1 die Welle r in Umlauf ver- setzen, so wird die Scheibe v in axialer Richtung verschoben.
Dasselbe gilt, wenn die Scheibe s im Sinne des Pfeiles Il in Umlauf gesetzt werden soll. Der beschriebene Freilauf ist somit zum Vor-und Rückwärtstreihen geeignet.
Um das erwähnte Prinzip an Mechanismen zur Anwendung zu bringen, die durch eine ganz geringe Übersetzung (sogar 1 : 1) betätigt werden sollen. lässt sich die Anordnung nach Ausführungsform, Fig. 14, ausführen. a bedeutet den zwischen Lagern geführten Rahmen ; l und n bedeuten die oszillierenden
Scheiben des Freilaufes, b die elastischen Mittel. Der Antrieb dieser Einrichtung geschieht in der oben dargestellten Weise durch Zwischenschaltung einer beliebigen Koppelvorrichtung.
Schliesslich sei noch eine Anordnung Fig. 15 beschrieben, bei der ebenfalls eine geringe Übersetzung erforderlich ist. Zwei parallel nebeneinander herlaufende Ketten sind über die beiden Kettenräder 1', die als oszillierender Teil des Freilaufes ausgebildet sind, gelegt und an ihrem Ende mit Federn b versehen. Als Masse a wirken die Kettenräder an sich, die eventuell durch eine Zusatzmasse noch vergrössert werden können. Der Antrieb erfolgt durch Kurbel oder Hebel g.
Anstatt einer umlaufenden Welle können die verschieden beschriebenen Fortschalt- mechanismen auch zur geradlinigen Fortbewegung einer Stange dienen, die nach Art eines
Freilaufes durch Kugel, Walzen oder exzentrische Knaggen oder aber nach Art eines Sperr- getriebes durch Klinken und Zähne fortbewegt wird.
An Stelle des Erdfeldes kann natürlich auch in allen Fällen ein magnetisches Feld treten.
Beide Felder wirken genau wie mechanisch elastische Mittel.
Es sind mit Vorstehendem eine Reihe von Ausführungsbeispielen zur Darstellung gebracht, die durch verschiedenartige Kopplung angetrieben werden können. ohne dass am Wesen der
Erfindung etwas geändert wird.
In Fig. 16-20 sind noch einige praktische Ausführungsbeispiele beschrieben.
In Fig. 16 stellt a eine zylindrische Schale dar, innerhalb der eine zylindrische Schale b angeordnet ist. Zwischen dem Aussenmantel der Schale b und dem Innenmantel der Schale a sind eine beliebige Anzahl von Walzen c oder Kugeln (-angeordnet, die sich bei einer Drehung der Schale b im Sinne des Pfeiles F zwischen den beiden Schalenmänteln festkeilen und die
Schale a in dieser Richtung mitnehmen. Es könnte an dieser Stelle auch irgendeine andere
Fortschaltkonstruktion zur Anwendung gelangen.
Wird nun an einem geeigneten Befestigungselement ( der Schale b beispielsweise eine
Blattfeder e angeordnet, die bei f mit einer Schubstange h gelenkig verbunden ist. so kann man durch Hin-und Herbewegen dieser Schubstange li, welches durch eine Kurbel erfolgen kann, ein Fortschalten, d. h. ein Umlaufen der zylindrischen Schale b erzielen. Die Geschwindigkeit. mit der die Schale umläuft, richtet sich nach dem Winkel a, um welchen die Feder e bewegt wird.
Belastet man nun einen derartigen Mechanismus immer mehr und mehr, so wird der
Widersland, der au Umfange der Schale b auftritt. immer grösser und grösser und die Feder p
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biegt sich, um diesen Widerstand überwinden zu können, immer mehr und mehr durch, d. h die zylindrische Schale b wird durch den erhöhten Widerstand zunächst festgehalten und die Feder e muss der Schale b voreilen, also zunächst einen gewissen Winkelweg zurücklegen, bis ihre dadurch erhöhte Spannung imstande ist, den Widerstand der Schale b bzw. a zu überwinden.
Natürlich ist auf diese Weise ein Teil des Hubes bzw. des zur Verfügung stehenden Winkelweges a durch Spannen der Feder verloren gegangen, so dass die Schale a nur noch den um diesen Betrag verminderten Winkelweg zurücklegt, d. h. die Übersetzung des Getriebes ist vergrössert worden und es wird somit unter Voraussetzung der gleichen Arbeitsübertragung bei geringerem Weg eine grössere Kraft am Umfange der Schale a geleistet. An Stelle des verlorengegangenen Winkelweges ist zunächst eine Spannung der Feder e zurückgeblieben, die zur Beschleunigung der mit der Feder e verbundenen Massen aufgewendet und damit beim Rückgang der Feder e nutzbar gemacht wird.
