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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass einige Kraft-Weg-Funktionen mit Hilfe der in 1 bis 5 ersichtlichen Vorrichtungen, deren Kombinationen und weiteren Flaschenzügen realisiert werden können.
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1 zeigt die simpelste Möglichkeit, eine konstante Kraft-Weg-Funktion zu realisieren. Hierbei wird ein Gewicht 104 vom beweglichen Punkt 101 über eine feste Rolle 103 durch das Seil 102 horizontal nach oben gezogen.
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In 2 wird dargestellt, wie man eine konstante Kraft-Weg-Funktion durch eine zusätzliche schiefe Ebene 109 verwirklichen kann. Das Gewicht 108 wird dabei zusätzlich gelagert.
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3 zeigt eine Realisierung von linearen Kraft-Weg-Funktionen. Hierbei wird eine Feder 112 an einem festen Punkt 113 angebracht und mit einem horizontal beweglichen Punkt 110 über ein Seil 111 verbunden. Durch die Auslenkung der Feder 112 erhöht sich nach dem Hook'schen Gesetz die von Feder 112 erzeugte Spannkraft.
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In
4 wird ein bestimmter Typ von nicht-linearen Kraft-Weg-Funktionen über ein v-förmig aufgehängtes Gewicht
118 realisiert. Das Seil
115 wird vom beweglichen Punkt
114 über eine feste Rolle
116 und eine vertikal verschiebbare Rolle
117, welche mit dem Gewicht
118 versehen ist, zum festen Punkt
119 geführt. Wird der Weg nun vergrößert, wird Rolle
117 nach oben gezogen, wodurch sich die durch das Gewicht
118 verursachte Rückstellkraft vergrößert. Eine spezielle Variante dieser Vorrichtung wird bereits in der
US 2 280 680 A zur Höhenregulierung von elektrischen Lampen vorgeschlagen. Hierbei wird die Situation betrachtet, dass Rolle
116 und Befestigungspunkt
119 soweit zusammengeschoben werden, bis die Seilabschnitte zwischen
116 und
117 bzw.
116 und
119 parallel zueinander stehen. Dieser Spezialfall stellt damit einen Flaschenzug dar, was eine konstante Kraft-Weg-Funktion impliziert. Eine solche v-förmige Vorrichtung wird auch schon zur Steuerung von Windkraftanlagen verwendet, wie dies im „Handbuch Windenergie-Technik”, 1. Auflage (Staufen bei Freiburg: ökobuch Verlag 2000, ISBN 3-922964-78-8) von Horst Crome, S. 75–80, gezeigt und beschrieben ist.
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Der
DD 273 348 A3 ist eine Seilzugvorrichtung mit einem auf einer Schräge geführten Gewicht entnehmbar, mit deren Hilfe eine Untersuchungsliege einfach in der Höhe verstellt werden kann. Mit dieser Vorrichtung erhält man eine näherungsweise lineare Kraft-Weg-Funktion.
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In der
WO 2005/ 077 473 A1 wird ein Trainingsgerät vorgeschlagen, dass eine bestimmte progressive Kraft-Weg-Funktion generiert.
5 zeigt die prinzipielle Funktionsweise dieses Geräts. Eine kreisausschnittsförmige Platte
124 ist im Mittelpunkt des Kreises auf einer festen Achse
126 gelagert. An der Platte
124 ist ein Gewicht
125 befestigt. An der oberen Ecke
123 der Platte
124 ist ein Ende des Seiles
121 befestigt. Das Seil
121 verläuft von der Ecke
123 über die feste Rolle
122 zum beweglichen Punkt
120.
