Die Lasten wurden, besonders seit der Industrierevolution, nur außermittig - wie
beim obigen Zimmermannsbeispiel -, gehoben und getragen. Dadurch wurde die
Energie vergeudet und die Umwelt belastet. Eine Verbesserung der Lage boten die
herkömmlichen Flaschenzüge und Getriebe. Nur, das was man an Kraft gespart hat,
musste man am Weg zusetzen. So blieb die Energiebilanz unverändert gleich.
Die Funktionsweise
Bei einer festen Rolle hat man den Vorteil, dass man eine Last nicht von oben
hochziehen muss, sondern dies vom Boden tun kann. Der Kraftaufwand und der
zurückgelegte Weg bleiben unverändert, nur die Richtung wirkt entgegengesetzt. Und das ist
auch nur zu bewältigen solange Q<F ist. Das heißt, problematisch wird es, wenn der
Ziehende weniger wiegt als die Last selbst. Dann muss er entweder die Last mindern
oder die Hilfe holen. In der Praxis wendet man die zweite Option an, indem man einen
Nachbar ruft, der bereitwillig zupackt um auf dieser Weise mehr Energie zuführen zu
können. Eine dritte Möglichkeit besteht in der Ballastanwendung. Allerdings ist ein
Ballast oder Gegengewicht nur bei Tara sinnvoll und nicht beim Nettogewicht.
Die harmonische Technik "spaltet" das Gewicht der zu hebenden oder sinkenden
Last. Mit dem Seil einer dazwischen geschalteten losen Rolle, hängt die Last an
beiden Enden der festen Rolle. An einer Seite der festen Rolle, wickelt sich das Seil auf
und an der anderen Seite - ohne Bremseinwirkung, balanciert das freie Seilende
die feste Rolle. Durch das Drehen am Umfang der festen Rolle hebt sich die Last,
und zwar für eine Umdrehung der festen Rolle um die Hälfte der aufgewickelten
Seillänge [Fig. 1].
Die Aufhängung muss also folgende Kriterien erfüllen: 1.) Sie darf nicht bremsen!
2.) Sie darf ihre Lage nicht verändern, wie das der Fall mit dem Gegengewicht ist; Und
3.) muss ausgleichen, balancieren. Das bedeutet: Die Zugkraft muss oberhalb der
X-Achse angreifen. Außerdem muss die Aufhängung durch eine genaue Führung parallel
zur Y-Achse gehalten werden. Die Achse der Aufhängung darf nicht aufliegen. Statt
dessen muss sie in der senkrechten Führung schweben, um die Zugkraft des
"gespaltenen" Gewichtes, über den Läufer, auf den Umfang des Balancers übertragen zu
können. So verhindert der Läufer die unerwünschte Bremsung, die zusätzlichen
Kraftaufwand erfordern würde. Dadurch wäre das angestrebte Ziel des Kraftausgleiches
verfehlt. [Fig. 2]
Hier muss man im Sinne behalte, dass der Kraftausgleich nicht durch die Zufuhr
zusätzlicher Kräfte entsteht, sondern durch die "Spaltung" des vorhandenen Gewichts der
Nutzlast. Deshalb ist auch logisch, dass für einen Balancierflaschenzug nur eine
Balance, eine ganz genaue Lage des Läufers gegenüber der Spule geben kann; Genauso
wie eine Balancierstange nur einen Balancepunkt haben kann.
Der Aufbau
Eine Last [Q] getragen von einer losen Rolle [r], hängt an einem Seil. Das Seil ist
mit dem linken Ende an einer, ums Zentrum [C], horizontal gelagerten festen Rolle [r3]
Spule genannt, aufgewickelt. Mit dem anderen Ende, an der Achse [A] eines
Huckepackrades - Läufers -, befestigt. Der Läufer berührt mit eigenem Umfang, oberhalb
der X-Achse, im Punkt [B], im Einfallswinkel [a] - aus Zentrum [C] zur X-Achse
gesehen -, den Umfang eines, zur Spule stirnseitig gekoppelten Balancierrades [r2] -
hier Balancer genannt. [Fig. 3 und 4].
Der Antipode - die Achse [A] zusammen mit dem Läufer [r1] - ist nicht gelagert.
