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Vorrichtung zur Übertragung von Energie, insbesondere durch Kraft oder die Gewichtskraft von Personen.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Energie, insbesondere durch die Gewichtskraft von Personen, die im Verhältnis zu ihrer Aufbauhöhe große Kräfte überträgt und nutzbar macht.
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Aus
DE 10108265 A1 ist ein System zur Stromerzeugung durch Straßenverkehr mit Hilfe mechanischer Klappen bekannt. Hier wird durch die Kraft eines Fahrzeugs eine im Boden eingelassene Klappe nach unten gedrückt. Durch diesen Vorgang wird ein Schwungrad in Drehung versetzt, welches wiederum einen Generator antreibt. Da hierfür ein bestimmtes Maß an vertikaler Bewegung notwendig ist, muss die besagte Klappe ein deutliches Stück über die Fahrbahn reichen. Dies ist notwendig, um die nötige Bewegung zum Antrieb eines Generators zu erreichen. Eine herausstehende Klappe stellt jedoch ein Hindernis in der Fahrbahn und somit zugleich ein unzumutbares Verkehrsrisiko dar.
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Es ist ein Energy Harvesting System
WO 2011/138585 A1 bekannt, welches die kinetische Energie von Fußgängern in Strom umwandelt. Die auf den Boden wirkende Gewichtskraft eines Durchschnittsmenschen in Bewegung verlangt der Konstruktion eine gewisse Stabilität ab. Die Konstruktion wird vollständig in den Boden eingelassen und stellt somit kein Hindernis auf dem Boden dar. Die Vorrichtung benötigt für ihre Funktion nur eine geringe vertikale Bewegung, die in ihrem Ausmaß für Verkehrsteilnehmer nicht störend ist. Die Umsetzung der vertikalen Bewegung wird durch eine verhältnismäßig aufwändige Mechanik erreicht. Aufgrund der verwendeten Mechanik kann ein Mindestmaß an Aufbauhöhe offensichtlich nicht unterschritten werden und beläuft sich auf über 30 mm. Diese Bauhöhe schränkt die mögliche Verwendung der Konstruktion ein. Wünschenswert ist eine möglichst geringe Bauhöhe.
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Bei den oben genannten Beispielen wird kinetische Energie, hier konkret in Form der Bewegung eines Fahrzeugs oder Menschen, letztendlich in Strom umgewandelt. Die Erzeugung elektrischer Energie durch einen Generator ist gängig und kann durch verschiedenste Bauformen in unterschiedlichen Größen erreicht werden. Die hierfür notwendige kinetische Energie muss aber durch eine mechanische Vorrichtung an den Generator geleitet werden. Da die hierbei auftretenden Kräfte im Verhältnis zur gewünschten Baugröße hoch sind, stellt dies ein technisches Problem dar.
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Eine kleinere Bauhöhe könnte durch die Verwendung von kleineren Bauteilen erreicht werden. Bei der gängigen Kraftübertragung mittels Zahnräder ergibt dies aber eine geringere Kontaktfläche der Zahnräder untereinander. Hierdurch wird das übertragbare Drehmoment begrenzt, da bei einer Überlastung ein sogenannter Zahnbruch erfolgt. Die Lager der Zahnräder stellen bei großen Kräften ebenfalls eine Schwachstelle dar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vorrichtung zur Übertragung von Energie zu konstruieren welche die o. g. Nachteile vermeidet. Hierbei soll die Erfindung mit einer geringen Aufbauhöhe von unter 30 mm auskommen und dabei die durchschnittliche Gewichtskraft einer Person übertragen können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Diese Aufgabe wird wie in Anspruch 1 beschrieben dadurch gelöst, dass die Vorrichtung über ein beweglich gelagertes Wirkelement, auf welches eine Kraft ausübbar ist, sowie ein Gegenelement verfügt, wobei das Wirkelement wenigstens eine Erhebung und das Gegenelement wenigstens eine dazu komplementäre Vertiefung umfasst und umgekehrt das Gegenelement wenigstens eine Erhebung und das Wirkelement wenigstens eine dazu komplementäre Vertiefung umfasst und zwischen dem Wirkelement und dem Gegenelement ein flexibles Kraftübertragungselement verläuft, von dem zumindest ein Abschnitt bei einer Bewegung des Wirkelements zu dem Gegenelement hin oder einer Bewegung des Gegenelements zu dem Wirkelement hin, oder einer Bewegung beider Elemente auf einander zu in mindestens eine Vertiefung gedrückt wird.
