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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Kraftverstärkung elektro-mechanisch eingetragener Kräfte zur Erzeugung eines potenzierten Drehmomente auf der Grundlage eines Unruheantriebes in Ausnutzung und Kombination physikalischer Grundlagen, insbesondere der Hebelgesetze und Schwerkraft.
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Allgemein bekannt ist der Dreh-Schwingkreisel /
1/. Dieses System wird bis zum heutigen Zeitpunkt zur Bestimmung der räumlichen Lage eines vorbestimmten Körpers benutzt. Dieses Prinzip zur Erzeugung eines nutzbaren Drehmomentes bzw. zur dynamischen Kraftverstärkung elektro-mechanisch eingetragener Kräfte einzusetzen ist bisher nicht bekannt.
Gleiches trifft für
DE 0010003367A1 zu, das ein trägheitsaktives Schwungmassengetriebe mit rotierenden Gehäuse, in den exzentrisch angeordnete umlaufende Massen gelagert sind (s.a. „www toprkado.de/wuerthGetriebe“), betrifft.
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Mit
DE 1 901 234 A1 wird ein mittelbares Drehschwingungssystem vorgeschlagen, bei dem an einem Hebelarm angeordnetes rotierendes Gewicht, dass in einer Gabel gelagert ist, oszillierende Schwingungen erzeugt, die an einer Welle Energie erzeugt. Dabei ist vorgesehen, dass zur Überwindung des oberen Totpunktes des rotierenden Gewichtes Kraftanteile in einer Feder gespeichert und nach Überwindung des Totpunktes wieder freigegeben werden.
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Mit
DE 197 12 542 C2 wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit der eine gerichtete Kraft aus einer Drehbewegung eines Massenkörpers erzeugt werden kann. Dazu wird ein exzentrisch an einer Rotationsachse angeordneter Schwungkörper in Rotation versetzt und die erzeugte Unwucht in eine gerichtete Kraft umgesetzt. Dazu ist der Massekörper in einem Pendel drehbar gelagert.
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WO2016/163631 A1 betrifft eine Einrichtung, mit einer schwerpunktfixierten Schale in der eine Rotationsachse mit Fliehgewicht angeordnet ist. Die Rotationsachse selbst ist mit einem Energieerzeuger wirkverbunden. Durch eine allseitige mögliche Lageveränderung der Schale wird das Fliehgewicht in Umlauf gebracht und die Drehbewegung über die Rotationsachse an den Energieerzeuger übertragen. Die Energiegewinnung ist jedoch in Abhängigkeit des Bewegungsablaufes spontan und ungleichförmig.
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Das Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Kraftverstärkung elektro-mechanisch Kräfte, insbesondere zur Vervielfachung eines Drehmomentes unter Nutzung von Zentrifugalkräften zu entwickeln. Insbesondere soll eine weitgehend gleichförmig und kontinuierlich Kraftverstärkung erreicht werden.
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Die erfindungsgemäßen Merkmale entsprechend der vorliegenden Ziel und Aufgabenstellung sind in dem Verfahrensanspruch 1 und den Anspruch 5 für die konstruktive Umsetzung zusammengefasst.
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Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass eine zwangsrotierend gelagerte asymmetrische Schwungmasse durch Neigung der Kreisumlaufbahn unter Einfluss der Schwerkraft einen in Richtung Schwerpunkt der Kreisumlaufbahn wirkenden Drehimpuls erfährt und nach Passage des Schwerpunktes unter Einfluss der gespeicherten kinetische Energie der der ansteigenden Bahnseite folgt. Mit Passage des Schwerpunktes durch die rotierende Schwungmasse setzt zugleich eine diametral gerichtete Umkehr der Neigung der Kreisumlaufbahn ein. Dieser Neigungswechsel erfolgt kontinuierliche. Ab einem Bahnumlaufwinkel von annähernd 45° nach Passage des Schwerpunktes (Schwerpunktachs) befindet sich ein Umschaltpunkt, ab dem der Kreisbahnverlauf zwischen den Schwerpunkten relativ flach bis neutral verläuft, so dass die Schwungmasse ohne nennenswerten Energieschub über die Schwenkachse hinweg auf die sich neue bildende Neigungsebene der Kreisumlaufbahn zubewegt. Mit Zunahme der Bahnneigung erhöht sich die Wirkung der Schwerkraft auf die Schwungmasse und es kommt erneut zur Entfaltung eines Drehmomentimpulses. Dieser Funktionsablauf wiederholt sich sinusförmig bei jedem Bahnumlauf der Schwungmasse zweifach.
