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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Schwungräder, und insbesondere eine automatische Fliehkraftbremse zur Steuerung der Drehzahl eines Schwungrades.
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Hintergrund
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In den letzten Jahrzehnten ist der Einsatz von Energiespeichersystemen, um eine optimale Ausnützung der Energie in Maschinen zu gewährleisten, immer populärer geworden. Solche Energiespeichersysteme können Energie in einem oder mehreren drehenden Schwungrädern speichern, die durch einen verbundenen Motor oder einen Generator beschleunigt oder verzögert werden. Die gespeicherte Energie kann dann zum Betreiben einer Maschine auf kosteneffektive Weise eingesetzt werden.
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Im Fall einer Überdrehzahl eines Motors können die aus Stahl hergestellten Schwungräder in große ballistische Teile zerbrechen. Um dieses Problem abzuschwächen, haben regulatorische Behörden, etwa die Society of Automotive Engineers (SAE), bestimmte Belastbarkeitsnormen für Schwungräder festgelegt. Zum Beispiel wird ein Schwungrad als geeignet für die Verwendung in Maschinen angesehen, wenn das Schwungrad mit dem 2,5-Fachen einer Nenndrehzahl betrieben werden kann. Um bei dem 2,5-Fachen der Nenndrehzahl zu arbeiten, muss das Schwungrad jedoch so konstruiert werden, dass es dem 6,25-Fachen einer normalen konstruktiven Belastung standhält, wenn man in Betracht zieht, dass die Belastung in dem Schwungrad sich proportional mit dem Quadrat der Drehzahl des Schwungrades erhöht. Solche Begrenzungen beeinträchtigen die Konstruktion und Herstellung der Schwungräder und beeinflussen die Energiespeicherfähigkeiten der Schwungräder.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Vorrichtung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Motor, eine Einrichtung mit zumindest einem zylindrischen Abschnitt, der eine Innenwand mit einem Innendurchmesser aufweist, eine drehbare Welle, die mit dem Motor wirkverbunden ist und innerhalb des und koaxial mit dem zumindest einen zylindrischen Abschnitt der Einrichtung gelagert ist, ein Rad mit einem Außendurchmesser, das konzentrisch um die Welle herum montiert ist, wobei der Innendurchmesser des zumindest einen zylindrischen Abschnitts der Einrichtung größer ist als der Außendurchmesser des Rades, und zumindest zwei Fliehkraftbremsanordnungen, die an dem Rad in der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt montiert sind, wobei jede Fliehkraftbremsanordnung ein Bremselement umfasst, das schwenkbar um das Rad an einem nahen Ende montiert ist und zumindest eine gekrümmte Reibungsfläche an einem fernen Ende aufweist, einen Nocken, der schwenkbar um das Rad an einem ersten Ende montiert ist und in gleitendem Kontakt mit dem Bremselement steht, sowie eine Feder, die zwischen einem zweiten Ende des Nockens und einem an dem Rad montierten Zapfen verbunden ist, und wobei das Bremselement, der Nocken und die Feder zusammenwirken, um die gekrümmte Reibungsfläche des Bremselements in den Kontakt mit der Innenwand des zumindest einen zylindrischen Abschnitts der Einrichtung zu drehen, wenn eine Drehzahl der Welle einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Vorrichtung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Welle, ein Rad mit einem Außendurchmesser, das konzentrisch an der Welle montiert ist, und einen Zylinder, der koaxial mit dem Rad ist und eine Innenwand mit einem Innendurchmesser aufweist. Der Innendurchmesser des Zylinders ist größer als der Außendurchmesser des Rades. Die Vorrichtung umfasst zumindest zwei Fliehkraftbremsanordnungen, die an dem Rad in der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt montiert sind. Jede Fliehkraftbremsanordnung umfasst ein Bremselement, das schwenkbar an dem Rad an einem nahen Ende montiert ist und zumindest eine gekrümmte Reibungsfläche an einem fernen Ende aufweist, sowie einen Nocken, der schwenkbar an dem Rad an einem ersten Ende