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Durch das Hineindrücken in die Vertiefung wird das Kraftübertragungselement an zumindest einem Ende verkürzt, so dass diese Bewegung am Ende des Kraftübertragungselements weiter genutzt werden kann.
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Auf die Verwendung von Zahnrädern kann so verzichtet werden, so dass mögliche Probleme mit dem sogenannten Zahnbruch und überlastenden Zahnradlagern nicht entstehen können. Da keine Zahnräder ineinander greifen, dürfen die Bauteile zudem eine größere Fertigungstoleranz als bei Zahnradgetrieben üblich aufweisen.
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Die Erfindung kann mit großen Kräften betrieben werden, da ihre Belastungsgrenze nur durch die Zugfestigkeit des Kraftübertragungselements begrenzt ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Erfindung aus wenigen Bauteilen besteht. Hierdurch wird die Störanfälligkeit verringert und die Produktionskosten vermindert.
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Die einwirkende Kraft erfährt bei der Weiterleitung eine Richtungsänderung um 90 Grad. Bei der Anwendung bedeutet dies z. B. eine zunächst vertikal einwirkende Kraft in horizontaler Richtung weitergeleitet wird. Hierdurch wird es ermöglicht, einen Generator, oder ein anderes technisches Gerät, das diese Kraft nutzen soll, ebenfalls horizontal neben der Erfindung anzubringen. Die Aufbauhöhe der Vorrichtung und des Generators addieren sich somit nicht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 dadurch angegeben, dass mehrere Erhebungen und Vertiefungen vorhanden sind. Durch die ausübbare Kraft auf das Wirkelement wird ein Abschnitt des Kraftübertragungselements durch die Erhebung in die komplementäre Vertiefung des Gegenelements geschoben. Sind nun mehrere der Erhebungen und Vertiefungen vorhanden, legen die Enden des Kraftübertragungselements einen weiteren Weg zurück. Die geschieht in derselben Zeit, in welcher das Wirkelement zu dem Gegenelement bewegt wird. Somit wird durch die Enden des Kraftübertragungselements in derselben Zeit ein längerer Weg zurückgelegt, woraus eine höhere Geschwindigkeit resultiert. Hierbei wird die Kraft an den Enden des Kraftübertragungselements kleiner, was aber aufgrund der möglichen hohen Antriebskraft in Kauf genommen werden kann.
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Die Umformung soll vorwiegend der Energiegewinnung durch einen elektrischen Generator dienen und somit für diesen Zweck optimiert werden. Bei der Stromerzeugung mittels eines elektrischen Generators ist die Geschwindigkeit ein maßgeblicher Faktor. Je schneller die Änderung der Stärke des Magnetfeldes erfolgt, desto höher ist die erzeugte elektrische Spannung. In der Praxis bedeutet dies, dass eine schnellere Bewegung in eine höhere Spannung umgesetzt werden kann.
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Zweckmäßig ist eine Verminderung der Reibungskräfte, indem die Erhöhung in der Bewegungsrichtung des Kraftübertragungselements drehbar ausgeführt ist. Hierdurch wird die Reibung zwischen dem Kraftübertragungselement und der Erhebung reduziert und der Wirkungsgrad der Erfindung verbessert.
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Die maximale Anzahl der verwendbaren Erhöhungen wird auch durch die Reibung zwischen diesen und dem Kraftübertragungselement begrenzt. Die maximal verwendbare Anzahl der Erhöhungen ist spätestens dann erreicht, wenn die auftretenden Reibungskräfte die auf das Wirkelement ausgeübte Kraft erreichen. Sinken diese Reibungskräfte, so können mehr Erhebungen Verwendung finden was zu einer höheren Geschwindigkeit und einem weiteren Weg führt, den die Enden des Kraftübertragungselementes zurücklegen.
