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Federgewichtsausgleich
Für den Gewichtsausgleich einer an einem Hebel hängenden konstanten Last sind Hebelfedergewichts- ausgleiche bekannt, welche ihre Lastausgleichsmomente aus mehr oder minder einfachen oder zusammen- gesetzten Zug- oder Druckfeder-Kombinationen herleiten. Bei diesen Anordnungen liegen die genannten
Federn in der Ebene der Hebelbewegung. Ein Vertreter dieser Art von Ausgleichen, welcher den Vorzug hat, mathematisch exakt über den gesamten Bereich von 0 bis Z zu reichen, ist z. B. durch die deutsche
Patentschrift Nr. 936966 bekanntgeworden.
Bei der Auslegung dieser Federgewichtsausgleiche treten häufig Schwierigkeiten bei der Unterbringung derAusgleichsfederauf, wobei in der bereits oben zitierten Druckschrift derAusweg gefunden wurde, die Ausgleichskraft erst nach Umlenkung durch ein Zugmittel von einer ausserhalb des Wirkungsdreieckes E Mittelpunkt (M) - Angriffspunkt der Ausgleichskraft (A) - Festpunkte der Ausgleichskraft (B)] befindlichen Feder abzuleiten. Sind die auszugleichenden Lasten klein und wird auf eine besonders raumsparende Bauweise, die zudem zu formschönen Gebilden führen soll, Wert gelegt, so kann mit grösserem Vorteil der im folgenden beschriebene Federgewichtsausgleich angewendet werden.
Bei diesem Federgewichtsausgleich greift das zu kompensierende Gewicht an einem Schwenkhebel an, der an einem Drehkörper sitzt, wobei erfindungsgemäss eine oder mehrere in Richtung der Drehachse des Drehkörpers auf diesen unmittelbar oder mittelbar wirkenden Zug- oder Druckfedern, vorzugsweise konzentrisch zur Drehachse des Drehkörpers angeordnet sind, wobei der Drehkörper längs Raumkurven oder - flächen an gleichartigen Kurven oder Flächen eines oder mehrerer in Richtung der Drehachse bzw. des Drehkörpers wirksamer Stützkörper anliegt und so die Schwenkung des das Gewicht tragenden Hebels unmittelbar oder mittelbar eine Spannung oder Entspannung der Feder und damit ein grösseres oder kleineres Gegendrehmoment auslöst.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung sind Drehkörper und Stützkörper als Zylinderringkörper ausgebildet und die Raumkurven oder-flächen, längs welcher die Körper aneinander anliegen, sind Zylinderschnittkurven oder-flächen, wobei der Drehkörper im Raum verdrehbar oder zusätzlich axial verschiebbar (Fig. 3 und 6) angeordnet ist und der oder die Stützkörper lediglich axial verschiebbar und gegen Verdrehung gesichert sind (Fig. 3 und 6).
Es können auch zur Vermeidung axialer Lagerkräfte auf den Drehkörper drei Zylinderringkörper hintereinander angeordnet sein, deren sämtliche einander zugekehrten Flächen als ebene oder fast ebene Zylinderschnittflächen ausgebildet sind, wobei der mittlere als Drehkörper, an dem das Lastmoment angreift, dient und verdrehbar ist, und die beiden äusseren als Stützkörper dienenden Zylinderringkörper gegen Verdrehung gesichert symmetrisch unter Wirkung je einer oder mehrerer Ausgleichsfedern axial verschiebbar sind (Fig. 7).
Weiters können zur Vermeidung einseitig radial wirkender Lagerkräfte die Raumkurven bzw. -flächen an den einander zugekehrten Stirnflächen der als Zylinderringkörper ausgebildeten Dreh- und Stützkörper in zwei oder mehrere, vorzugsweise drei sektormÅassig verteilte, stufig abgesetzte Teilstücke aufgeteilt sein (Fig. 6).
Es können auch gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung zur Vermeidung der Gleitreibung entlang der Raumkurven bzw. -flächen der Zylinderringkörper Kugeln in entsprechenden Rillen (entlang)
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dieser Kurven bzw. Flächen geführt sein.
Die nähere Erläuterung des Federgewichtsausgleiches erfolgt an Hand der beiliegenden Zeichnung.
