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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer in zwei
Raumrichtungen bewegbaren Oberfläche.
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Herkömmliche
Laufbänder
weisen eine Oberfläche
auf, die in einer Raumrichtung, meist parallel zum oder leicht gegen
den Boden geneigt, bewegbar ist, so dass ein Jogger sich relativ
zu dieser Oberfläche
vorwärtsbewegen,
gleichwohl inertial im wesentlichen ruhen kann. Hiermit ist es möglich, sich gleichsam
ohne Ortsveränderung
beliebig lange Strecken vorwärts
bzw. rückwärts zu bewegen.
Vertikale, z.T. mit künstlichen
Griffen versehene Laufbänder
gestatten analog ein Klettern in die Höhe. In beiden Fällen läuft ein
Endlosband in einer Raumrichtung um, so dass die Oberseite des Obertrums
(in der Regel das Lasttrum) die gewünschte, in dieser Raumrichtung
bewegbare Oberfläche
bildet. Nachteilig kann hier jedoch nur eine Relativbewegung mit einem
Freiheitsgrad realisiert werden, i.e. der Anwender kann sich nur
in dieser Raumrichtung relativ zur Oberfläche vor- oder zurückbewegen.
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Daher
schlägt
die
EP 0 948 377 B1 ein
omnidirektionales Laufband vor, dessen Oberfläche sich in zwei unabhängige Raumrichtungen
bewegen kann. Mit einem solchen Laufband kann, wie die Druckschrift
als bevorzugte Anwendung vorschlägt, insbesondere
eine künstliche
Umgebung („Virtual Reality” VR) realisiert
werden. Dabei bewegt sich der Besucher relativ zur Oberfläche beliebig
in den beiden Raumrichtungen, ohne seine inertiale Lage zum umgebenden
Raum wesentlich zu verändern.
Koppelt man ein visuelles System wie beispielsweise eine VR-Brille
oder umgebende VR-Monitore so mit dem System, dass sich die darin
dargestellte Umgebung entsprechend der Bewegung des Laufbandes verändert, so
kann dem Anwender das subjektive Gefühl vermittelt werden, sich
in dieser Umgebung zu bewegen.
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In
diesem Zusammenhang sein explizit darauf hingewiesen, dass sich
die vorliegenden Erfindung im Gegensatz zur
EP 0 948 377 B1 nicht auf Raumrichtungen
beschränkt,
die im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Gravitation stehen,
also im wesentlichen parallel zum Boden. Sie umfasst gleichermaßen beispielsweise
eine im wesentlichen vertikale Oberfläche, die sowohl vertikal als
auch horizontal bewegbar ist und somit beispielsweise ein Klettern
in die Höhe
und zur Seite simulieren kann.
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Die
EP 0 948 377 B1 realisiert
die Bewegung in den beiden Raumrichtungen in einer ersten Variante
dadurch, dass ein Endlosband in einer ersten Raumrichtung umläuft. Das
Endlosband umfasst Einzelkörper,
insbesondere Zylinder oder Kugeln, die sich um eine zur ersten Raumrichtung
parallele Achse drehen können,
so dass sich an ihrem obersten Umfangspunkt eine Relativgeschwindigkeit
in einer zweiten, zur ersten Raumrichtung senkrechten Raumrichtung
ergibt. Die Drehung der Einzelkörper wird über einen
Reibkontakt mit einem zweiten Endlosband vermittelt, welches unter
dem ersten Endlosband senkrecht zu dessen Umlaufrichtung umläuft und
auf dem die Einzelkörper
unter Reibung abrollen. Nachteilig liegt in dem Kontaktpunkt zwischen
Einzelkörper
und zweitem Endlosband sogenannte Bohrreibung vor, da der Einzelköper in der
ersten Raumrichtung über
das in der zweiten Raumrichtung dahineilende zweite Endlosband gezogen
wird, also gleichzeitig eine Relativgeschwindigkeit in der ersten und
zweiten Raumrichtung aufweist.
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In
einer zweiten Variante schlägt
die
EP 0 948 377 B1 vor,
die Einzelkörper
durch Bandeinheiten in Form einzelner, nebeneinander angeordneter Endlosbänder zu
ersetzen, die jeweils in der zweiten Raumrichtung umlaufen. Die
Bewegung in der zweiten Raumrichtung wird den einzelnen Bandeinheiten durch
Rollen vermittelt, deren Drehachse parallel zur ersten Bewegungsrichtung
ausgerichtet ist und über die
die einzelnen Endlosbänder
unter Reibkontakt hinweggezogen werden. Auch hier tritt nachteilig
zwischen der Außenseite
des Untertrums eines einzelnen Endlosbandes und den Rollen Bohrreibung
auf, da die Bandeinheiten sich relativ zu den Rollen sowohl in der
ersten als auch der zweiten Raumrichtung bewegen.
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Diese
Bohrreibung erhöht
den Verschleiß und
begrenzt die übertragbaren
Antriebskräfte.
Sie limitiert damit nachteilig die erreichbaren Bewegungsgeschwindigkeiten,
die Reaktionszeiten und die Nutzlasten.
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Daher
schlägt
die
US 6,123,647 vor,
eine oder beide Rollen, über
die die Endlosbänder
der einzelnen Bandeinheiten umlaufen (i.e. Rollen, deren Drehachse
während
der Ober- und Untertrumphase parallel zur ersten Bewegungsrichtung
ist), mittels eines Ritzels anzutreiben, welches in je eine Zahnstange
eingreift, wenn die einzelne Bandeinheit in der Obertrumphase ist.
Die Drehachsen von Ritzel und Zahnstangen liegen parallel zur ersten
Bewegungsrichtung, ihre Verzahnung am Umfang in der Ebene der zweiten
Bewegungsrichtung. Da hier die Drehbewegung der einzelnen Endlosbänder in
der zweiten Bewegungsrichtung nicht mehr reib-, sondern formschlüssig über Ritzel
und Zahnstange vermittelt wird, kann die oben erwähnte Bohrreibung
vermindert werden.