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Es ist vorteilhaft wenn die Erfindung kompakter gestaltet ist, indem das Kraftübertragungselement an einem Ende fixiert ist. Wie bereits geschildert, werden die Enden des Kraftübertragungselement in Bewegung versetzt. Ist ein Ende des Kraftübertragungselements fixiert, so kann sich lediglich das andere Ende bewegen. Diese Bewegung ist rechnerisch doppelt so hoch wie ohne Fixierung eines der Enden. Wird ein längerer Weg in derselben Zeit zurückgelegt, resultiert daraus eine höhere Geschwindigkeit. Diese höhere Geschwindigkeit ist technisch besser nutzbar. Zudem wird die Konstruktion kompakter und besteht aus weniger Teilen, was wiederum die Herstellungskosten senkt.
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Es ist günstig, wenn der Abschnitt des Kraftübertragungselements, nachdem er in wenigstens eine Vertiefung gedrückt wurde, durch ausübbare Kräfte, vorzugsweise durch Zugkräfte an einem Ende des Kraftübertragungselements aus der Vertiefung heraus bewegbar ist. Wenn die Kraft, welche zuvor auf das Wirkelement ausgeübt wurde, nicht mehr vorhanden ist, so würde das Kraftübertragungselement dennoch in der Vertiefung verbleiben. Wird auf eines oder beiden Enden des Kraftübertragungselement eine Zugkraft ausgeübt, so wird das Kraftübertragungselement aus der Vertiefung herausgezogen. Hierbei wird auch das Wirkelement von dem Gegenelement weggeschoben und das Wirkelement und das Kraftübertragungselement in die Ausgangslage gebracht, in der eine erneute Kraft auf das Wirkelement ausübbar ist.
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Es ist vorteilhaft, die Bewegungsenergie, welche an den Enden des Kraftübertragungselements anliegt, in einer Speichervorrichtung zu speichern. Diese Speicherung kann unterschiedlichen Zwecken dienen. Eine Möglichkeit ist, diese Bewegung so zu speichern, dass später eine zeitlich längere Bewegung als die ursprüngliche zur Verfügung steht; vergleichbar mit dem Aufziehen eines Uhrwerks. Dies bietet bei dem Betrieb eines elektrischen Generators Vorteile, da so eine gleichbleibende Spannungserzeugung leichter auszuführen ist.
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Die Speicherung kann auch dazu dienen, die gespeicherte Energie in Form einer schnelleren Bewegung im Vergleich zur ursprünglichen Bewegung abzurufen. Hier können vorteilhaft der Piezoeffekt oder die elektrische Induktion genutzt werden. Bei beiden Prinzipien wirkt sich eine schnellere Bewegung positiv auf die Stromerzeugung aus.
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Es ist vorteilhaft, wenn dass das Kraftübertragungselement an einem Ende oder beiden Enden so mit einem Stromerzeugungsgerät verbunden ist, dass bei einer Bewegung des Kraftübertragungselements Strom erzeugt werden kann. Durch die Umwandlung in Strom ist die ursprüngliche Kraft universell einsetzbar und kann für die verschiedene Zwecke wie die Aufladung eines Akkus oder das Betreiben von elektrischen Geräten genutzt werden.
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Die Kombination der Speichervorrichtung mit dem Stromerzeugungsgerät hat sich bei Versuchen als vorteilhaft erwiesen. Wenn eine Person z. B. mit einem Fuß auftritt, ist die hierbei entstehende Kraft, in Relation zur Baugröße der erfindungsgemäßen Vorrichtung, hoch. Allerdings ist die Geschwindigkeit vergleichsweise gering. Wird die besagte hohe Kraft gespeichert, zum Beispiel durch eine Federspannung, kann die Kraft binnen kürzester Zeit in Form eines Impulses freigesetzt und höhere Stromspannungen erzeugt werden. Zudem kann die ursprünglich unterschiedliche Gewichtskraft nach der Speicherung immer exakt dieselbe Kraft freisetzen. Eine Feder kann, unabhängig von der einwirkenden Gewichtskraft und Geschwindigkeit immer bis zu einem bestimmten Punkt gespannt und dann entspannt werden. Diese gleichbleibende Abgabe der Kraft ermöglicht eine Optimierung der Stromerzeugung. Außerdem kann die Vorrichtung dann, unabhängig von dem Gewicht einer Person, eingesetzt werden. Dies ermöglicht eine Massenproduktion ohne notwendige Varianten.