Fig. 1 ist eine Skizze zur Ableitung der Urfunktion für den Federgewichtsausgleich, Fig. 2 die theoretische Ausführung der Urfunktion, Fig. 3 die praktische Ausführungsform unter Verwendung zweier axial angeordneter Zylinderringkörper mit ebenen oder fast ebenen aneinander abrollenden Zylinderschnittflächen oder-kurven, Fig. 4 eine Skizze zur Ableitung der Funktion der aneinander abrollenden Raumkurven, Fig. 5 eine Skizze zur Ableitung praktischer Konstruktionsformeln. Die Fig. 6 und 7 zeigen Beispiele zur Vermeidung einseitig radialer und axialer Lagerkräfte.
Unter Berücksichtigung der Beschriftung der Fig. 1 beträgt das auszugleichende Lastmoment Mq = Q. q. sina, wogegen das Ausgleichsmoment Mp = T. rist.
Aus dem rechtwinkeligen Dreieck TPN erhält man unter Berücksichtigung der Steigung der Berüh- rungskurve tgot, sowie aus dem Momentenvergleich Lastmoment = Ausgleichsmoment die Differential gleichung für die Abtastkurve, für welche sich als Lösung
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ergibt. Dies ist die allgemeine Form der Abtastkurve, wenn P eine linear zunehmende Federkraft dar-
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Diese Lösung ist in der Fig. 2 bildlich dargestellt, wobei die Abtastspitze, an einer drehbaren und axial verschiebbaren Scheibe, an der die Last Q angreift, befestigt, die an dem feststehenden Zylinder abgeschnittene Kurve durchläuft, wodurch die Ausgleichsfeder mehr oder weniger zusammengedrückt wird.
Da Abtastkurve sowie Abtastvorrichtung nur mit mehr oder weniger grossem Aufwand herstellbar wären, hat diese Konstruktion wenig praktische Bedeutung. Für die praktische Verwendbarkeit des bisher nur mathematisch beschriebenen Federgewichtsausgleiches, dem, wie gezeigt, eine relativ einfache Funktion zugrundeliegt, muss, um diesem praktische Bedeutung erlangen zu lassen, eine leicht herstellbare billige Konstruktionsanordnung gefunden werden.
Aus den oben genannten Gründen scheiden Abtastkurven, wie die in der vorigen Skizze dargestellte aus, da vor allem die unstetige Spitze der h-Funktion ein konstruktives Hindernis ist. Statt dessen kann das praktisch einfach herzustellende Paar zweier gleicher gegeneinander gerichteter ebener Zylinderschnitte Verwendung finden. Dieses Paar erfüllt mathematisch exakt durch sein gegenseitiges Zusammenwirken die notwendige h-Funktion.
Zur übersichtlichen Betrachtung seien die beiden Zylindermäntel in die Ebene abgewickelt und gegeneinander um den allgemeinen Betrag r. A Cl verschoben, wie in Fig. 4 dargestellt.
Aus den beiden Gleichungen für den feststehenden und den gegen den ersten verschobenen und denselben berührenden Zylinderschnitt unter Berücksichtigung der Berührungsbedingung (Koordinatengleichheit im Berührungspunkt) bzw. der Symmetriebedingung (da es sich um zwei gleiche Cosinuskurven handelt) ergibt sich als Gleichung für die auftretende Axialverschiebung
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wenn zwei gleiche Zylinderschnitte gegeneinander unter dauerndem Berührungsschluss koaxial verdreht werden. Sie stimmt, wie zu beweisen war, mit obiger Gleichung, der Sollbedingung für den axialen Fe-
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Zur Auslegung eines Federgewichtsausgleiches benötigt man einige Konstruktionsformeln, wie maximale Schnitthöhe (hmax), Schnittwinkel o bzw. maximale Federkraft Pmax (s. Fig. 5). bei Vorliegen eines bestimmten Schnittes (bestimmte notwendige Federkonstante}, welche sich aus dem Vorhergehenden einfach ergeben. Aus der Beziehung Pmax. hmax = 4Q. q, in der die Federkonstante kf nicht vorkommt, geht hervor, dass man bei der erfindungsgemässen Anordnung frei in der kf-Wahl ist. Man kann
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sich daher z. B. an Hand von Federtabellen, welche sowohl da ; Pmax als auch das kf enthalten, eine pas- sende Feder wählen.
Die Fig. 6 und 7 stellen verbesserte Ausführungsformen der Erfindung dar, wobei, wie bereits oben angeführt, die Anordnung gemäss Fig. 6 einseitig radiale Lagerkräfte vermeidet und in Fig. 7 durch Ver- wendung symmetrischer Federkräfte axiale Lagerkräfte auf den Drehkörper (b) vermieden werden.