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Die schwingende Pendelbewegung des Schwenkrahmen und die indizierende Drehbewegung der im Schwungrahmen gelagerten Schwungmasse wird durch einen oszillierenden Kraftimpuls bewirkt, der eingangsseitig anliegt. Dazu wird die eingangseitig anliegende Kraft von einer Antriebseinheit in einen oszillierenden Kraftimpuls umgeformt und auf den Schwenkrahmen und damit auf die Schwungmasse übertragen.
Ausgehend vom Gewicht der Schwungmasse und der Frequenz der schwingenden Pedelbewegung wird die eingebrachte Kraft in ein potenziertes/vervielfachtes Drehmoment umgeformt, das über die Lagerwelle abgreifbar ist.
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Der Start und die Vorgabe der Drehrichtung der Schwungmasse erfolgt vorzugsweise durch einen Drehimpuls des Abtriebsorgans (Generator in Motorstatus).
Alternativ kann die Startenergie auch mit einem separatem Motor, der mit der Lagerwelle im Eingriff steht, eingebracht werden.
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Verfahrensseitig ist weiterhin vorgesehen, dass zur Unterstützung eines Gleichlaufes der Pendelbewegung unterhalb des Schwenkrahmen und parallel zur Schwenkachse Ausgleichsgewichte angeordnet sind.
Gleichermaßen sind zur Fixierung der Ruheposition (annähernd horizontale Nullstellung) des Schwenkrahmen und zur Dämpfung der Pendelbewegung zwischen Schwenkrahmen und Grundgestell Neudymmagnete oder federdynamischen Dämpfungsglieder vorgesehen.
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Der Abgriff des potenzierten Drehmomentes erfolgt an der Lagerwelle und wird zum Antrieb einer Arbeitseinheit genutzt. Als Arbeitseinheit ist vorzugsweise ein Generatoraggregat vorgesehen, mit dem die Verstromung des potenzierten elektro-mechanischen Kraftimpulses erfolgt.
Alternativ kann der Abgriff des Drehmomentes auch hydraulisch oder pneumatisch über ein Pumpenaggregat erfolgen.
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Ein positiver Effekt der Erfindung besteht darin, dass in vorteilhafter Weise vorhandene Netzenergie als Input nutzbar ist. Vervielfacht durch die erfindungsgemäße Einrichtung kann die erzeugte Energie dezentral direkt zur Deckung des eigenen Energiebedarfes genutzt oder gespeichert oder auch in das bestehende Energie-Verbundnetz eingespeist werden. Die Verwendung der Vorrichtung ist nicht Standortgebunden und ist auch für einen mobilen Gebrauch geeignet.
Steht regenerative Energie zur Verfügung, so ist eine autonome potenzierte Energieerzeugung kostengünstig möglich.