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Durch die mögliche flache Bauweise der Konstruktion lässt sie sich bevorzugt in einer Schuhsohle verbauen. Hier kommt auch der Umstand zur Geltung, dass die Konstruktion mit großen Kräften belastbar ist. So kann die Gewichtskraft eines Menschen inklusive der Impulskraft, welche beim Auftreten des Fußes auf den Boden entsteht, weitergeleitet werden. Durch die platzsparende Bauweise der Konstruktion ist es möglich, mehrere dieser Konstruktionen in einer Schuhsohle unterzubringen, wodurch die Wirkungsweise erhöht wird. Wenn die Konstruktion in schmaler Bauweise von annähernd 20 mm Breite im 90° Winkel zur Gehrichtung verbaut wird bleibt die Schuhsohle flexibel und kann noch ihre Abrollfunktion wahrnehmen. Hierdurch wird die Bewegungsmöglichkeit der menschlichen Fußes nicht oder nur gering eingeschränkt. Durch diese Verwendungsmöglichkeit kann die Konstruktion in großem Umfang verwendet werden. Hierdurch ist eine Produktion in hoher Stückzahl möglich, was wiederum den Herstellungspreis positiv beeinflusst.
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Es kann vorteilhaft sein, die Konstruktion in einer rein elastischen Funktion, ohne Energiegewinnung zu verwenden. Zu diesem Zweck wird das Kraftübertragungselement an mindestens einem Ende mit einem dehnbaren Element verbunden. Das andere Ende des dehnbaren Elements wird an dem Gegenelement fixiert. Durch eine Krafteinwirkung auf das Wirkelement kann, wie bereits zuvor geschildert, das Kraftübertragungselement an dem Ende verkürzt werden an welchem das dehnbare Element befestigt ist. Diese Verkürzung führt bei dem verbundenen dehnbaren Element zu einer Kraftspeicherung in Form einer Dehnung oder auch Federkraft einer gespannten Zugfeder. Wird die auf das Wirkelement ausübbare Kraft verringert, so kann das Kraftübertragungselement durch das gedehnte Element oder die gespannte Feder wieder aus der Vertiefung gezogen werden. Die zuvor gespeicherte Energie kann dabei an die Erhebung und damit auch an das Wirkelement abgegeben werden.
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Die Konstruktion weist somit einen Effekt vergleichbar mit dem einer Druckfeder auf. Diese Ausführung geht aber über die Verwendungsmöglichkeit einer Druckfeder hinaus. Eine eingebaute Feder würde eine unveränderliche Federkonstante aufweisen. Bei der hier beschriebenen Konstruktion kann dieser Wert durch die Materialauswahl und eine Vordehnung des elastischen Materials, welche auch regulierbar ausgeführt werden kann, verändert werden. Zudem muss die Konstruktion im Hinblick auf die gewünschte Aufbauhöhe betrachtet werden. Würde statt der Konstruktion eine Druckfeder verwendet werden, so wäre ihre mögliche Länge, und somit auch der Federweg, durch die gewünschte Aufbauhöhe begrenzt. Bei der vorliegenden Konstruktion wird die anfängliche Bewegungsrichtung um 90 Grad verändert. Hierdurch wird die verwendbare Baulänge des elastischen Materials nicht durch die Bauhöhe des Konstruktion, sondern lediglich durch ihre Baulänge begrenzt. Diese Baulänge kann das Mehrfache der Bauhöhe betragen. Hierdurch können elastische Materialien verwendet werden, die aufgrund ihrer größeren Abmessungen den Zweck, einen elastischen Effekt zu erzeugen, besser gewährleisten.