montiert ist und in gleitendem Kontakt mit dem Bremselement steht. Jede Fliehkraftbremsanordnung umfasst ferner eine Feder, die zwischen einem zweiten Ende des Nockens und einem an dem Rad montierten Zapfen verbunden ist. Das Bremselement, der Nocken und die Feder wirken zusammen, um die gekrümmte Reibungsfläche des Bremselements in den Kontakt mit der Innenwand des Zylinders zu drehen, wenn eine Drehzahl der Welle einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Vorrichtung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Welle, ein Rad mit einem Außendurchmesser, das konzentrisch an der Welle montiert ist, und einen Zylinder, der koaxial mit dem Rad ist und eine Innenwand mit einem Innendurchmesser aufweist. Der Innendurchmesser des Zylinders ist größer als der Außendurchmesser des Rades. Die Vorrichtung umfasst auch zumindest zwei Fliehkraftbremsanordnungen, die an dem Rad in der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt montiert sind. Jede Fliehkraftbremsanordnung umfasst ein Bremselement, das schwenkbar an dem Rad an einem nahen Ende montiert ist und zumindest eine gekrümmte Reibungsfläche an einem fernen Ende aufweist, sowie einen Nocken, der schwenkbar an dem Rad an einem ersten Ende montiert ist und in gleitendem Kontakt mit dem Bremselement steht. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Federring zur Verbindung von Nocken der zumindest zwei Fliehkraftbremsanordnungen. Das Bremselement, der Nocken und der Federring wirken zusammen, um die gekrümmten Reibungsflächen der Bremselemente in den Kontakt mit der Innenwand des Zylinders zu drehen, wenn eine Drehzahl der Welle einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet.
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Weitere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen klar werden.
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Figurenliste
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Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Beschreibung aufgenommen sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen eine oder mehrere beispielhafte Ausführungsformen und erläutern zusammen mit der Beschreibung die Ausführungsformen. Die beigefügten Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabgetreu. Ferner dienen alle Werte oder Dimensionen in den beigefügten Zeichnungen rein der Veranschaulichung und können tatsächliche oder bevorzugte Werte oder Dimensionen darstellen oder auch nicht. Sofern anwendbar können ein oder alle ausgewählten Merkmale nicht veranschaulicht werden, um die Beschreibung und das Verständnis darunterliegender Merkmale zu erleichtern.
- 1 ist eine schematische Ansicht eines Rades mit automatischen Fliehkraftbremsen in einem ersten Betriebsmodus gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine schematische Ansicht des Rades mit den automatischen Fliehkraftbremsen in einem zweiten Betriebsmodus gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung mit dem Rad mit den automatischen Fliehkraftbremsen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; und
- 4 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung mit dem Rad mit den automatischen Fliehkraftbremsen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen dargelegte Beschreibung soll eine Beschreibung verschiedener Ausführungsformen des beschriebenen Gegenstandes bilden, und soll nicht unbedingt die einzige(n) Ausführungsform(en) darstellen. In bestimmten Fällen umfasst die Beschreibung spezifische Details zu dem Zweck, ein Verständnis des beschriebenen Gegenstands zu ermöglichen. Dem Fachmann wird jedoch klar sein, dass Ausführungsformen auch ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In manchen Fällen können an sich bereits bekannte Strukturen und Komponenten in Form von Blockdiagrammen dargestellt sein, um eine Verschleierung der Konzepte des beschriebenen Gegenstandes zu verhindern. Wo immer dies möglich ist, werden innerhalb der Zeichnungen entsprechende oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder entsprechende Teile zu verweisen.