Die Vorrichtung zeichnet sich durch einen einfachen robusten Aufbau mit wenigen Verschleißelementen aus, was wiederum eine lange Verfügbarkeit erwarten lässt.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Grundgestell, in dem ein Schwenkrahmen mit einer zwangsrotierend gelagerten asymmetrisch gestalteten Schwungmasse in der Art einer Wippe eingesetzt ist. Die Lagerwelle der Schwungmasse ist lotrecht im Schnittpunkt der Kreuzstreben, also in der Rahmenmitte des Schwenkrahmen eingesetzt. Zusätzlich wird die Lagerwelle mit angekoppelten Generatorantrieb unterhalb des Schwenkrahmen von einem rechtwinklig zur Schwenkachse angeordneten Rahmenunterzug getragen. Die Kraftübertragung für das Generatoraggregat kann direkt, mittels Zugmittelgetriebe (Riemen- oder Kettengetriebe) oder Zahnradgetriebe oder über eine Kardanwelle oder einer flexiblen Antriebswelle oder hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Am Unterzug ist wiederum ein Rahmenbügel angesetzt, der das Generatoraggregat und die Ausgleichsgewichte für den Schwenkrahmen trägt. Für den oszillierenden Antrieb des Schwenkrahmen ist weiterhin eine Wippe vorgesehen, die am Rahmenbügel befestigt ist.
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Die am Rahmenbügel angeordneten Ausgleichsgewichte dämpfen im Betriebszustand die wechselnden Pendelbewegungen des Schwenkrahmen. Sie gewährleisten einen ruhigen wenig störanfälligen Betrieb. Gleichzeitig wird erreicht, dass beim Start der Vorrichtung die Amplitude des Schwenkrahmen und das Anfahrmoment und damit der Energiebedarf relativ gering ist. Ein weiterer Effekt besteht auch darin, dass der Schwenkrahmen in Ruhestellung gemeinsam mit der Schwungmasse eine stabile Lage und günstige Startposition einnimmt.
Für den gleichen Zweck sind zwischen dem Grundgestell und Schwenkrahmen zusätzliche Dämpfungselemente, vorzugsweise Neudymmagnete oder pneumatische wie auch mechanische Federelemente angeordnet. Sie unterstützen insbesondere einen relativ elastische Richtungsumkehr der Kippbewegung des Schwenkrahmen. Versuche haben gezeigt, dass ohne diese Dämpfungselemente ein deutlich größer Anfahrenergie benötigt wird. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn diese Dämpfungselemente außerhalb der Schwingungsebene des Schwenkrahmen angeordnet sind.
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Die Antriebseinheit zur Erzeugung des Kippmomentes für den Schwenkrahmen besteht aus einem Elektro- oder einem Hydraulikmotor der kinematisch mit der Wippe verbunden ist. Die zu potenzierende Kraft wird von diesen Antriebsorgan in einen oszillierende Kraftimpuls umgeformtund über das mit der Wippe im Eingriff stehende Antriebsrat auf den Schwenkrahmen mit der Schwungmasse übertragen.
Alternativ kann der Pendelantrieb auch mit über Kreuz laufenden Spannbändern, einem Linearmotor oder mit zwei Antriebsmotoren mit gegenläufigen Drehrichtungen erfolgen. Vorstellbar sind auch hydraulische, pneumatische oder magnetische Stellmotoren, die direkt mit dem Schwenkrahmen wirkverbunden sind. Auch kann das Antriebsorgan parallel zum Abtriebsorgan direkt mit der Lagerwelle der Schwungmasse kinematisch verbunden sein.
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Die Ansteuerung des Antriebes erfolgt in Zusammenwirken mit einem Drehzahlgeber an der Lagerwelle und einzelner funktionsbezogener Sensoren, die zur Optimierung der Bewegungsabläufe mit einer computergestützten Steuereinheit wirkverbunden sind. Über die Steuereinheit werden die Grundfunktionen, wie Drehbewegung der Schwungmasse, Einstellung des Neigungswinkels des Schwungrahmen und die Frequenz der periodischen Kippbewegung des Schwenkrahmen, die Größe der Eingangenergie und der Ausgabeleistung in einem Soll-Ist-Vergleich erfasst und ausgesteuert.