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Die
beide Rollen, über
die die Endlosbänder der
einzelnen Bandeinheiten umlaufen, sind an je einem Förderband
festgelegt, das in der ersten Bewegungsrichtung zwischen je zwei
Treibscheiben umläuft.
Beim Umlaufen der Treibscheiben kippen die Ritzel um eine zur zweiten
Bewegungsrichtung parallele Drehachse. Daher müssen nachteilig zwischen den
einzelnen Bandeinheiten Zwischenräume in der Größenordnung
der doppelten Ritzelweite vorgesehen werden. Will man vorteilhaft
eine geschlossene Oberfläche
realisieren, so schlägt
die
US 6,123,647 hierzu
vor, die Ritzel benachbarter Bandeinheiten in der dritten, zur ersten
und zweiten Raumrichtung senkrechten Raumrichtung gegeneinander
zu versetzen. Hierdurch kann das einzelne Ritzel beim Ein- und Auslauf
aus der Treibscheibe ungestört
verkippen. Dies erfordert auf der anderer Seite jedoch nachteilig
eine zweite Zahnstange, so dass die Ritzel benachbarter Bandeinheiten
alternierend in die erste bzw. zweite Zahnstange eingreifen.
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Die
aus der
US 6,123,647 bekannte
Vorrichtung weist einige Nachteile auf: so müssen die Ritzel zu Beginn der
Obertrumphase, i.e. wenn eine Bandeinheit aus der Umlenkung einer
Treibscheibe ausläuft
und die Oberseite seines Endlosbandes Teil der nutzbaren Oberfläche wird,
in Eingriff mit den Zahnstangen gebracht werden. Dies erfordert
eine aufwändige
Synchronisierung der Ritzel- auf die Zahnstangendrehzahl. Umgekehrt
müssen
sie zunächst außer Eingriff
mit den Zahnstangen gesetzt werden, bevor sie in die andere Treibscheibe
einlaufen und durch diese in die Untertrumphase umgesetzt werden.
Sowohl, wenn die Ritzel in bzw. außer Eingriff mit der Zahnstange
gelangen, als auch während
des Ein- und Auslaufs in die bzw. aus der Treibscheibe treten Stöße auf,
die die gleichmäßige Bewegung
der Oberfläche
stören
und zudem die Komponenten, insbesondere den Antriebsstrang, erheblich
belasten.
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Ausgehend
hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
mit einer in zwei Raumrichtungen bewegbaren Oberfläche zur Verfügung zu
stellen, die die oben genannten Nachteile im Stand der Technik vermeidet.
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Hierzu
ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale
weitergebildet.
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung
mit einer in zwei Raumrichtungen bewegbaren Oberfläche umfasst
einen Tragrahmen, ein Fördermittel,
welches an dem Tragrahmen in einer ersten Richtung umlaufend angeordnet
ist, und eine Mehrzahl von Bandeinheiten, wobei jede Bandeinheit
am Fördermittel
derart befestigbar ist, dass sie als Ganzes in der ersten Richtung
bewegbar ist. Jede Bandeinheit umfasst ein erstes Endlosband, welches
an der Bandeinheit in einer zweiten Richtung umlaufend angeordnet
ist, und eine erste Antriebsrolle zum Antreiben des ersten Endlosbandes
in der zweiten Richtung. Bevorzugt stehen die erste und zweite Richtung
im wesentlichen senkrecht zueinander.
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Erfindungsgemäß wird jede
erste Antriebsrolle mittels eines eigenen Antriebs aktuiert.
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Hierdurch
werden die vorstehend erläuterten Nachteile
beseitigt. Da die Endlosbänder
nicht über Reibkontakt
wie in der
EP 0 948
377 B1 aktuiert werden, entfällt die dort auftretende Bohrreibung,
was den damit einhergehenden Verschleiß vermindert und auch die Übertragung
großer
Antriebsleistungen gestattet. Dementsprechend können auch große, in zwei
Raumrichtungen bewegbare Oberflächen
realisiert werden, die einer hierauf befindlichen Personen einen
großen
Aktionsradius, insbesondere ausgreifende Schritte oder dergleichen
ermöglichen.
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Im
Vergleich zur
US 6,123,647 gelangen
keine Verzahnungen in bzw. außer
Eingriff, so dass die dabei auftretenden Ein- und Auslaufstöße vermieden und
die Bewegung der Oberfläche
gleichmäßiger wird.
Zudem werden die mit Verzahnungen verbundenen Probleme wie wechselnde
Steifigkeiten aufgrund der unterschiedlichen Anzahl in Eingriff
befindlicher Zähne
sowie eine Längstorsion
der Zahnstangen vermieden, die eine exakte Steuerung der Drehbewegung
der Endlosbänder
erschwert.
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Vorteilhaft
sind die separaten Antriebe in Serie geschaltet, was es ermöglicht,
die notwendige Energie von einer inertial festen Quelle einem der
Antriebe zuzuführen,
von dem sie der Reihe nach an die übrigen Antriebe übertragen
wird. Gleichzeitig ermöglicht
dies auch eine homogene Steuerung aller Antriebe, so dass alle Endlosbänder in
der zweiten Richtung mit gleicher Geschwindigkeit umlaufen. Dies
gestattet es, die gesamte, aus den einzelnen Endlosbändern gebildete
Oberfläche
homogen in der zweiten Richtung zu bewegen.
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In
einer alternativen Ausgestaltung können die einzelnen Antriebe
auch einzeln gesteuert sein, so dass sich in der zweiten Richtung
auch Oberflächenbereiche
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten realisiert werden können. Hierzu
können die
einzelnen Antriebe ferngesteuert sein, beispielsweise über Funk-
oder IR-Signale.