Er schwebt mit der eigenen Achse [A] in der senkrechten, zur Y-Achse parallel
verlaufenden, nach unten offenen linearen Führung. Dadurch überträgt er die rechte Hälfte
der [Q]-Last im Berührungspunkt [B] auf den Umfang des Balancers. Diese Führung
ermöglicht der rechten Hälfte der [Q], in Form einer Zuglast, parallel zur Y-Achse zu
wirken. [Fig. 5] - [Wenn die Wirkungslinie der Zuglast Q/2 radial oder direkt an der
Y-Achse wirken würde, es käme nicht zum Gleichgewicht, weil sie dann vom Zentrum
[C] aufgefangen werden würde; Die Tangentiallage der Wirkungslinie würde auf das
System überhaupt nicht wirken; Bei einer, nicht parallelen Sekantenlage der
Wirkungslinie der Zugkraft, ist das Erreichen eines Gleichgewichts grundsätzlich möglich,
aber wegen der komplizierten Berechnung bei der Anmeldung außer Acht gelassen.]
Im ersten Augenblick scheint es, dass der Läufer - da er keinen Antrieb oder
Gegenlauf hat, wie z. B. beim Differentialflaschenzug der Fall ist - nicht in der Lage sei,
einen Ausgleich herzustellen. Aber der Clou liegt nicht in der etwaigen Verschiebung
der Kräfteverhältnisse, sondern im Ausgleich. [Fig. 6 und 7] Erst wenn das
System ruht, kann man von einem effizienten Energieeinsatz reden. Erst jetzt kann man
wirklich vom Kraft- und Wegersparnis reden; Denn zum Heben bzw Senken, braucht
man jetzt eine Kraft, die nur unwesentlich größer sei, als die vorhandene Reibungskraft
des Systems. - [Bei herkömmlichen Vorrichtungen gibt es, außer Reibungskräften
noch die Differenzkraft und - wenn man auch den dazugehörigen notwendigen Weg
berücksichtigt - erkennt man, dass die notwendige Aufwandskraft gleich der Lastkraft
sei.]
Die statische Berechnung
Aus der statischen Gleichgewichtsforderung [-Mli +Mre = 0] kann man den
notwendigen Radius des Balancers [r2] errechnen. Die Zugkraft des Antipodes wirkt im
Berührungspunkt [B] und nicht in der Achsenaufhängung [A] des Antipodes. Daraus re-
sultierende Exzentrizität muss bei der Berechnung berücksichtigt werden.
Betrachten wir es, wie sich die Zugkraft [F = Q/2] im Berührungspunkt [B]
auswirkt. Aus [A] teilt sich die [F = Q/2] in 2 Komponenten, die untereinander 90°
bilden. Die erste ist die Normalkraft [N], die axial wirkt und somit für die Berechnung
unwirksam bleibt, da sie im [C] neutralisiert wird. Die zweite ist die
Tangentialkomponente [T] - [Fig. 6]. Mit der Wirkungslinie der Zugkraft [F = Q/2] schließt sie den
Einfallswinkel [α] ein.
Die Wirkung im [A]: T/(Q/2) = cos α (Als trigonometrische Funktion.)
→ T = (Q/2).cos α
Die Wirkung im [B]: t = T/r1 (Die exzentrische Wirkung der Tangente [T])
→ t = (Q/2).cos α/r1
→ t = (Q.cos α)/2 r1
Aus der Gleichgewichtsforderung [-Mli +Mre = 0] folgt:
Die Horizontalkomponente von der Axialkraft [N] und die Horizontalkomponente
von der Tangentialkraft [T] heben sich gegenseitig auf, da sie entgegengesetzt wirken.
Aus der graphischen Darstellung und der rechnerischen Prüfung geht hervor, dass sich
die vertikalen Komponenten von [N] und [T] addieren. Deshalb gilt im
Aufhängungspunkt [A]: F = Q/2; Und im Berührungspunkt [B]: f = Q/2 r1.cos α. Aber weil die
Vertikale der Normalkomponente durch die Achse [C] aufgenommen wird, kann sie
nicht in die Berechnung einfließen. [Fig. 8].