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Die Lösungen nach dem Stand der Technik, wie sie in 1 und 2 beschrieben werden, erlauben nur konstante Seilkräfte. Mit einer Vorrichtung wie in 3 können im Allgemeinen nur lineare Kraft-Weg-Funktionen realisiert werden. Des Weiteren altert eine Feder ziemlich schnell, wodurch die Kraft-Weg-Funktion verfälscht wird. Die in 4 und 5 dargestellten Lösungsansätze erlauben nur spezielle nicht-lineare Kraft-Weg-Funktionen. Diese sind progressiv und damit streng monoton steigend. Des Weiteren können durch Kombinationen dieser Lösungsansätze nur eine geringe Anzahl von Kraft-Weg-Funktionen realisiert werden.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die oben genannten Lösungsansätze die Parameter und Variabilität einer gewünschten Kraft-Weg-Funktion stark einschränken bzw. nicht jede gewünschte Kraft-Weg-Funktion verwirklicht werden kann.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Vorrichtung gemäß der
DE 10 2006 023 891 A1 jede stetige Kraft-Weg-Funktion beliebig genau umsetzt und die Kraft in alle Richtungen weitergeleitet werden kann. Wie
6 (Vorrichtung von der Seite) und
7 (Vorrichtung von oben) zeigen, ist das Seil
202 am festen Punkt
204 und beweglichen Punkt
201 befestigt. Dazwischen wird es über eine bewegliche Rolle
206 und eine feste Rolle
203 geführt. Letztere kann als Umlenkrolle für die Rückstellkräfte in eine beliebige Richtung dienen. Die bewegliche Rolle
206 ist mit den Gewichten
208a und
208b versehen und wird durch den zylinderförmigen Bolzen
209 in einer die Kraft-Weg-Funktion bestimmenden Bahn
205, die durch die Kulisse
207 erzeugt wird, zwangsgeführt. Die Kulisse
207 besteht aus zwei Metallplatten
207a und
207b, in welche die gewünschte Bahn
205 beim Herstellungsprozess zuvor gefräst wurde.
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Durch die Gewichtskräfte der Gewichte 208a und 208b und die Stützkraft der Bahn 205 muss eine bestimmte Kraft am Punkt 201 aufgebracht werden, um die Rolle 206 an der momentanen Position zu halten. Durch eine Positionsänderung von Punkt 201 (und damit einer Wegänderung) verändert sich auch die Position von Rolle 206, wodurch sich die Stützkraft (und damit auch die Rückstellkraft) ändert. Durch eine geeignete Wahl der Bahnsteigung kann somit für jede Position des Punkts 201 jede Rückstellkraft erzielt werden.
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Da die erzeugten Seilkräfte proportional zu den Gewichten 208a und 208b sind, lassen sich die gewünschten Rückstellkräfte bei einer Beibehaltung der Charakteristik der Kraft-Weg-Funktion durch eine Änderung der Gewichte 208a und 208b einfach variieren. Für kleine gewünschte Änderungen an der Charakteristik der Kraft-Weg-Funktion lässt sich die Vorrichtung feinjustieren, indem man die Kulisse 207 und damit die Bahn 205 um einen bestimmten Winkel neigt. Für die Umsetzung einer gänzlich neuen Kraft-Weg-Funktion werden lediglich eine neue Kulisse 207 mit der modifizierten Bahn 205 und gegebenenfalls neue Gewichte 208a und 208b benötigt.
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Um eine möglichst exakte Reproduktion der gewünschten Kraft-Weg-Funktion zu gewährleisten, muss das Verkanten des Bolzens 209 verhindert und Reibungseffekte minimiert werden. Doch schon durch kleine Störfaktoren, wie z. B. eine leichte seitliche Neigung der Metallplatten 207a und 207b oder ein minimaler Massenunterschied der Gewichte 208a und 208b, könnte es zum Verkanten des Bolzens 209 kommen.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem nun durch die in den Patentansprüchen 1 bis 5 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Die neuartige Rollenführung erlaubt es, die auftretende Reibung – sowohl in axialer als auch in radialer Richtung – nahezu auf null zu reduzieren.
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8 zeigt eine schematische Darstellung des Rollenführungsmechanismus von oben. Aus Gründen der Übersicht verwenden wir für die analogen Bauteile dieselben Nummern wie in 6 und 7.