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Jeglicher Verweis in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, ein Aufbau, eine Struktur, eine Eigenschaft, eine Operation oder Funktion, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben wird, von zumindest einer Ausführungsform umfasst wird. Somit sind die unterschiedlichen Vorkommen der Phrasen „in einer Ausführungsform“ in der Beschreibung nicht unbedingt Bezugnahmen auf immer dieselbe Ausführungsform. Ferner können die bestimmten Merkmale, Strukturen, Eigenschaften, Operationen oder Funktionen auf beliebige geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden, und es ist beabsichtigt, dass Ausführungsformen des beschriebenen Gegenstandes auch Modifikationen und Variationen der beschriebenen Ausführungsformen abdecken (oder abdecken können).
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Es ist auch anzumerken, dass Formen im Singular wie „ein/e“ und „der/die/das“, wie sie in der Beschreibung, den beigefügten Ansprüchen und der Zusammenfassung verwendet werden, auch die Verweise auf den Plural miteinschließen, außer dies wird durch den Kontext eindeutig auf andere Weise diktiert. Das heißt, wenn es nicht auf andere Weise deutlich definiert wird, beinhalten die Worte „ein“, „eine“ und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, die Bedeutung von „ein/e/s oder mehrere.“ Außerdem sollte klar sein, dass Begriffe wie „links“, „rechts“, „auf“, „ab“, „oberste/r“, „unterste/r“, „vordere/r“, „hintere/r“, „Seite“, „Höhe“, „Länge“, „Breite“, „ober/er,“ „unter/er,“ „innen“, „außen“, „innere/r“, „äußere/r“ und dergleichen, die hierin verwendet werden können, nur Bezugspunkte beschreiben und die Ausführungsformen des beschriebenen Gegenstandes keinesfalls auf eine bestimmte Orientierung oder Konfiguration beschränken. Darüber hinaus identifizieren Begriffe wie „erste/r“, „zweite/r“, „dritte/r“ etc. nur eine einer Reihe von Abschnitten, Komponenten, Bezugspunkten, Operationen und/oder Funktionen, wie sie hierin beschrieben werden, und sollen in ähnlicher Weise die Ausführungsformen des beschriebenen Gegenstandes keinesfalls auf eine bestimmte Orientierung oder Konfiguration beschränken.
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Allgemein ausgedrückt können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Vorrichtung mit einem Schwungrad umfassen. Zusätzlich zu dem Schwungrad können einige Ausführungsformen der Vorrichtung zumindest eine Getriebeeinrichtung umfassen, die wirkmäßig mit dem Schwungrad gekoppelt ist, und die ein Rad (oder eine Scheibe) mit zumindest zwei automatischen Fliehkraftbremsen, die an dem Rad oder darin montiert sind, umfassen können. Das Rad kann konzentrisch an einer Welle montiert sein. Jede automatische Fliehkraftbremse kann ein Bremselement mit zumindest einer gekrümmten Reibungsfläche, einen Nocken in gleitendem Kontakt mit dem Bremselement, und eine Feder umfassen, die den Nocken mit einem Zapfen verbindet, der an dem Schwungrad montiert ist. Das Bremselement, der Nocken und die Feder können zusammenwirken, um die gekrümmte Reibungsfläche des Bremselements in den Kontakt mit einem Zylinder zu drehen, der koaxial mit dem Rad ist, wenn eine Drehzahl der Welle einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet. Daher kann eine Drehzahl des Schwungrades gesteuert werden, was die Möglichkeit eines Versagens des Schwungrades aufgrund einer Überdrehzahl verringert.
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1 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Rades 100 mit zumindest zwei automatischen Fliehkraftbremsen 102 in einem ersten Betriebsmodus gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In einer Ausführungsform können die zumindest zwei automatischen Fliehkraftbremsen 102 austauschbar als „automatische Fliehkraftbremsen 102“ und „Fliehkraftbremsanordnungen 102“ bezeichnet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In einer Ausführungsform können die Fliehkraftbremsanordnungen 102 individuell als „Fliehkraftbremsanordnung 102-1“ und „Fliehkraftbremsanordnung 102-2“ bezeichnet werden.