Für die zweite Möglichkeit der Gleichgewichtsforderung [-Mli +Mre = 0], der
vertikalen Komponente der Tangente [tv] [Fig. 7], muss der horizontale Abstand [a2] vom
Zentrum [C] bis zur Vertikale berücksichtigt werden. Bei der [tv] muss man den
Aufhängungspunkt [A] wieder analysieren und dann die erkannte Kraft auf den
Berührungspunkt [B] transferieren. Also nicht die Tangente im [B] einfach auf die
orthogonale Komponenten zerlegen, weil die Tangente im [B] mit der Teilung durch den
Radius [r1] für die weitere Berechnung gefälscht wäre.
Somit wurde gezeigt, dass die Berechnungsmethode sowohl mit der Tangente, als
auch mit deren vertikalen Komponente [Fig. 6 und 7], die selbe
Berechnungsformel {r2 = (r3.r1)/cos α} ergibt.
Ein kleinerer Einfallswinkel [α] ist wirtschaftlicher als ein großer, weil die
Differenz zwischen den Radien [r3] und [r2] kleiner ist.
Die Radien [r1] und [r3] sind frei wählbar und zwar nach den Erfordernissen der
gegebenen technischen Aufgabe. Aber deren Verhältnis [S1-100] zu einander verrät ihre
optimale Anwendbarkeit. Z. B. [S1], das 1 : 1-Verhältnis [r1 : r3 = 1 : 1] ergibt einen
kleinen Hub; Und [S3; S10; S100] größere Hübe. Der kleine Hub ist für die maschinelle
Anwendbarkeit geeignet, die größeren z. B. [S100] für Aufzüge und Elevatoren. [Fig. 9]
Die Weiterentwicklung
Um die entstehenden Reibungskräfte am Umfang des Balancers zu minimieren,
bietet sich die Möglichkeit, den Berührungspunkt [B] in den Bereich eines Radius' [rx],
der kleiner als [r3] oder sogar kleiner als Antriebsradius [rantr.] ist, zu wählen. Das ist
die "inwendige Stellung des Balancers". Dazu muss die Zugkraft [F = Q/2] durch
eine Hebelwirkung vergrößert werden. Dabei entstehen zwar zusätzliche
Reibungskräfte, die aber durch die Nähe zum Zentrum [C] an Bedeutung verlieren. Dadurch
kann außerdem die Geschwindigkeit der beiden Räder - des Balancers und des
Läufers - angeglichen werden. [Fig. 10]
Die weitere Fortentwicklung der Erfindung besteht in ihrer mehrfachen Koppelung
miteinander durch eine Kurbelwelle. So entsteht die Möglichkeit zur Schaffung eines
Balancegenerators oder eines Balancemotors. Die entsprechenden gleich wirkenden
Kräftepaare können über den Balancierflaschenzug so modifiziert werden, dass ein
Glied des Kräftepaares neutralisiert wird, damit das andere Glied dann ungehemmt
wirken kann. [Fig. 11]
Die Anwendbarkeit
Bei dem Gedanken über die Anwendbarkeit erschließt sich eine breite Palette der
Möglichkeiten. Die Erfindung verspricht keinen Energieverzicht, sondern ihren
effizienten Einsatz. Überall bleiben die Reibungskräfte zur Überwindung übrig; Und die
sind manchmal enorm. Nichts desto trotz ist es eine wahre Herausforderung sich
vorzustellen, wieviel Energie durch die Anwendung des Balancierflaschenzuges übrig bleibt.
Das wird die Praxis zeigen. Die Erfindung bietet sich sowohl bei der stationären als
auch bei der mobilen Anwendung an:
Stationär: Baukräne, Personen- und Bauaufzüge, Elevatoren, Wagenheber.
[Sowohl als einfaches Hebewerkzeug als auch in Reihen gekoppelte Antriebskraft.] Als
Balancegeneratoren können sie Haushalte mit dem nötigen E-Strom versorgen. Die
Firmen können für jeden Betrieb getrennt, Balancegeneratoren installieren.
Mobil: In den PKWs, LKWs, Schienenfahrzeugen und Schiffen können
Balancemotoren eingebaut werden. Weitere Anwendbarkeit besteht bei den verschiedenen
Bau- und Straßenreinigungsfahrzeugen, sowohl bei Kleingeräten wie Rasenmäher und
Ähnliches.
Das Gute an Allem ist die Tatsache, dass man das Rad nicht neu erfinden braucht,
sondern die vorhandenen Geräte und Fahrzeuge umrüsten kann. Natürlich geht es nicht
mit einem Simsalabim, sondern mit dem entsprechenden Arbeits- und Kostenaufwand.