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Gleichermaßen können die
Antriebe auch durch einen Datenbus, der bevorzugt parallel zur Energieversorgung
angeordnet sein kann, angesteuert oder durch Sensoren, beispielsweise
Rollhebel oder Reed-Kontakte nach dem Einlauf in die Umlenkung aus
der Lasttrumphase deaktiviert und bei Auslauf aus der Umlenkung
in die Lasttrumphase wieder aktiviert werden, um Energie zu sparen
und unnötige dynamische
Anregungen zu vermeiden. Vorteilhaft geschieht die (De)Aktivierung
kontinuierlich während eines
vorgegebenen Zeitraums, um Sprünge
in der Energieversorgung und der Geschwindigkeit der Endlosbänder zu
vermeiden. In einer bevorzugten Ausführung können dabei die Motoren auch
parallel zueinander an einer gemeinsamen Energiezufuhr angeschlossen
sein.
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Die
Antriebe der Antriebsrollen können
beispielsweise Elektromotoren umfassen. In einer bevorzugten Ausführung umfassen
die Antriebe Hydraulikmotoren, die mittels Hydraulikleitungen in
Serie geschaltet sind. Vorteilhaft verbindet dabei je eine Hydraulikleitung
zwei benachbarte Hydraulikmotoren. Hydraulikmotoren eignen sich
aufgrund ihres ruhigen Laufs, ihrer Dämpfungseigenschaften und der großen Leistungen
besonders für
eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Zur
Energieversorgung umfasst die Tragstruktur bevorzugt eine Linearführung, die
in der ersten Richtung verschiebbar ist, und an der eine Endlos-Drehdurchführung für die Energieversorgung eines
damit verbundenen Antriebs einer Antriebsrolle angeordnet ist. Falls
die Antriebe Elektromotoren umfassen, kann die Linearführung mittels
einer ersten Leitung mit einer inertial festen Spannungsquelle verbunden
sein. Über
die Endlos-Drehführung
wird die elektrische Energie dann einem der Elektromotoren zugeführt, von
dem sie an die hierzu in Serie geschalteten übrigen Antriebe übertragen
wird. Bei der bevorzugten Ausführung
mit Hydraulikmotoren ist in analoger Weise die Linearführung mit
einer inertial festen Druckquelle verbunden. Der Hydraulikdruck wird über die
Endlos-Drehführung
in konstruktiv einfacher Weise in einen Hydraulikmotor eingespeist und
von diesem an die übrigen
in Serie geschalteten Motoren übertragen.
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Alternativ
kann die Energiezufuhr zu dem einen Antrieb auch über eine
vorgespannte, einseitig inertial feste Zuleitung erfolgen, wobei
die Vorspannung ein Durchhängen
der Leitung verhindert. Vorteilhaft kann hierzu beispielsweise die
Leitung gegen ein rückstellendes
Drehmoment von einer inertial festen Trommel abgewickelt werden.
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Beim
Umlaufen der Bandeinheiten in der ersten Richtung schleppt der mit
der Endlos-Drehführung
verbundene Antrieb die Energiezufuhr unter Verschiebung der Linearführung hin
und her. Während
der Umlenkung der Bandeinheiten aus einer Bewegung in der ersten
Richtung in die hierzu entgegengesetzte Richtung erlaubt die Endlos-Drehführung eine
entsprechende Rotation dieses Antriebs. Somit kann in konstruktiv
einfacher Weise allen Antrieben der Bandeinheiten Energie aus einer
inertial festen Energiequelle zugeführt werden.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Tragstruktur eine Stützstruktur
zur Abstützung
der Endlosbänder der
Bandeinheiten. Dies gestattet es, auch größere Oberflächen zu realisieren, die große Lasten
senkrecht zur Oberfläche
aufnehmen können.
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Bevorzugt
ist diese Stützstruktur
so ausgebildet, dass eine Verbindung zwischen der Endlosdrehdurchführung und
des damit verbundenen Antriebs in der zweiten Richtung in etwa in
der Mitte der zugehörigen
Bandeinheit mit dieser Bandeinheit in der ersten Richtung mit umlaufen
kann. Dies gestattet die Abstützung
der Oberfläche über nahezu
die gesamte Breite und ist besonders vorteilhaft, wenn die Lasten
breit verteilt oder am Rand konzentriert sind, wie dies etwa bei
mehrachsigen Radfahrzeugen der Fall ist. Gleichermaßen kann
die Verbindung auch an einer anderen Stelle, beispielsweise am Rand
der Oberfläche,
in der ersten Richtung umlaufen, so dass die Oberfläche insbesondere
im mittleren Bereich, in dem regelmäßig die Hauptlast vorliegt,
abgestützt
ist.
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Bevorzugt
umfasst das Fördermittel
zwei umlaufende Ketten, welche durch je wenigstens ein Treibrad
in der ersten Richtung umlaufen. Um den hierbei auftretenden Polygoneffekt
zu vermeiden oder jedenfalls zu vermindern, kann vorteilhaft der Einlauf
jeder Kette in das zugehörige
Treibrad eine Führungsfläche zur
Führung
der Kette aufweisen, die im wesentlichen aus zwei linearen im wesentlichen parallelen
Abschnitten, zwei, bevorzugt klotoiden, Abschnitten mit sich verändernder
Steigung mit stetiger Krümmung
und einem Kreissegment derart umfasst, dass die Kette aus einem
ersten linearen Abschnitt, in dem sie im wesentlichen in der ersten
Richtung läuft,
mit stetiger Krümmung
in einen ersten, bevorzugt klotoiden Abschnitt mit sich verändernder Steigung
mit stetiger Krümmung
und von diesem mit stetiger Krümmung
in das Kreissegment übergeht, aus
diesem wiederum mit stetiger Krümmung
in den zweiten, wiederum bevorzugten klotoiden Abschnitt mit sich
verändernder
Steigung mit stetiger Krümmung
und von diesem mit stetiger Krümmung
in den zweiten linearen Abschnitt übergeht. Damit erfolgt die
Umlenkung der einzelnen Bandeinheiten am Treibrad nahezu stoßfrei, was
wiederum eine besonders gleichmäßig Bewegung
ermöglicht
und den mit Stößen verbundenen
Verschleiß der
Vorrichtung weiter vermindert. Eine Klotoide ist dabei bekanntermaßen eine
Kurve, bei der sich die Krümmung
linear mit ihrer Länge ändert, insbesondere
eine Kurve, bei der das Produkt aus Krümmungsradius und Kurvenlänge konstant
ist.