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In einer Ausführungsform kann das Rad 100 mit den Fliehkraftbremsanordnungen 102 in einer Vorrichtung (ein Beispiel ist in 3 dargestellt) eingesetzt werden, die auch einen Motor 302 (in 3 dargestellt) und eine wirkmäßig mit dem Motor gekoppelte drehbare Welle 106 umfassen kann.
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Die Welle 106 kann in einem Zylinder 108 und koaxial damit gelagert sein. Der Zylinder 108 kann eine Innenwand 110 mit einem Innendurchmesser „D1“ umfassen. In einer Ausführungsform kann die Welle 106 wirkmäßig mit einer Kurbelwelle 304 (in 3 dargestellt) des Motors 302 gekoppelt sein, um Drehleistung von diesem zu empfangen.
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Das Rad 100 kann konzentrisch an der Welle 106 montiert sein. Daher kann das Rad 100 auch koaxial mit dem Zylinder 108 sein. Das Rad 100 kann einen Außendurchmesser „D2“ aufweisen. Der Innendurchmesser „D1“ des Zylinders 108 kann größer sein als der Außendurchmesser „D2“ des Rades 100. In einer Ausführungsform kann das Rad 100 austauschbar auch als das „erste Rad 100“ bezeichnet werden. In einigen Ausführungsformen kann das Rad 100 ein Schwungrad sein.
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3 veranschaulicht eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 300 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 300 kann einen Motor 302, eine Kurbelwelle 304, eine erste Riemenscheibe 314, eine zweite Riemenscheibe 315, einen Riemen 306, eine Welle 307, ein erstes Getriebe 312, einen oder mehrere Zusatzvorrichtungen 324, eine Getriebeeinrichtung 308 und ein Schwungrad 320 umfassen. Die Getriebeeinrichtung 308 kann ferner den Zylinder 108 (der ein integraler Bestandteil der Getriebeeinrichtung 308 sein kann, oder eine fest innerhalb der Getriebeeinrichtung 308 montierte Komponente sein kann), eine Kupplung 310, die Welle 106, das Rad 100, zwei oder mehr Fliehkraftbremsanordnungen 102 und einen zweiten Getriebekasten 313 umfassen. Das Rad 100 kann konzentrisch an der Welle 106 montiert sein, und die Fliehkraftbremsanordnungen 102 können innerhalb des oder an dem Rad 100 montiert sein.
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In einigen Ausführungsformen kann der Motor 302 ein Verbrennungsmotor sein. Zum Beispiel kann der Motor 302 ein Funkenzündungsmotor oder ein Kompressionszündungsmotor sein, etwa ein Dieselmotor, ein Homogen-Kompressionszündungsmotor, ein reaktivitätsgesteuerter Kompressionszündungsmotor und andere Kompressionszündungsmotoren, die in der Technik bekannt sind. Ferner kann der Motor 302 dazu ausgestaltet sein, mit Kraftstoffen wie Benzin, Dieselkraftstoff, Biodiesel, Alkohol, Erdgas und einer Kombination davon betrieben zu werden. Der Motor 302 kann in einigen Ausführungsformen ein DC- oder AC- Elektromotor sein.
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Der Motor 302 kann einen Motorblock umfassen, der eine Vielzahl von Zylindern darin umfassen kann (nicht dargestellt). In einer Ausführungsform können die Zylinder in verschiedenen Konfigurationen angeordnet sein, darunter, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine Reihenkonfiguration, eine V-Konfiguration, eine radiale Konfiguration und eine umlaufende Konfiguration. Ferner kann ein Kolben gleitend innerhalb eines jeden der Zylinder angeordnet sein, um zwischen einem entsprechenden oberen Totpunkt (nicht dargestellt) und einem entsprechenden unteren Totpunkt (nicht dargestellt) zu oszillieren. Der Kolben kann ferner mit der Kurbelwelle 304 über eine Pleuelstange (nicht dargestellt) verbunden sein, welche die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 304 umsetzt.