Während Fig. 6 zwischen Feder und Gestell oder Feder und beweglichem, die Last tragendem Teil (b) ein Axiallager erforderlich ist, entfällt dieses für die Lösung nach Fig. 7. Dort sind die Teile a und a lediglich gegen Verdrehung zu sichern, wogegen die Last wieder am drehbaren Teil (b) angreift.
Durch Verwendung von Kugeln od. dgl. an den Berührungsflächen oder Kurven der Zylinderringkörper kann darüber hinaus die gleitende Reibung in eine rollende verwandelt werden. Anderseits kann radiale
Linienberührung dadurch erzielt werden, dass, wie auch in den Fig. 6 und 7 angedeutet, von der Kontur- linie des Zylinderschnittes die Berührungsflächenerzeugende als Zylinderradius ausgeführt wird.
Die Anordnung gemäss Fig. 7 hat rein äusserlich eine gewisse Ähnlichkeit mit der Fig. 3 der alten österr. Patentschrift Nr. 7120, jedoch betrifft diese Patentschrift eine besondere Ausbildung eines Staffelgesperres, um z. B. die Einschaltbewegung von elektrischen Schaltern unabhängig von der sie veranlassenden Handbetätigung sprunghaft erfolgen zu lassen, ermöglicht aber keinen kontinuierlichen Ausgleich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Federgewichtsausgleich, bei dem das zu kompensierende Gewicht an einem Schwenkhebel angreift, der an einem Drehkörper sitzt, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere in Richtung der Drehachse des Drehkörpers (b) auf diesen unmittelbar oder mittelbar wirkende Zug- oder Druckfedern (c), vorzugsweise konzentrisch zur Drehachse des Drehkörpers angeordnet sind, wobei der Drehkörper längs Raumkurven oder-flächen an gleichartigen Kurven oder Flächen eines oder mehrerer, in Richtung der Drehachse bzw. des Drehkörpers wirksamer Stützkörper (a bzw. al, a2) anliegt und so die Schwenkung des das Gewicht tragenden Hebels unmittelbar oder mittelbar eine Spannung oder Entspannung der Feder und damit ein grösseres oder kleineres Gegendrehmoment auslöst.
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Featherweight compensation
For the weight compensation of a constant load hanging on a lever, lever spring weight compensations are known which derive their load compensation moments from more or less simple or composite tension or compression spring combinations. In these arrangements are the mentioned
Springs in the plane of lever movement. A representative of this type of compensation, which has the advantage of reaching mathematically exactly over the entire range from 0 to Z, is z. B. by the German
Patent No. 936966 has become known.
When designing these spring weight compensators, difficulties often arise in accommodating the compensating spring, although the alternative was found in the publication cited above that the compensating force should only be applied after deflection by a traction device from a center point (M) outside the action triangle E - point of application of the compensating force (A) - Fixed points of the compensating force (B)] located spring. If the loads to be compensated are small and value is placed on a particularly space-saving design, which should also lead to shapely structures, the featherweight compensation described below can be used with greater advantage.
In this spring weight compensation, the weight to be compensated acts on a pivot lever which is seated on a rotating body, wherein according to the invention one or more tension or compression springs acting directly or indirectly in the direction of the rotating body are arranged on these tension or compression springs, preferably concentric to the rotating axis of the rotating body, wherein the rotating body rests along spatial curves or surfaces on similar curves or surfaces of one or more supporting bodies effective in the direction of the axis of rotation or the rotating body and so the pivoting of the lever carrying the weight directly or indirectly causes tension or relaxation of the spring and thus a greater or greater lower counter-torque triggers.
According to a further feature of the invention, the rotating body and support body are designed as cylinder ring bodies and the spatial curves or surfaces along which the bodies abut one another are cylindrical sectional curves or surfaces, the rotating body being rotatable in space or additionally axially displaceable (FIGS. 3 and 6) is arranged and the support body or bodies are only axially displaceable and secured against rotation (Fig. 3 and 6).
To avoid axial bearing forces on the rotating body, three cylinder ring bodies can be arranged one behind the other, all of the surfaces facing each other being designed as flat or almost flat cylindrical sectional surfaces, the middle one serving as the rotating body on which the load torque acts and being rotatable, and the two outer cylinder ring body serving as a support body secured against rotation symmetrically under the action of one or more compensating springs are axially displaceable (Fig. 7).
Furthermore, in order to avoid bearing forces acting radially on one side, the space curves or surfaces on the facing end faces of the rotating and supporting bodies designed as cylindrical ring bodies can be divided into two or more, preferably three, stepped, stepped sections distributed over sectors (Fig. 6).