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Vorteilhaft
ist jede Kette durch ein erstes und ein zweites Treibrad aktuierbar,
das am Anfang bzw. Ende der Strecke angeordnet ist, die die Kette
umläuft.
Um eine Scherbelastung der Bandeinheiten zu vermeiden, werden die
ersten und/oder zweiten Treibräder
beider Ketten bevorzugt jeweils winkelsynchron gesteuert, wozu insbesondere
Elektromotoren geeignet sind.
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Bevorzugt
sind die Treibräder
als Polygonrad ausgebildet, welches formschlüssig mit Bolzen der jeweiligen
Kette in Eingriff treten kann. Dies ermöglicht eine spiel- und verschleißarme Aktuierung
der Ketten.
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Gleichermaßen kommen
als Fördermittel auch
Zahnriemen, Schubketten und/oder ein magnetischer Lienarantrieb
in Betracht. Letzterer ermöglicht es
vorteilhaft, weniger Bandeinheiten vorzusehen, da diese in der Leertrumphase
schneller umlaufen können.
Hierdurch ist es möglich,
nur so viele Bandeinheiten vorzusehen, dass einerseits die Oberfläche gebildet
werden kann und zusätzlich
die aus dieser auslaufenden Bandeinheiten ersetzt werden. In erster
Näherung
einer Kontinuitätsgleichung
kann die Anzahl der Bänder
um etwa die Hälfte
der Bänder, die
bei vollständiger
Bestückung
erforderlich sind, dividiert durch die Erhöhung der Geschwindigkeit in
der Leertrumphase, verringert werden. So kann bei einer Vorrichtung,
bei der die Bandeinheiten durch einen magnetischen Linearantrieb
in der ersten Richtung umlaufen und hierbei in der Leertrumphase
mit der doppelten Geschwindigkeit zurückgefördert werden, die Bandanzahl
um ein Viertel (Hälfte,
dividiert durch zweifache Geschwindigkeit) gegenüber der Vollbestückung reduziert
werden.
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Wie
aus der
US 6,123,647 bekannt,
muss zwischen Bandeinheiten, die in der ersten Richtung umlaufen
und in dieser Richtung eine endliche Ausdehnung aufweisen, ein gewisser
Mindestabstand freigehalten werden, der ein Verkippen der Bandeinheiten
währen
der Umlenkung an den Treibrädern gestattet.
Vorteilhaft umfasst hierzu bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
jede Bandeinheit ein zweites Endlosband, welches an der Bandeinheit
parallel zum ersten Endlosband angeordnet ist, und eine zweite Antriebsrolle
zum Antreiben des zweiten Endlosbandes in der zweiten Richtung,
wobei die zweite Antriebsrolle zusammen mit der ersten Antriebsrolle
durch den Antrieb der Bandeinheit derart umläuft, dass das erste und zweite
Endlosband dieselbe Umlaufgeschwindigkeit aufweisen. Im Gegensatz
zur
US 6,123,647 muss
hier also keine zweite Zahnstange vorgesehen werden. Die Aktuierung
beider Antriebsrollen über
denselben Antrieb stellt sicher, dass beide Endlosbänder dieselbe
Umlaufgeschwindigkeit aufweisen, so dass sich ein homogenes Geschwindigkeitsfeld
der Oberfläche
ergibt.
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Die
ersten und/oder zweiten Antriebsrollen können bevorzugt zylinderförmig ausgebildet
sein, aber gleichermaßen
beispielsweise auch einen Polygonquerschnitt aufweisen.
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Bevorzugt
sind die ersten und zweiten Endlosbänder so ausgebildet, dass sie
bei nebeneinander liegenden Bandeinheiten eine im wesentlichen geschlossene
Oberfläche
bilden. Vorteilhaft kann dabei das zweite Endlosband etwas kürzer und/oder
flacher sein, so dass Raum für
entsprechende Getriebe, etwa in Form von Ketten, Zahnrädern oder
Zahnriemen, zwischen dem Antrieb und den Antriebsrollen verbleibt.
Insbesondere kann die zweite Antriebsrolle einen kleineren Durchmesser
als die erste Antriebsrolle aufweisen, so dass unter dem zweiten
Endlosband ein freier Raum ausgebildet ist, in dem Abstützungen,
Leitungen, Mechanismen, Sensoren oder dergleichen angeordnet werden
können,
ohne dabei die Spaltbreite zwischen zwei Bandeinheiten verändern zu
müssen.
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Bevorzugt
kann jede Bandeinheit ein Anziehmittel umfassen, mittels dem das
Endlosband zu einer Tragstruktur der Bandeinheit gezogen werden kann.
Beispielsweise kann ein magnetisch reaktives Endlosband mittels
eines Magneten angezogen werden. Gleichermaßen kann das Endlosband auch durch
einen von einer Vakuumvorrichtung erzeugten Unterdruck an die Tragstruktur
gezogen werden. Dies kompensiert vorteilhaft Querkräfte, insbesondere
in der ersten Richtung, auf die Endlosbänder und gestattet so beispielsweise
auch den vertikalen Einsatz als künstliche Kletterwand.
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Weitere
Aufgaben, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und
den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.