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In einigen Ausführungsformen kann die Kurbelwelle 304 wirkmäßig mit der ersten Riemenscheibe 314 gekoppelt sein, die den Riemen 306 antreiben kann, der wiederum die zweite Riemenscheibe 315 drehen kann. Die zweite Riemenscheibe 315 kann konzentrisch an der Welle 307 montiert sein, so dass die Drehung der zweiten Riemenscheibe 315 die Welle 307 drehen kann. Die erste Riemenscheibe 314, die zweite Riemenscheibe 315 und der Riemen 306 können dazu ausgestaltet sein (durch Auswahl der Größe der beiden Riemenscheiben), die Welle 307 mit einer Drehzahl zu drehen, die höher oder niedriger sein kann als die Drehzahl der Kurbelwelle 304. Die Welle 307 kann wirkmäßig mit dem ersten Getriebekasten 312 gekoppelt sein, der ferner mit einer oder mehreren Zusatzeinrichtungen 324 gekoppelt sein kann. In einigen Ausführungsformen kann die Welle 307 auch wirkmäßig mit der Getriebeeinrichtung 308 gekoppelt sein.
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In einigen Ausführungsformen kann die Kupplung 310 dazu ausgestaltet sein, die Welle 106 selektiv mit der Welle 307 zu koppeln. Die Welle 106 kann wirkmäßig mit dem zweiten Getriebekasten 313 gekoppelt sein, der wiederum wirkmäßig mit dem Schwungrad 320 gekoppelt sein kann.
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Da das Schwungrad 320 mit dem zweiten Getriebekasten 313 in der Getriebeeinrichtung 308 gekoppelt ist, kann das Schwungrad 320 sich ebenfalls drehen. Während der Drehung kann das Schwungrad 320 Drehenergie (kinetische Energie) aufgrund des Drehträgheitsmoments speichern. Das Schwungrad 320 kann dazu geeignet sein, die darin gespeicherte Drehenergie an verschiedene Systeme zu liefern. In einigen Ausführungsformen kann das Schwungrad 320 eingesetzt werden, um eine konstante Winkelgeschwindigkeit der Welle 307 aufrecht zu erhalten. In einigen Ausführungsformen kann das Schwungrad 320 aus Materialien wie Aluminium, Eisen, Stahl, und Kohlenstofffaser hergestellt sein.
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In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Zusatzeinrichtungen 324 einen Generator zur Zufuhr von Leistung an einen elektrischen Antrieb oder eine andere elektrische Einrichtung umfassen. Der Generator kann ein AC-Generator, ein DC-Generator oder ein beliebiger anderer in der Technik bekannter Typ von elektrischem Generator sein. In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Zusatzeinrichtungen 324 einen Kompressor für HLK-Systeme, ein Getriebesystem, eine Hydraulikpumpe oder eine andere Einrichtung umfassen, die verwendet werden kann, um eine Funktion unter Verwendung der Drehleistung auszuführen, die von dem Motor 302 und/oder Schwungrad 320 empfangen wird. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Riemenscheibe 315 einen Kupplungsmechanismus umfassen, der das Verbinden oder Trennen der Riemenscheibe von der Welle 307 betätigen kann, so dass, wenn der Motor abgestellt wird (zum Beispiel zur Erfüllung einer Antileerlaufvorschrift), die Energie von dem Schwungrad 320 weiter durch das Zentrum der zweiten Riemenscheibe 315 auf den ersten Getriebekasten 312 und dann an die eine oder die mehreren Zusatzeinrichtungen 324 übertragen wird.
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Ferner können die Fliehkraftbremsanordnungen 102 in oder an dem Rad 100 montiert sein, um eine Drehzahl des Rades 100 und des Schwungrades 320 zu begrenzen. Die Fliehkraftbremsanordnungen 102 können gleichmäßig in einer Umfangsrichtung an dem Rad 100 verteilt sein. Jede der Fliehkraftbremsanordnungen 102 kann dazu geeignet sein, in dem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus zu arbeiten. In dem ersten Betriebsmodus kann eine Fliehkraftbremsanordnung 102 dazu geeignet sein, aus dem Zylinder 108 auszurücken. Andererseits kann in dem zweiten Betriebsmodus die Fliehkraftbremsanordnung 102 dazu geeignet sein, in den Zylinder 108 einzurücken.