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Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen
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1 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Phase, in welcher keine Kraft auf die Vorrichtung einwirkt.
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2 eine geschnittene Seitenansicht der Vorrichtung in einer Phase, in welcher eine vertikale Kraft, dargestellt durch Pfeile, auf die Vorrichtung einwirkt.
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3 eine perspektifische Darstellung wie bei 1 beschrieben.
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4 eine geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels mit drehbaren Erhebungen. Zudem ist das Kraftübertragungselement an einem Ende fixiert und steht unter der Wirkung einer Zugkraft.
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5 zeigt den Schnitt durch einen Schuh in dessen Sohle eine solche Vorrichtung eingebaut und das Kraftübertragungselement mit einer Speichervorrichtung verbunden ist. Dieses wiederum ist mit einem Stromerzeugungsgerät verbunden.
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6 zeigt eine Vorrichtung ohne Energiegewinnung ohne die Einwirkung einer Kraft.
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7 zeigt eine Vorrichtung ohne Energiegewinnung unter der Einwirkung einer Kraft, welche als Pfeile dargestellt sind.
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Die Bauelemente der Anordnung bei 1–7 sind, soweit sie miteinander übereinstimmen, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt einen Schnitt einer Vorrichtung 10 zur Übertragung von Energie. Es sind sechs Erhebungen 3 in Form eines Quaders mit abgerundeten Kanten parallel zueinander auf einer Platte befestigt. Dies stellt ein Wirkelement 1 dar. Der Abstand zwischen den Erhebungen 3 untereinander beträgt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel 5 mm mehr als die Breite der Erhebung 3 und der 2-fachen Dicke des Kraftübertragungselements 5. So wird ein Verklemmen des Kraftübertragungselements 5 zwischen den Erhebungen 3 vermieden. Zwischen zwei benachbarten Erhebungen 3 verbleibt jeweils eine Vertiefung 4.
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Zu dem zuvor beschriebenen Wirkelement 1 ist ein weiteres baugleiches Element vorhanden, welches als Gegenelement 2 bezeichnet wird und dessen Erhebungen mit 3' und Vertiefungen mit 4' bezeichnet sind. Über das Gegenelement 2 ist ein flexibles Kraftübertragungselement 5 gelegt. Die Länge des Kraftübertragungselement 5 ist so zu wählen, dass an ihm noch weitere Teile befestigt werden können, welche die entstehenden Zugkräfte aufnehmen können. Das Kraftübertragungselement 5 besteht aus einem flexiblen Material mit keiner oder nur geringer Dehnfähigkeit, da es ansonsten gedehnt würde. Der eigentliche Zweck, die Verkürzung seiner Enden, würde sonst abgeschwächt werden. Das Kraftübertragungselement 5 ist bandförmig.
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Das Wirkelement 1 wird so über dem Gegenelement 2 und dem Kraftübertragungselement 5 plaziert, dass die jeweiligen Erhebungen 3 sich über den Zwischenräumen 4' des Gegenelements 2 befinden. Dies ist in 1 dargestellt. Diese Anordnung ist auch in der 3, nur mit weniger Erhebungen 3, 3' in perspektivischer Ansicht dargestellt. Auf die Abbildung eines Gehäuses wurde verzichtet. Dieses muss so beschaffen sein, dass es die Bewegung des Wirkelements 1 bzw. des Gegenelements 2 nicht einschränkt.
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Wirkt nun eine Kraft, dargestellt durch die Pfeile bei 2, auf das Wirkelement 1, so bewegt sich dieses zum Gegenelement 2 hin, und die Erhebungen 3 dringen in die Vertiefungen 4' zwischen den gegenüberliegenden Erhebungen 3' des Gegenelements 2 ein. Dieser Vorgang ist in 2 dargestellt.