Hierzu zeigt:
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1 eine
Vorrichtung nach einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht;
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2 die
Vorrichtung aus 1 in einer stirnseitigen Frontalansicht;
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3 die
Vorrichtung aus 1 in einer seitlichen Ansicht;
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4 eine 2 entsprechende
Ansicht mit entfernten Bandeinheiten;
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5 eine
einzelne Bandeinheit in perspektivischer Teilansicht mit teilweise
entferntem ersten Endlosband;
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6 ein
Treibrad mit geschnittenenen Bandeinheiten in einer schematischen
perspektivischen Darstellung;
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7 das
Treibrad aus 6 in einer Seitenansicht:
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8 den
Hydraulikschaltplan eines Ventils;
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9 ein
Treibrad mit aktuierter Kette in perspektivischer Teilansicht; und
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10 eine
Linearführung
mit Endlos-Drehdurchführung
zur Energieversorgung.
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1 zeigt
eine Vorrichtung mit einer in zwei Raumrichtungen bewegbaren Oberfläche nach
einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht. Die Vorrichtung
umfasst einen Tragrahmen 11, der in 4 näher dargestellt
ist.
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An
dem Tragrahmen ist, wie in den 6, 7 und 9 erkennbar,
ein Fördermittel 16 in Form
zweier Gliederketten in einer ersten Richtung umlaufend angeordnet.
Jede Kette umfasst in an sich bekannter Weise Innen- und Außenglieder 44, 45, welche über Bolzen 46 gelenkig
miteinander verbunden sind (9). Um die
Ketten in der ersten Richtung zu bewegen, greifen in jede Kette 16 je
ein erstes und ein zweites Treibrad 18 ein, das als Polygonrad
ausgebildet ist und von einem ersten Elektromotor M10 bzw. M20 bzw.
einem zweiten Elektromotor M11, M21 angetrieben wird. Vorteilhafterweise
werden die ersten und zweiten Elektromotoren M10, M20 bzw. M11,
M21 jeweils winkelsynchron gesteuert, was eine Scherbeanspruchung
der Vorrichtung vermeidet. Bevorzugt ziehen die in Bewegungsrichtung vorderen
Treibräder
die Ketten, während
die in Bewegungsrichtung hinteren Treibräder mit in etwa derselben Geschwindigkeit
drehen, so dass die Ketten keine Zugkräfte zur Überwindung der Reibung dieser hinteren
Treibräder
und deren Elektromotoren übertragen
müssen.
Bei Umkehr der ersten Bewegungsrichtung tauschen die ersten und
zweiten Treibräder ihre
Rollen als vordere bzw. hinteren Treibräder.
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Die
Treibräder
sind als Polygonrad ausgebildet, welches formschlüssig mit
den Bolzen 46 der jeweiligen Kette in Eingriff treten kann.
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An
den Ketten ist eine Mehrzahl von Bandeinheiten 20 fest
oder lösbar
befestigt, so dass die Bandeinheiten sich in der ersten Richtung
mit den Ketten bewegen. Wie in den 6, 7 angedeutet,
sind hierzu an den Kettengliedern 44, 45 Haltebügel 43 angeordnet,
mit denen je eine Bandeinheit in Eingriff gebracht werden kann.
Dabei sind jedwede Befestigungsmöglichkeiten
denkbar, insbesondere Schrauben, Rastverbindungen, Schnappverbindungen,
Spannverbindungen, Bajonett-Verschlüsse oder dergleichen. Vorteilhaft
gestattet die Verbindung zwischen Bandeinheit und Fördermittel
eine gewisse Drehung um eine zur ersten und zweiten Richtung im wesentlichen
senkrechte Achse, um Fertigungstoleranzen und Asynchronitäten der
Fördermittel
auszugleichen.
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In 5 ist
eine Bandeinheit 20 näher
dargestellt. Sie umfasst ein erstes Endlos- oder Hauptband 22 (2),
welches in 5 teilweise ausgeblendet ist.
Es läuft
an der Bandeinheit in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung
im wesentlichen senkrecht orientiert ist, unter der Aktuierung durch
eine erste Antriebsrolle 23 um.
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Jede
erste Antriebsrolle wird mittels eines eigenen Antriebs aktuiert,
der im Ausführungsbeispiel als
Hydraulikmotor 26 ausgebildet ist. Dieser treibt die erste
Antriebsrolle 23 über
einen Zugriemen 24 an.
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Jede
Bandeinheit umfasst weiter ein zweites Endlos- oder Supportband 21,
welches an der Bandeinheit parallel zum ersten Endlosband angeordnet ist
und durch eine zweite Antriebsrolle 28 in der zweiten Richtung
angetrieben wird. Die zweite Antriebsrolle wird über ein Zugband 25 zusammen
mit der ersten Antriebsrolle 23 durch den Antrieb 26 der Bandeinheit
derart angetrieben, dass das erste und zweite Endlosband dieselbe
Umlaufgeschwindigkeit aufweisen.
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Die
Tragstruktur umfasst eine in 10 näher dargestellte
Linearführung 71,
die in der ersten Richtung verschiebbar ist, und an der eine Endlos-Drehdurchführung 72 für die Energieversorgung eines
damit verbundenen Antriebs einer Antriebsrolle angeordnet ist. Damit
kann die Energie, beispielsweise elektrische Leistung oder Hydraulikdruck
für die Elektro-
oder Hydraulikmotoren 26 von einer inertial festen, beispielsweise
mit dem Tragrahmen 11 verbundenen Energiequelle über eine
flexible Leitung, die eine Bewegung in der ersten Richtung gestattet, der
Linearführung 71 zugeführt und
von dieser über die
Endlos-Drehdurchführung 72 an
einen Antriebsmotor 26 übertragen
werden, der mit einer Schiene 74 fest oder über ein
elastisches Bauelement, insbesondere eine Feder 77 verbunden
ist, die ihrerseits fest oder lösbar
mit der Endlos-Drehdurchführung 72 verbunden
ist.