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Erneut bezugnehmend auf 1, um dies zu verdeutlichen, sind in der vorliegenden Ausführungsform zwei Fliehkraftbremsanordnungen 102, die individuell als „Fliehkraftbremsanordnung 102-1“ und „Fliehkraftbremsanordnung 102-2“ bezeichnet werden, wie dargestellt an dem Rad 100 montiert. Es können jedoch mehr als zwei Fliehkraftbremsanordnungen 102 an dem Rad 100 montiert werden, auf Grundlage verschiedener Faktoren. Solche Faktoren können einschließen, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein: die Größe einer Bremsfläche zwischen jeder der Fliehkraftbremsanordnungen 102 und dem Zylinder 108, und die Bremskraft, die nötig ist, um die Drehzahl des Schwungrades 320 zu begrenzen.
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In 1 können die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 und die Fliehkraftbremsanordnung 102-2 in dem ersten Betriebsmodus sein, d. h., aus dem Zylinder 108 ausgerückt. Die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 kann ein Bremselement 112-1, einen Nocken 114-1 in gleitendem Kontakt mit dem Bremselement 112-1, und eine Feder 116-1 umfassen, die zwischen dem Nocken 114-1 und einem ersten Zapfen 118-1, der an dem Rad 100 montiert ist, verbunden ist. Das Bremselement 112-1 kann ferner ein nahes Ende 120-1 und ein fernes Ende 122-1 umfassen. An dem nahen Ende 120-1 kann das Bremselement 112-1 um einen ersten Zapfen 118-1 schwenkbar an dem Rad 100 montiert sein. An dem fernen Ende 122-1 kann das Bremselement 112-1 zumindest eine gekrümmte Reibungsfläche 124-1 umfassen.
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Ferner kann der Nocken 114-1 ein erstes Ende 126-1 und ein zweites Ende 128-1 von dem ersten Ende 126-1 entfernt umfassen. An dem ersten Ende 126-1 kann der Nocken 114-1 schwenkbar an dem Rad 100 um einen zweiten Zapfen 130-1 montiert sein. Der Nocken 114-1 kann in Bezug auf das Bremselement 112-1 positioniert sein, um den gleitenden Kontakt mit dem Bremselement 112-1 herzustellen und die Bewegung des Bremselements 112-1 in dem ersten Betriebsmodus zu begrenzen. Ferner kann die Feder 116-1 zwischen dem zweiten Ende 128-1 des Nockens 114-1 und dem ersten Zapfen 118-1, der an dem Rad 100 montiert ist, verbunden sein. Insbesondere an dem zweiten Ende 128-1 kann die Feder 116-1 mit einem dritten Zapfen 132-1 verbunden sein, der dazu geeignet sein kann, die Schwenkbewegung des Nockens 114-1 zu begrenzen. In einer Ausführungsform kann die Feder 116-1 eine Schraubenfeder sein.
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In ähnlicher Weise kann die Fliehkraftbremsanordnung 102-2 ein Bremselement 112-2, einen Nocken 114-2 in gleitendem Kontakt mit dem Bremselement 112-2, und eine Feder 116-2 umfassen, die zwischen dem Nocken 114-2 und einem ersten Zapfen 118-2, der an dem Rad 100 montiert ist, verbunden ist. Das Bremselement 112-2 kann ferner ein nahes Ende 120-2 und ein fernes Ende 122-2 umfassen. An dem nahen Ende 120-2 kann das Bremselement 112-2 um einen ersten Zapfen 118-2 schwenkbar an dem Rad 100 montiert sein. Ferner kann das Bremselement 112-2 an dem fernen Ende 122-2 eine gekrümmte Reibungsfläche 124-2 umfassen.