Die Feder e bildet somit zusammen mit den an ihr angreifenden Massen ein akkumulierendes mechanisches System, welches bei Spannung der Feder e potentielle Energie aufnimmt und sie bei Entspannung der Feder wieder im Sinne der Bewegung an den Mechanismus abgibt. Je grösser aber die Durchbiegung der Feder wird, desto grösser wird die Übersetzung und desto kleiner wird der Winkelweg a. d. h. die Geschwindigkeit, mit der die Schale a umläuft.
Je nach der Präzision, mit welcher der Freilaufmechanismus eingreift, kann man, wie eingehende Versuche ergaben, durch immer weitere Steigerung der Belastung bis nahezu auf die Geschwindigkeit Null herunterkommen.
Denkt man sich ein Fahrrad, ein Auto oder sonst einen Mechanismus, welcher wechselnden Widerstand zu überwinden hat, mit einem der vorher beschriebenen Getriebe ausgerüstet, so würde dies praktisch bedeuten, dass der betreffende Mechanismus, z. B. ein Verkehrsmittel, ganz automatisch, ohne irgendwelche Einwirkung von aussen, kontinuierlich seine Geschwindigkeit dem Widerstand anpasst. Wechselgetriebe und Einrichtungen, die eine Übersetzung des betreffenden Fahrzeuges während des Betriebes herbeiführen sollen, werden dementsprechend innerhalb der änderbaren Grenze vollkommen entbehrlich.
Des weiteren kann man sich vorstellen, dass auch das Differentialgetriebe bei Automobilen überflüssig wird. wenn man beispielsweise jedes der durch das Differential verbundenen Räder durch einen besonderen Freilauf der beschriebenen Art antreibt, da sich auch in diesem Falle die Geschwindigkeit des einen oder andern Rades genau der Belastung anpasst und mit der Belastung ändert.
Einen ganz besonderen Vorteil gewähren die beschriebenen Mechanismen, wenn man sie direkt mit den hin und her gehenden Massen eines Motors, der dann umlaufenden Teile, wie Kurbelwellen usw., gar nicht zu besitzen braucht, verwendet, weil auf diese Weise der Motor selbst nach aussen hin die beschriebenen Eigenschaften annimmt, d. h. bei Vergrösserung des Widerstandes automatisch die Geschwindigkeit des Fortschaltwerkes heruntersetzt und umgekehrt, so dass eine Überlastung eines derartigen Motors nicht vorkommen kann, bzw. die Möglichkeit besteht, Motore dieser Art für eine günstigste Drehzahl zu konstruieren und diese Drehzahl auch bei Überwindung grösserer Hindernisse nahezu oder vollkommen beizubehalten.
Die Fig. 17 bis 18 und 19 bis 20 zeigen zwei weitere praktische Ausführungsbeispiele. In beiden Fällen bezeichnet S die Seiltrommel einer Fördermaschine, auf deren Achse zwei bewegliche Fortschaltwerke-P und jf angeordnet sind, z. B. Bandbremsen und Freilaufringe usw. Die oszillierenden Ringe at und a2 (Fig. 17-20) dieser Fortschaltgetriebe sind mit elastischen Hebeln bi und b2 verbunden und bilden zusammen mit dem ersteren ein schwin- gungsfähiges System. In Fig. 17-20 sind je zwei solcher Systeme auf jeder Seite der Fördermaschine angebracht, eines gegen das andere um 900 versetzt.
Die'Anordnung in Fig. 17 und 18 unterscheidet sich von derjenigen in Fig. 19 und 20 dadurch, dass in der ersteren die Federsätze bt und b2 beweglich auf der Achse der Seiltrommel angeordnet sind und mit ihren elastischen Enden in entsprechende Drehzapfen z der Massen a I und a2 eingreifen, während bei der Anordnung Fig. 19 und 20 der Drehpunkt der Hebel bu-le bzw. -A'an das Maschinenfundament verlegt ist und ihre Enden durch die Pleuelstange t mit den Massen des oszillierenden Systems at und a2 verbunden sind.
Die Kopplung kann als eine potentielle elastische Übertragung angesehen werden, da durch die Hebelarme/.'. welche durch die Kurbeln gt und g2 angetrieben sind, Energie auf das schwingungsfähige System übertragen wird.
Im Betrieb wird der antreibende Motor mit nahezu konstanter Geschwindigkeit laufen und auch seine Leistung bleibt nahezu konstant, während die angetriebene Seiltrommel der Amplitudenänderung des oszillierenden Systems wegen bei schwerer Last relativ langsam und bei leichter Belastung relativ schneller umläuft.
Die beschriebenen Methoden bzw. Anordnungen sind überall dort vorteilhafterweise anwendbar, wo es sich darum handelt, Mechanismen zu verwenden. welche veränderliche Widerstände zu überwinden haben. Solche Mechanismen sind z. B. Fördermaschinen. Zugspills.
Hebezeuge usw.