According to a further proposal of the invention, to avoid sliding friction along the spatial curves or surfaces of the cylinder ring bodies, balls in corresponding grooves (along)
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these curves or surfaces be guided.
A more detailed explanation of the spring weight compensation is based on the enclosed drawing.
Fig. 1 is a sketch for deriving the primary function for the spring weight compensation, Fig. 2 the theoretical execution of the primary function, Fig. 3 the practical embodiment using two axially arranged cylinder ring bodies with flat or almost flat cylinder sectional surfaces or curves rolling against each other, Fig. 4 a sketch for deriving the function of the space curves rolling against each other, FIG. 5 a sketch for deriving practical design formulas. 6 and 7 show examples for avoiding radial and axial bearing forces on one side.
Taking into account the lettering in FIG. 1, the load torque to be compensated is Mq = Q. q. sina, whereas the balancing moment Mp = T. rist.
From the right-angled triangle TPN, taking into account the gradient of the contact curve tgot, and from the torque comparison load torque = compensation torque, the differential equation for the scanning curve is obtained, for which the solution is
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results. This is the general shape of the scanning curve when P represents a linearly increasing spring force.
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This solution is illustrated in FIG. 2, the scanning tip being attached to a rotatable and axially displaceable disc on which the load Q acts, which follows the curve cut off on the stationary cylinder, whereby the compensating spring is more or less compressed.
Since the scanning curve and the scanning device could only be produced with more or less great effort, this construction is of little practical importance. For the practical usability of the so far only mathematically described spring weight compensation, which, as shown, is based on a relatively simple function, an easy to manufacture inexpensive construction arrangement must be found in order to make it practical.
For the reasons mentioned above, scanning curves such as the one shown in the previous sketch are ruled out, as the discontinuous peak of the h-function is a constructive obstacle. Instead of this, the practically easy-to-produce pair of two identical flat cylinder sections directed against one another can be used. This pair fulfills the necessary h-function mathematically precisely through its mutual interaction.
For a clear view, the two cylinder jackets are unwound in the plane and against each other by the general amount r. A Cl shifted as shown in FIG.
From the two equations for the fixed cylinder section and the cylinder section that is shifted against the first and touching the same, taking into account the contact condition (co-ordinate equality at the point of contact) or the symmetry condition (since there are two identical cosine curves), the equation for the axial displacement that occurs is obtained
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if two identical cylinder sections are rotated coaxially against each other with permanent contact. It is true, as was to be proven, with the above equation, the nominal condition for the axial Fe-
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For the design of a featherweight compensation system, a number of construction formulas are required, such as maximum cutting height (hmax), cutting angle o or maximum spring force Pmax (see Fig. 5). in the presence of a certain cut (certain necessary spring constant), which simply result from the above. From the relation Pmax. hmax = 4Q kf choice is. You can
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therefore z. B. on the basis of spring tables, which both there; Pmax and kf included, choose a suitable spring.
6 and 7 show improved embodiments of the invention, whereby, as already mentioned above, the arrangement according to FIG. 6 avoids radial bearing forces on one side and in FIG. 7, by using symmetrical spring forces, axial bearing forces on the rotating body (b) are avoided will.
While Fig. 6 between the spring and frame or spring and movable, the load-bearing part (b) requires an axial bearing, this is not necessary for the solution according to FIG Load again engages the rotating part (b).
By using balls or the like on the contact surfaces or curves of the cylinder ring bodies, the sliding friction can also be converted into rolling friction. On the other hand can be radial
Line contact can be achieved in that, as also indicated in FIGS. 6 and 7, of the contour line of the cylinder section, the contact surface generating is designed as a cylinder radius.
The arrangement according to FIG. 7 has a certain external resemblance to FIG. 3 of the old Austrian patent specification No. 7120; B. to let the switch-on movement of electrical switches take place in leaps and bounds regardless of the manual actuation that caused them, but does not allow continuous compensation.
PATENT CLAIMS:
1. Feather weight compensation, in which the weight to be compensated engages a pivot lever which sits on a rotating body, characterized in that one or more tension or compression springs (c) acting directly or indirectly on this in the direction of the axis of rotation of the rotating body (b) , are preferably arranged concentrically to the axis of rotation of the rotating body, the rotating body rests along spatial curves or surfaces on similar curves or surfaces of one or more supporting bodies (a or al, a2) effective in the direction of the axis of rotation or the rotating body and thus the pivoting of the weight-bearing lever directly or indirectly triggers tension or relaxation of the spring and thus a greater or lesser counter-torque.