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Hierdurch werden entsprechende Abschnitte des Kraftübertragungselements 5 in die Vertiefungen 4, 4' gedrückt und dessen Enden bewegen sich aufeinander zu. In Richtung zwischen diesen Enden betrachtet wird das Kraftübertragungselement 5 so verkürzt. Diese Verkürzung dauert gleich lang wie der Vorgang bei welchem die Erhebungen 3, 3' in die jeweiligen Zwischenräume 4, 4' geschoben werden. Der Weg, den die Enden des Kraftübertragungselements 5 zurücklegen, ist abhängig von der Anzahl der verwendeten Erhebungen 3, 3' und den daraus resultierenden Vertiefungen 4, 4'.
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In 4 ist dargestellt, wie die Erhebungen 3 drehbar ausgeführt werden können. Diese sind, je nach Breite des verwendeten Kraftübertragungselement 5, gelagerte Walzen oder Rollen. Das hierbei eine geringere Reibung als bei einer feststehenden Erhebung auftritt, ist bekannt. Zudem wurde hier das Kraftübertragungselement 5 an einem Ende fixiert. Außerdem steht das Kraftübertragungselement 5 unter der Wirkung einer Zugkraft, darstellt durch eine Zugfeder 6. Diese Ausbildung kann insbesondere bei einer dauerhaften Anwendung verwendet werden. Nur so lässt sich die Konstruktion nach einer Beendigung der Krafteinwirkung wieder in ihre Ausgangslage zurückbringen und kann dann wiederum eine Kraft aufnehmen und weiterleiten.
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Die 5 zeigt den Schnitt durch einen Schuh 20. Die Vorrichtung 10 ist hier in der Schuhsohle 23 untergebracht. Auf dem Gegenelement 2 sind eine Speichervorrichtung 21 und ein Stromerzeugungsgerät 22 befestigt. Das Kraftübertragungselement 5 ist mit der Speichervorrichtung 21 verbunden. Die Speichervorrichtung 21 besteht aus einem beweglichen Schlitten mit einer Druckfeder, die bei der Verkürzung des Kraftübertragungselements 5 komprimiert wird. Wenn die maximale Komprimierung erreicht ist, wird der Schlitten ausgelöst und erzeugt eine Impulskraft.
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Die Vorrichtung mit einer Verwendung in einer rein elastischen Form wird in 6 und 7 gezeigt. Der Aufbau des Wirkelements 1 und Gegenelements 2 ist wie bereits zu 1 und 2 beschrieben. Das Kraftübertragungselement 5 ist mit einem Ende an dem Gegenelement 2 fixiert. Das andere Ende ist mit einer Zugfeder 7 verbunden. Die Zugfeder 7 ist, in Verlängerung des Kraftübertragungselements 5 gesehen, an dem Gegenelement 2 befestigt. Um eine maximale elastische Wirkung zu erzielen, wird die Federkonstante der Zugfeder 7 so gewählt, dass ein auf das Wirkelement 1 wirkendes Gewicht, bei Wegfall der einwirkenden Impulskraft wieder zurück gefedert werden kann. Wirkt nun eine Kraft, z. B. bestehend aus der Gewichtskraft und einem Impuls einer auftretenden Person, dargestellt durch die Pfeile bei 7, auf das Wirkelement 1 ein, so wird dieses zu dem Gegenelement 2 hin bewegt und dringt mit seinen Erhebungen 3 in die Vertiefungen 4' des Gegenelements 2 ein. Hierdurch werden entsprechende Abschnitte des Kraftübertragungselements 5 in die Vertiefungen 4, 4' gedrückt und das Ende, an welchem die Feder 7 angebracht ist, bewegt sich. Hierdurch wird die Feder 7 gedehnt. Wenn die Impulskraft nicht mehr vorhanden ist zieht die Feder 7 das Kraftübertragungselement 5 aus den Vertiefungen 4 heraus. Dadurch wird auch das Wirkelement 1 von dem Gegenelement 2 wegbewegt und es werden das Wirkelement 1 und das Kraftübertragungselement 5 in die Ausgangslage zurückgebracht, in der eine erneute Kraft auf das Wirkelement 1 ausgeübt werden kann. Es tritt zunächst eine Dämpfungswirkung und dann ein Effekt ein, bei welchem die ursprünglich wirkende Kraft wieder großteils zurückgegeben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10108265 A1 [0003]
- WO 2011/138585 A1 [0004]