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Wie
in 4 erkennbar, in der die Bandeinheiten zur besseren Übersichtlichkeit
ausgeblendet sind, umfasst die Tragstruktur eine Stützstruktur 17 zur
Abstützung
der Endlosbänder
der Bandeinheiten derart, dass die Verbindung 74 (10)
zwischen der Endlosdrehdurchführung
und des damit verbundenen Antriebs in der zweiten Richtung in etwa
in der Mitte der zugehörigen
Bandeinheit mit dieser Bandeinheit in der ersten Richtung mit umlaufen
kann. Hierdurch können
das erste und zweite Endlosband jeder Bandeinheit über weite
Bereich abgestützt
werden, was es gestattet, die in zwei Raumrichtungen bewegbaren
Oberfläche
soweit zu vergrößern, dass auch
größere Bewegungen
auf der Oberfläche
möglich
sind, beispielsweise ein Mensch darauf springen kann. Alternativ
kann der schmale Bereich, der von der Stützstruktur 17 für die oben
erläuterte
Energiezufuhr freigelassen werden muss, auch in einem anderen Bereich,
beispielsweise am Rand der Oberfläche vorgesehen sein.
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Die
Hydraulikmotoren 26 sind in Serie geschaltet, d.h., ausgehend
von dem Hydraulikmotor, der mit der Schiene 74 verbunden
ist und dem über die
Linear- und Endlos-Drehdurchführung 72, 73 Hydraulikdruck
zugeführt
wird, wird dieser Hydraulikdruck über Hydraulikleitungen zwischen
benachbarten Hydraulikmotoren sukzessive allen Hydraulikmotoren
aller Bandeinheiten zugeführt.
Dies gestattet eine sehr einfache und störungssichere Energieversorgung
und minimiert die beweglichen Teile der Energiekette zwischen inertial
fester Energiequelle und den in der ersten Richtung umlaufenden
Antrieben.
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Wie
insbesondere in 7 und 9 erkennbar,
weist der Einlauf jeder Kette in das zugehörige Treibrad eine Führungsfläche 19 zur
Führung der
Kette auf, die im wesentlichen zwei linearen, im wesentlichen parallelen
Abschnitten, zwei klotoiden Abschnitten 13 und ein Kreissegment
derart umfasst, dass die Kette aus einem ersten linearen Abschnitt, in
dem sie im wesentlichen in der ersten Richtung läuft, mit stetiger Krümmung in
einen ersten klotoiden Abschnitt und von diesem mit stetiger Krümmung in das
Kreissegment übergeht,
aus diesem wiederum mit stetiger Krümmung in den zweiten klotoiden
Abschnitt und von diesem mit stetiger Krümmung in den zweiten linearen
Abschnitt übergeht.
Dabei ist in den klotoiden Abschnitten das Produkt R(s)·s aus
Krümmungsradius
R(s) und Kurvenlänge
s konstant, was einen stetigen Übergang
des linearen Abschnittes (Krümmungsradius
R(0) unendlich) am Kurvenanfang (Kurvenlänge s gleich Null) zu dem Kreissegment
mit Krümmungs-
bzw. Kreisradius RE ermöglicht
und ein- und Auslaufstöße sowie
den Polygoneffekt vermeidet.
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Nachfolgend
wird eine Ausführung
der Erfindung entsprechend der einzelnen Baugruppen erläutert.
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Der
grundlegende Aufbau der Vorrichtung besteht, wie erläutert, aus
dem Tragrahmen 11 mit einer Lauffläche, auf der sich die Bandeinheiten 20 bewegen
und die im Bereich der Treibräder
eine Führungsfläche 19 umfasst.
Die Vorrichtung lässt
sich in zwei Funktionsbereiche aufteilen: Tragrahmen mit Hauptantrieb
(11–19)
und Bandeinheiten (20–41).
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Der
Hauptantrieb treibt mit insgesamt vier Motoren M10, M20, M11, M21
die Antriebsketten 16 an. An diesen Antriebsketten 16 sind
durch die Haltebügel 43 die
Bandeinheiten 20 befestigt. Jede Bandeinheit selbst besteht
aus zwei Bändern 21 und 22, die über den
gemeinsamen Motor 26 angetrieben werden.
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Aufbau der Bandeinheiten
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In 5 ist
der Aufbau der Bandeinheit dargestellt. Das erste oder Hauptband 22 ist
dabei teilweise ausgeblendet, um das Innenleben zu zeigen. Das Hauptband 22 wird
von einer Antriebsrolle 23 angetrieben, das zweite oder
Supportband 21 von der Umlenkrolle 28. Das Supportband 21 besitzt
dabei eine deutlich geringere Bauhöhe als das Hauptband 22.
Zudem ist das Supportband 21 so ausgeführt, dass es an der Außenseite
des Rahmens 33 bündig abschließt. Sobald
mehrer Bandsegmente 20 nebeneinander angeordnet werden
entsteht eine geschlossene Fläche
aus Bändern 22, 21.
Die Umlenkrollen 23 und 28 sind durch die Antriebselemente 24 und 25 mit
dem Antrieb 26 verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise
als Zahnriementrieb ausgeführt
sein. Dabei ist die jeweilige Übersetzung
so gewählt,
dass sich die Bänder
mit identischer Geschwindigkeit bewegen. Das Antriebselement 26 ist
als leckagefreier Hydromotor ausgeführt. Bei einer Anordnung mehrerer
Bandeinheiten 20 kann durch eine Seriellschaltung der Antriebselemente 26 ein
exakter Gleichlauf erzielt werden.
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Zur
vorteilhaften Steuerung des Motors kann zusätzlich ein proportionales Hydraulikventil 30 als Bypass
eingesetzt werden, welches von einem Sensor 31 geschaltet
wird. Sobald das Band auf der Kette 16 im Einlauf der Umlenkung 13 die
waagerechte Lage auf der Oberseite der Vorrichtung verlässt wird der
Bypass aktiviert, die Bänder 21, 22 kommen
reibungsbedingt zum Stillstand. Dies verhindert eine Fehlfunktion
(„Herauslaufen” der Bänder 21, 22 aus der
Führung)
der Bandeinheit 20 z.B. beim Verharren in senkrechter Stellung
an der Umlenkung bei gleichzeitigem Antrieb durch Motor 26.