Letztendlich erfolgt die Kraftverstärkung der Antriebsenergie ausschließlich durch die Veränderung der Schwerpunktlage der Schwungmasse in Abhängigkeit der Umlaufgeschwindigkeit (Drehzahl) und der Schwingungsfrequenz des Schwenkrahmen, die an der Lagerwelle der Schwungmasse abgreifbar ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung wird nachstehend an Hand einer Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispieles nochmals verdeutlicht. Es zeigen:
- 1: eine Seitenansicht des Schwenkrahmen
- 2: eine Draufsicht auf den Schwenkrahmen nach 1
- 3: das Gesamtaggregat in perspektivische Ansicht.
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Die Ansicht des Schwenkrahmen 2 nach 1 zeigt die funktionsbestimmenden Bauteil der Vorrichtung zur dynamischen Kraftverstärkung elektro-mechanisch eingetragener Kräfte.
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Die Einleitung der zu verstärkenden Kraft erfolgt im vorliegenden Beispiel über einem Antriebsmotor mit direkten kinematischen Eingriff über das Antriebsrad 11 auf die Wippe 3 in Form eines oszillierenden Kraftimpulses.
Die Krafteinleitung kann auch, wie Variante „A“ zeigt, mittels Spannbänder 14 erfolgen. Dazu ist das Antriebsrad 11 als Doppelspule ausgelegt, auf dem die Spannbänder 14 mit gegenläufiger Wickelrichtung aufgewickelt sind. Ihre Befestigung an der Wippe 3 erfolgt mittels Spannschlösser 15, womit ein spielfreier Antrieb gewährleistet ist.
Bei Variante „B“ erfolgt ein direkter Antrieb der Wippe 3 durch einen formgeometrisch angepassten Linearmotor 16, der am Grundgestell 1 verankert ist.
Variante „C“ zeigt beispielhaft einen Antrieb der Wippe 3 mit zwei gegenläufigen Antriebsmotoren und entsprechenden Freilaufrädern 11 und 11'. Ihre Ansteuerung und Übertragung des Kraftimpulses erfolgt, wie für alle Varianten, gleichartig.
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Der Kraftimpuls wird von der Wippe 3 über den Brückenbügel 2.2 und Rahmenunterzug 2.1 auf den Schwenkrahmen 2 übertragen. Damit wird die in der Mitte der Kreuzstreben 2.3 (s. 2) im Lagerstuhl 5.1 gelagerte Lagerwelle 5 gegenüber ihrer lotrechten Nullstellung gemeinsam mit der angekoppelten asymmetrischen Schwungmasse 6 ausgeschwenkt. Die Schwungmasse 6 in Drehrichtung wird, soweit sie ausserhalb des Schwerpunktes S1 bzw. S2 der Umlaufbahn liegt, so wird sie dem physikalischen Prinzip der Schwerkraft folgend wie auf einer schiefen Ebene in Richtung Schwerpunkt S1 bzw. S2
in Bewegung versetzt. In der Startphase kann dieser Drehimpuls zusätzlich oder generell durch das Abtriebsorgan, hier dem Generatoraggregat 8 in Motorstatus unterstützt werden.
Dadurch, dass sich der Neigungswinkel α des Schwenkrahmen 2 und damit die Rotationsebene der zwangsgeführten Schwungmasse 6 entsprechend des eingegebenen oszillierenden Kraftimpulses kontinuierlich ändert, verlagert sich zwangsläufig der Schwerpunkt der Schwungmasse 6 in Drehrichtung. Verfolgt man diesen Bewegungsablauf, so überwindet die Schwungmasse 6 durch die entfaltete kinetische Schwerkraftenergie den Schwerpunkt S1 bzw. S2 der Kreisumlaufbahn und folgt der ansteigenden Kreisbahnseite. Ab einem Kreisbahnwinkel β von annähernd 45° nach Passage des Schwerpunktes S1 bzw. S2 (Schwerpunktachs), wie in 2 angezeigt, erreicht die rotierende Schwungmasse 6 den Umschaltpunkt I bzw. II. Ab diesen Abschnitt ist der Verlauf der Kreisbahn zwischen den Schwerpunkten S1 und S2 in der Wechselphase relativ flach, so dass sich die Schwungmasse 6 ohne nennenswerten Energieschub über die Schwenkachse 18 hinweg auf die neue sich einstellende Neigungsebene der Kreisumlaufbahn zubewegt. Entsprechend der Zunahmen des Neigungswinkel α wird erneut ein Drehimpuls aus der Schwerkraftenergie initiiert und die Schwungmasse 6 in ihrer Drehrichtung beschleunigt. Dieser Funktionsablauf wiederholt sich bei jedem Umlauf der Schwungmasse 6 zweifach. Das von der umlaufende Schwungmasse 6 entfalteten Drehmoment ist dann an der Lagerwelle 5 als potenziertes Drehmoment abgreifbar. D. h., dass dieses Drehmoment um ein mehrfaches größer ist als der eingangsseitig eingetragene Kraftimpuls.