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Wie in 8 zu erkennen ist, wird die Rolle 206 auf dem Kugellager 213 angebracht, welches auf den Bolzen 209 zwischen den Metallplatten 207a und 207b gepresst wird. An die Rolle 206 werden von beiden Seiten die Hülsen 212a und 212b bündig geschoben, auf die wiederum die radförmigen Bauteile 210a und 210b gepresst werden. Sie bestehen aus einem Kunststoff und laufen in der Bahn 205. Ihre abgerundete Form (Kugelscheibe) in Axialrichtung soll das Verkanten innerhalb der Bahn 205 verhindern. Des Weiteren werden außerhalb von den Metallplatten 207a und 207b die Gewichte 208a und 208b angebracht. Sie sind zylinderförmig beschaffen und enthalten in der Mitte eine Bohrung mit dem Durchmesser des Bolzens 209. Außerdem sollte die Masse gleichmäßig auf beide Gewichte 208a und 208b verteilt werden, um zusätzlich auftretende Querkräfte zu vermeiden. Auf der Innenseite der Gewichte 208a und 208b werden die Gleitkunststoffscheiben 211a und 211b befestigt. Die Enden des Bolzens 209 müssen mit Gewinden versehen werden, damit die Gewichte 208a und 208b durch die Sicherungsmuttern 214a und 214b fixiert werden können.
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Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften der Rollenführung könnte man erreichen, indem man die Gewichte 208a und 208b mithilfe von Kugellagern auf dem Bolzen 209 lagert. Hierdurch wird eine Rotation der Gewichte 208a und 208b weitgehend verhindert.
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Nachdem der Aufbau und die Wirkungsweise der Vorrichtung in den vorherigen Abschnitten beschrieben wurden, sollen im Folgenden zwei Anwendungsbeispiele der Erfindung erläutert werden.
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Steuerung für eine kleine, selbstregelnde Windkraftanlage
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Hierbei soll sich die Anlage bei zunehmender Windbelastung automatisch aus dem Wind herausdrehen, jedoch nur so viel, dass immer noch eine maximale Leistungsausbeute erreicht werden kann.
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Der schematische Aufbau einer solchen Anlage, die sich automatisch aus dem Wind dreht, ist in 9 von oben dargestellt. Sie besteht aus zwei starren Systemen. In einem System lässt sich die Steuerfahne 309 um das Gelenk 305 frei drehen. Das zweite System besteht aus der Querfahne 310, dem Rotor 301, der Generatorplatte 304 und dem Generator 302. Letztgenannte Bauteile sind miteinander verschraubt und können sich um das Lager 303 frei drehen. Beide Systeme werden durch das Seil 307, welches in einem System am Holepunkt 308 der Steuerfahne 309 befestigt ist und im anderen System über die Umlenkrolle 306 geführt wird, miteinander gekoppelt.
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10 soll nun die Wirkungsweise der oben beschriebenen Windkraftanlage verdeutlichen, wie sie im „Handbuch Windenergie-Technik”, 1. Auflage (Staufen bei Freiburg: ökobuch Verlag 2000, ISBN 3-922964-78-8) von Horst Crome, S. 75–80, vorgeschlagen wird. Dabei soll die Pfeilrichtung stets die Windrichtung darstellen.
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Sobald sich die Windgeschwindigkeit vergrößert (10a bis 10c), wird die Windkraft auf die Steuerfahne 309 und auf das Seil 307 größer. Somit dreht sich die Steuerfahne 309 im Uhrzeigersinn aus dem Wind heraus, gleichzeitig verlängert sich das Seil 307 zwischen der Umlenkrolle 306 und dem Holepunkt 308. Dabei nimmt die effektive Windquerschnittsfläche der Steuerfahne 309 ab und das Drehmoment auf die Querfahne 310 überwiegt, wodurch sich Letztgenannte und damit auch die ganze Anlage gegen den Uhrzeigersinn aus dem Wind herausdreht.
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Sobald jedoch der Wind wieder abschwächt (10d bis 10f), wird auch die auf die Steuerfahne 309 wirkende Windkraft geringer, wodurch sich das Seil 307 durch die von der Vorrichtung erzeugten Rückstellkräfte wieder zu verkürzen beginnt und die Steuerfahne 309 sich wieder in den Wind dreht. Ihre effektive Windquerschnittsfläche nimmt wieder zu und deren Drehmoment beginnt zu dominieren. Die Anlage dreht sich wieder im Uhrzeigersinn in den Wind hinein.