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Die
Versorgung des Bandes erfolgt durch eine Energiezuführung. Diese
ist derart gestaltet, dass die serielle Anordnung der Bandeinheiten 20 begünstigt wird.
Die Zuführung
der Energie erfolgt an einer Bandeinheit 20, die durch
die flexible Zuführung 76 gespeist
wird. Die Energie wird dann sukzessive in der Kette von Bandeinheiten 20 weitergeleitet,
bis der Strang wieder die erste Bandeinheit 20 erreicht, welche
je nach Medium die Rückleitung
in den Energiestrang einbringt.
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Zur
Aufnahme von Querkräften
ist das Band 21 und 22 mit geeigneten Führungselementen
ausgestattet. Eine vorteilhafte Ausführung sind beispielsweise aufgeschweißte Trapezprofile
auf der Unterseite des Bandes, die in passend geformten Nuten der
Lauffläche
gleiten.
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Zur
Verbesserung der räumlichen
Ausdehnung des Bandes und der damit verbundenen dynamischen Eigenschaften
ist das Antriebselement sowie die Ansteuerung weitgehend innerhalb
des Bandkörpers
angebracht. Auf dem verbleibenden, freien Bereich unterhalb des
Supportbandes sind in Abständen
Abstützungen 27 angebracht,
welche mit einer gelagerten Stützrolle 29 Kräfte aufnehmen
können.
Diese Stützen
befinden sich – sobald
die Bandeinheit 20 sich auf der Oberseite der Vorrichtung
befindet – in
Kontakt mit den Laufschienen 17 des Tragrahmens 11.
Somit können
nahezu beliebig große Kräfte von
Objekten auf der Vorrichtung aufgenommen werden, ohne den Rahmen 33 der
Bandeinheit verstärken
zu müssen,
was sich sehr günstig
auf Gewicht und Dynamik der Vorrichtung auswirkt. Zudem kann die
Anordnung nahezu beliebig breit gebaut werden.
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Der
Bypass des Antriebsmotors 26 kann zudem sehr vorteilhaft
gestaltet werden, was sich erheblich auf Kosten und Betriebssicherheit
auswirkt. In der vorgeschlagenen vorteilhaften Anordnung, die in 8 dargestellt
ist, wird der Bypass durch einen Sensor 60 aktiviert. Dieser
kann beispielsweise als Rollenhebelventil ausgeführt sein. Sobald der Sensor aktiviert
ist, strömt
ein Fluid in den Kolben 62, der in seiner Verfahrgeschwindigkeit
durch einstellbare Drosselrückschlagventile 61 begrenzt
wird. Der Kolben betätigt
ein Hydraulikventil, welches einen zum Betätigungsweg proportionalen Öffnungsgrad
hat. Auf diese Weise wird nach einem Schaltvorgang des Sensors der
Bypass mit einstellbarer Geschwindigkeit geöffnet bzw. geschlossen, wobei
die Öffnungs- und Schließzeiten
unabhängig
voneinander einstellbar sind. Daraus resultiert ein glatter Verlauf
des Leitungsdrucks ohne Druckstöße, was
zu einer konstanten Geschwindigkeit aller Bandeinheiten 20 führt.
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Der Hauptantriebsstrang
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Die
Bandeinheiten 20 sind über
je einen Haltebügel 43 mit
dem Hauptantriebsstrang 16 verbunden. Der Hauptantriebsstrang 16 ist
aufgebaut aus den Innengliedern 45 und Aussengliedern 44,
die über
Bolzen 46 beweglich befestigt sind. Auf dem Bolzen 46 sind
Laufräder 41 montiert,
die auf einer Lauffläche
mit Umlenkung abrollen. Auf einem Gliedpaar (44 und/oder 45)
ist der Haltebügel 43 für die Bandsegmente 20 montiert.
Der Hauptantriebsstrang 16 wird durch ein Segmentrad 18 angetrieben,
welches auf der Innenseite zwischen einem Gliedpaar 45 in
die Bolzen 46 greift. Das Segmentrad ist dabei vorteilhafterweise
derart gestaltet, dass der Formschluss des Bolzens 46 mit
dem Rad 18 nach erfolgtem Eingriff ideal ist (exakte Passung,
Härtung
des Segmentrades 18) und der Hauptantriebsstrang 16 durch
eine Schräge
an der Außenseite
der Zahnflanken des Segmentrades 18 automatisch zentriert
wird.
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Zur
Vermeidung des bekannten Polygoneffektes bei Kettenrändern v.a.
bei großen
Teilungen wird der Einlauf 19 besonders gestaltet. Dies
dient zudem zur Verhinderung des sogenannten Peitscheneffektes,
bei dem die Bandsegmente 20 bei einem Sprung in der Krümmung des
Laufbandes dazu tendieren, an das benachbarte Bandsegment 20 zu stossen.
Der Übergang 19 von
der Lauffläche
auf die Umlenkung erfolgt mit stetiger Krümmung. Der Begin der Umlenkung
ist dabei vorteilhafterweise als Klotoide 13 ausgeführt. Auf
diese Weise wird ein Beschleunigungssprung vermieden und die Bandeinheiten 20 separieren
sich stoßfrei.
Sobald die Klotoide die identische Steigung und Krümmung des
korrespondierenden Kreisbogens des Polygonrades 18 aufweist,
geht die Umlenkung 13 von der klotoiden Form auf die Kreisbahn über. Mit
Beginn der Kreisbahn ist zudem der vollständige Kontakt eines Bolzens 46 mit
dem Polygonrad 18 hergestellt. Der Auslauf ist ebenso wie
der Einlauf gestaltet. Mit dem Übergang
von der Kreisbahn zur klotoiden Form separiert sich der Bolzen 46 vom
Polygonrad 18. Das Bandsegment 20 wird in der
Folge in der Rotation um seine Längsachse
stetig abgebremst und legt sich schließlich am Übergang zur linearen Lauffläche 19 stoßfrei an
das vorauseilende Bandsegment 20 an.