Bisherige Versuche belegen, das ein Vervielfachungsfaktor von größer 10 erreichbar ist. Begrenzt wird der Vervielfältigungsgrad letztendlich durch die konstruktive Auslegung der Vorrichtung und der Beherrschbarkeit der von der umlaufenden Schwungmasse erzeugten Fliehkräfte,
Das an der Lagerwelle 5 abgreifbare Drehmoment wird, wie 2 zeigt, über das Zugmittelgetriebe 7 an das Generatoraggregat 8 zur Verstromung übertragen.
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Zur Gewehrleistung einer ausreichenden Laufruhe und zur Absicherung eines störungsfreien Dauerbetriebes sind zusätzlich Ausgleichsgewichte 4 unterhalb des Schwenkrahmen 2 an der Rahmenbrücken 2.2 angeordnet. Sie bewirken in Ruhestellung, dass der Schwenkrahmen 2 eine nahezu horizontale Nulllage einnimmt und so das Wiederanfahren erleichtert.
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Die Darstellung nach 2 zeigt in der Draufsicht die unter den Kreuzstreben 2.3 des Schwungrahmen 2 die zwangsrotierend gelagerte asymmetrische Schwungmasse 6 mit dem kleineren Kontergewicht 6.1. Im Schnittpunkt der Kreuzstreben 2.3 ist der Lagerstuhl 5.1 für die lotrecht zum Schwungrahmen 2 angeordnete Lagerwelle 5 der Schwungmasse 6. Der Schwenkrahmen 2 selbst ist über die Schwenkachse 10 nach beiden Seiten kippfähig im Grundgestell 1 gelagert. Die Funktion wurde oben bereits beschrieben. Die in 1 dargestellte Rahmen-Baugruppe 2.1, 2.2 mit Wippe 3, den Ausgleichsgewichte 4 und dem Generatoraggregat 8 sind Fluchtgleich zur Schwenkrichtung angeordnet.
Unterhalb der Schwungmasse 6 und Rahmenunterzug 2.1 befindet sich das Zugmittelgetriebe 7 zum Antrieb des Generatoraggregates 8. Das Zugmittelgetriebe 7 kann als formschlüssiges Ketten-, Zahnriemen- oder kraftschlüssiges Riemengetriebe oder auch als Zahnradgetriebe ausgeführt sein.
Entsprechend dem in 1 abgehandelten Funktionsablauf sind die jeweiligen Umkehrpunkte I und II des Schwenkrahmen 2 für die umlaufend Schwungmasse 6 und wirkende Schwerkraft bezogen auf die Schwerpunkte S1 bzw. S2 markiert. Sie liegen jeweils in Drehrichtung der Schwungmasse 6 bei einem Kreisbahnwinkel β von etwa 45 Grad nach Passage des entsprechenden Schwerpunktes S1 bzw. S2. Mit Passage dieser Umkehrpunkt I bzw. II erfolgt eine Wechsel der Neigungsrichtung des Schwenkrahmen 2. Damit wird die Schwungmasse 6 in der vorgegebenen Drehrichtung entsprechend der wirkenden Schwerkraft zum weiteren fortlaufenden Bahnumlauf gezwungen.