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Die Sturmsicherung ist einfach und robust, erfordert jedoch eine gute Steuerung für die Seilkräfte, sodass zu jeder Seillänge die gewünschte Rückstellkraft wirkt, um die Windkräfte auszugleichen. Erfindungsgemäß nach Patentanspruch 8 kann die Windkraftanlage durch eine Vorrichtung mit den in Patentansprüchen 1 bis 7 aufgeführten Merkmalen gesteuert werden.
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11 illustriert die Implementierung der Vorrichtung durch den Blick auf die Windkraftanlage von der Seite, wobei die Blickrichtung durch den Pfeil in 9 gegeben ist. Die Bauteile 306, 307, 308, 311 und 312 kennzeichnen den schematischen Aufbau der Vorrichtung nach den in Patentansprüchen 1 bis 7 aufgeführten Merkmalen. Die Bauteile 301, 302, 304, 305 und 309 repräsentieren eine Möglichkeit zur Anbringung der für die Steuerung relevanten Teile der Windkraftanlage (aus Gründen der Übersicht wird hierbei auf die Darstellung von Lager 303 und Querfahne 310 verzichtet). Wirkt nun eine Windkraft auf die Steuerfahne 309 von vorne, so bewegt sie sich im Uhrzeigersinn um das Gelenk 305 nach hinten. Dadurch verlängert sich der eingezeichnete Seilweg und die bewegliche Rolle 312 wird in der Bahn 311 nach oben gezogen. Dies geschieht solange, bis die durch die Vorrichtung erzeugte Rückstellkraft die auf die Steuerfahne 309 wirkende Windkraft ausgleicht. Die Bahn 311 muss demnach so beschaffen sein, dass die dadurch erzeugte Kraft-Weg-Funktion es der Steuerfahne ermöglicht, sich für jede Windgeschwindigkeit bzw. Windkraft geeignet aus dem Wind herauszudrehen.
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Steuerung für Reha- und Fitness-Geräte zum Training der menschlichen Muskulatur
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Bei vielen Geräten zum Krafttraining werden vom Benutzer Gewichte gehoben. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die dazu benötigte Kraft von der menschlichen Muskulatur auf eine Angriffsfläche übertragen wird, welche durch ein Drahtseil, das über ein System von festen Rollen gespannt ist, mit den Gewichten verbunden ist. Durch das Bewegen der Angriffsfläche werden dann auch die Gewichte zumeist gegen die Erdanziehung bewegt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass diesem Prinzip die schon in 1 bis 5 vorgestellten Mechanismen sowie deren Kombinationen und weiteren Flaschenzügen zugrunde liegt. Da wie bereits oben dargelegt die in 1 bis 5 illustrierten Vorrichtungen (und damit auch die hiermit konstruierten Trainingsgeräte) lediglich eine eingeschränkte Klasse von Kraft-Weg-Funktionen erzeugen können, ist im Allgemeinen die Kraft, welche der Benutzer aufbringen muss, nicht genau auf die optimalen biomechanischen Erfordernisse abgestimmt, d. h., je nach Bewegungsbereich (und damit abhängig vom Weg) wären variierende Kräfte ideal.
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Für jede Muskelgruppe kann eine biomechanisch ideale Kraft-Weg-Funktion bestimmt werden, die sich mit Hilfe der in Patentansprüchen 1 bis 7 aufgeführten Merkmalen umsetzen lässt. Erfindungsgemäß nach Patentanspruch 9 lässt sich dann je nach Muskelpartie eine Vorrichtung konstruieren, welche die erzeugten Rückstellkräfte auf eine beliebig im Raum orientierte Angriffsfläche überträgt.
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Durch die oben beschriebene Erfindung lässt sich auch die Masse der benötigten Gewichte 208a und 208b reduzieren, denn durch eine Vorrichtung mit den in den Patentansprüchen 1 bis 7 aufgeführten Merkmalen können Rückstellkräfte erzeugt werden, die um ein Vielfaches größer sind als die Gravitationskraft der Gewichte 208a und 208b. Wie schon bei Beschreibung der Wirkungsweise unserer Erfindung erläutert, lässt sich die Kraft-Weg-Funktion auch bei dieser Anwendung durch die Änderung der Gewichte 208a und 208b oder durch das Drehen der Kulisse 207 weiträumig variieren.