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Ein
exakter Gleichlauf der zwei Hauptantriebsstränge 16 ist besonders
vorteilhaft, da anderenfalls die komplette Vorrichtung zerstört werden kann.
Zu diesem Zweck ist jeder der zwei Hauptantriebsstränge 16 mit
je zwei Antriebselementen M10, M11 bzw. M20, M21 ausgestattet. Vorteilhaft
sind diese Antriebselemente als Elektromotor mit Getriebe und Steuerung
ausgebildet.
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Für eine Bewegung
der Hauptantriebsstränge 16 in
Richtung der Antriebe M10, M20 ist folgende Steuerung vorgesehen:
M10 und M20 werden winkelsynchron gesteuert und durch Drehgeber
in einem geschlossen Regelkreis von der Steuerung in exaktem Gleichlauf
gehalten. Die Motoren der Gegenseite M11 und M21 werden mit einem
konstanten Moment in Laufrichtung beaufschlagt, welches ausreicht
um Motor und Getriebe selbst zu bewegen, nicht jedoch um auf den
Hauptantriebsstrang relevante Kräfte auszuüben. Dies
dient dazu die Motoren M11 und M21 nicht durch die Hauptantriebsstränge 16 schleppen
zu lassen, was zu erhöhtem
Verschleiß und
Zerstörung
führen
würde.
Die Bewegung in die Gegenrichtung erfolgt analog nur mit vertauschten
Motoren M10→M11
und M20→M21.
Zum Abbremsen der Vorrichtung wird die Bremskraft von den Antriebsmotoren
aufgebracht, die denen der für
die Beschleunigung erforderlichen gegenüber liegen. Wurde beispielsweise
wie gezeigt mit M10, M20 angetrieben, so wird nun von M11, M21 die
Bremskraft aufgebracht. M10, M20 werden wieder mit einem konstanten
Moment ein Laufrichtung beaufschlagt um zu verhindern, dass Getriebe
und Motor M11, M21 vom Hauptantriebsstrang 16 durch die
Trägheit
der bewegten Masse ähnlich
einem Generator angetrieben werden. Die Bremskraft ist dabei entsprechend
höher als
das Moment an M11, M21.
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Wie
in 4 dargestellt, erfolgt die Energiezuführung 14 zu
einem Bandsegment 20 im Inneren der Tragstruktur 11.
Das Bandsegment 20, an dem die Energie eingespeist wird übernimmt
die Weiterleitung an andere Bandsegmente. Die Anordnung von Element 14 erfolgt
mit dem in 10 dargestellten Aufbau. Auf
einer Schiene 70, welche fest mit der Tragstruktur 11 im
Inneren der Bänderkette
verbunden ist gleitet eine Linearführung 71. Auf dieser
Linearführung
ist eine Drehdurchführung 72 befestigt,
die die Energie auf das endlos drehbare Element 73 überträgt. Die
Drehdurchführung
wird von der Energiekette 75, welche am anderen Ende mit
dem Tragrahmen 11 verbunden ist, versorgt. In diesem Element
kann je nach Erfordernis zusätzlich
zu den in 72 übertragenen
Energien Vakuum durchgeführt
werden, welches beispielsweise zu einer Fixierung der Bänder auf 22 auf
der Unterlage verwendet werden kann. An einer Schiene 74 erfolgt
die Befestigung eines Zugelementes, welches beispielsweise eine
Feder 77 zwischen der Schiene 74 und der Bandeinheit 20 ist.
Zusätzlich
sind an der Schiene 74 Energieführungselemente, also beispielsweise
Hydraulikschläuche
und Kabel befestigt.
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Wird
nun ein Bandsegment 20 bewegt so übt es über das oben genannte Zugelement
zusätzlich zur
Vorspannkraft eine zusätzliche
Kraft auf die Schiene 74 aus. Um das entstehende Ungleichgewicht
der Kräfte
auszugleichen, bewegen sich die Elemente 71 bis 74 derart,
dass wieder ein Gleichgewicht entsteht. Es wird damit sichergestellt,
dass sich die Energiezuführung
jederzeit in einer idealen Position befindet.
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Alternativ
kann die Energiezuführung
auch ohne die Linearführung 70, 71 und
Energiekette 75 erfolgen, in diesem Fall wird die Drehdurchführung mittig
in der Tragstruktur 11 verbaut. Element 73 wird als
Trommel ausgeführt,
von welcher aus eine lange Energiekette zu dem Bandsegment 20 führt. Die Trommel 73 wird
durch ein geeignetes Antriebselement mit konstantem Moment vorgespannt
und sorgt dafür,
dass die Energiekette von Element 74 zu Element 20 stets
gespannt ist und keinen unzulässigen Kontakt
zu den Bändern
hat.
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Tragstruktur
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Die
Tragstruktur 11 ist derart gestaltet, dass sie die entstehenden
Kräfte
ideal aufnehmen kann und zugleich eine Energiezufuhr ermöglicht. 1 zeigt
die Anordnung der tragenden Elemente. Dabei sind Tragsegmente 11a über Verbinder 11b fixiert. Verstrebungen 11c sorgen
für die
notwendige Stabilität.
Das System ist dabei modular aufgebaut und kenn schnell zerlegt
werden, was einen mobilen Einsatz begünstigt.
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4 zeigt
die Tragstruktur in der Vorderansicht ohne Hauptantriebskette 16 und
Bandsegmente 20. Die an den Bandsegmenten auftretenden
Lasten werden über
die Elemente 17 und 19 aufgenommen. Der Kragarm
des Elements 11a bleibt dabei so kurz wie möglich. Zudem
entsteht die größte Belastung
im Bereich der Führungsschienen 19,
welche direkt in die stabilen senkrechten Träger von 11a eingeleitet wird.
Gleichzeitig bleibt durch die Öffnung
auf der Oberseite zweier verbundener Elemente 11a genügend Raum
zur Durchführung
der Energiekette.
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Die
Rückführung der
Bandsegmente 20 erfolgt im Inneren der Tragsegmente 11a.