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3 zeigt die komplette Ausgerüstete Vorrichtung in einer perspektivischen Darstellung. Es besteht aus einem offenen Grundgestell 1 kompakter kubischer Struktur. Innerhalb der offenen oberen Seite ist der Schwenkrahmen 2 um die Schwenkachse 10 im Grundgestell 1 schwenkbar eingesetzt. Am oberen Ende der Lagerwelle 5 ist der Drehzahlgeber 9 aufgesetzt. Der oszillierende Antrieb des Schwenkrahmen 2 mit Schwungmasse 6 erfolgt über die als Wippe 3 ausgebildete Segmentscheibe, die mit dem Antriebsmotor 12 im kinematischen Eingriff steht. Der Antrieb kann, wie oben angesprochen, gleichermaßen nach den in 1 skizzierten Variante „A“, „B“ oder auch „C“ erfolgen. Zur Dämpfung des Amplitudenausschlages des Schwenkrahmen 2 sind zwischen dem Schwenkrahmen 2 und dem Grundgestell 1 zusätzliche Dämpfungselemente 13, vorzugsweise Neudymmagnete oder Federelemente, vorgesehen. Sie unterstützen einen elastischen Richtungswechsel der Kippbewegung des Schwenkrahmen 2 ohne Reibungskontakt. Wie Versuchsläufe gezeigt haben, wird durch die Anordnung dieser Dämpfungselemente 13 wird im Betrieb die Amplitude des schwingenden Schwenkrahmen 2 verringert und in überraschender Weise die Antriebsenergie deutlich abgesenkt.
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Die Eingangsenergie wird leistungsbezogen als oszillierender Kraftimpuls vom Motor 12 über das Antriebsrad 11 (s.1) an die Wippe 3 in das vorbeschriebene System eingegeben. Der Abgriff der potenzierten Energie erfolgt als Drehmoment an der Lagerwelle 5 und wird vorzugsweise über das kinematisch angekoppelten Generatoraggregat 8 zum weiteren Verbrauch verstromt. Zu Antrieb kann elektrische Energie aus alternativen Energiequellen genutzt werden. Damit ist weitestgehend ein autonomer Betrieb möglich. Auch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als transportables und/oder mobiles System einsetzbar.
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Literatur:
- /1/ Mühlenfeld, J.
„Dreh-Schwingkreisel“
Bericht aus dem Institut für Schwingungsforschung der Frauenhofer - Gesellschaft Tübingen
Abhandlung der Braunschweigischen Gesellschaft, Bd 20, S. 126 - 164
Friedrich Vieweg & Sohn-Verlag1968
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Bezugszeichenliste
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| 1 |
Grundgestell |
| 2 |
Schwenkrahmen |
| |
2.1 |
Rahmenunterzug |
| |
2.2 |
Rahmenbrügel |
| |
2.3 |
Kreuzstrebe |
| 3 |
Wippen |
| 4 |
Ausgleichsgewicht |
| 5 |
Lagerwelle |
| |
5.1 |
Lagerstuhl |
| 6 |
Schwungmasse |
| |
6.1 |
Kontergewicht |
| 7 |
Zugmittelgetriebe |
| 8 |
Generatoraggregat |
| 9 |
Drehzahlgeber |
| 10 |
Schwenkachse |
| 11 |
Antriebsmotor |
| 12 |
Antriebsrad |
| 13 |
Dämpfungselement |
| 14 |
Spannband |
| 15 |
Spannschloss |
| 16 |
Linearmotor |
| 17 |
Antriebsrad mit Freilauf |
| 18 |
Schwerkraftachse |
| |
| S1 |
Schwerpunkt |
| S2 |
Schwerpunkt |
| |
| I, II |
Umkehrpunkt |
| |
| α |
Bahnneigungswinkel |
| β |
Bahnumlaufwinkel |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 0010003367 A1 [0002]
- DE 1901234 A1 [0003]
- DE 19712542 C2 [0004]
- WO 2016/163631 A1 [0005]