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In einer Ausführungsform kann der Nocken 114-2 ein erstes Ende 126-2 und ein zweites Ende 128-2 von dem ersten Ende 126-2 entfernt umfassen. An dem ersten Ende 126-2 kann der Nocken 114-2 schwenkbar an dem Rad 100 um einen zweiten Zapfen 130-2 montiert sein. Der Nocken 114-2 kann in Bezug auf das Bremselement 112-2 positioniert sein, um den gleitenden Kontakt mit dem Bremselement 112-2 herzustellen und die Bewegung des Bremselements 112-2 in dem ersten Betriebsmodus zu begrenzen. Ferner kann die Feder 116-2 zwischen dem zweiten Ende 128-2 des Nockens 114-2 und dem ersten Zapfen 118-2, der an dem Rad 100 montiert ist, verbunden sein. Insbesondere an dem zweiten Ende 128-2 kann die Feder 116-2 mit einem dritten Zapfen 132-2 verbunden sein, der dazu geeignet sein kann, die Schwenkbewegung des Nockens 114-2 zu begrenzen. In einer Ausführungsform kann die Feder 116-2 eine Schraubenfeder sein.
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In einer Ausführungsform können das Bremselement 112-1 und das Bremselement 112-2 zusammenfassend als die „Bremselemente 112“ bezeichnet werden. In ähnlicher Weise können der Nocken 114-1 und der Nocken 114-2 zusammenfassend als „Nocken 114“ bezeichnet werden. In einer Ausführungsform können mehrere Anschläge 134 an dem Rad 100 montiert sein, um die Bewegungen der Bremselemente 112 und der Nocken 114 zu begrenzen. Wie gezeigt können die Anschläge 134 um jedes der Bremselemente 112 und der Nocken 114 herum angeordnet sein. Die Anschläge 134 können individuell als „Anschlag 134-1“, „Anschlag 134-2“, „Anschlag 134-3“ und „Anschlag 134-n“ bezeichnet werden. In einer Ausführungsform können die Anschläge 134 die Bewegung der Bremselemente 112 und der Nocken 114 begrenzen, wenn die Fliehkraftbremsanordnungen 102 in dem ersten Betriebsmodus sind.
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2 veranschaulicht eine schematische Ansicht des Rades 100 mit den Fliehkraftbremsanordnungen 102 in dem zweiten Betriebsmodus, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Rad 100 so dargestellt, dass es sich in eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn dreht. Der Kürze halber werden die Details der Fliehkraftbremsanordnungen 102 in 2 in Bezug auf die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 erläutert. Der Fachmann wird erkennen, dass diese Details der Fliehkraftbremsanordnung 102-1 gleichermaßen auf die Fliehkraftbremsanordnung 102-2 anwendbar sind, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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In dem zweiten Betriebsmodus kann die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 dazu geeignet sein, in den Zylinder 108 einzurücken. Durch Einrücken in den Zylinder 108, der feststehend ist, kann die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 die Drehzahl des Rades 100 verringern, oder kann das Rad 100 ganz daran hindern, sich zu drehen. In einer Ausführungsform kann die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus schalten, auf Grundlage der Drehzahl der Welle 106.
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In einer Ausführungsform kann, wenn die Drehzahl der Welle 106 einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet, die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 aus dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus schalten, d. h., in den Zylinder 108 einrücken. In einer Ausführungsform kann der erste vorbestimmte Wert auf der Grundlage von Parametern bestimmt werden, die, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, umfassen können: eine Masse des Bremselements 112-1, eine Masseverteilung des Bremselements 112-1, eine Gestalt des Bremselements 112-1, Masse und Gestalt des Nockens 114-1, eine Federrate der Feder 116-1, Positionen des Nockens 114-1, des Bremselements 112-1 und der Anschläge 134, einen Abstand zwischen dem Außendurchmesser „D2“ des Rades 100 und dem Innendurchmesser „D1“ des Zylinders 108, und die Reibung zwischen dem Bremselement 112-1 und dem Nocken 114-1.
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Insbesondere können das Bremselement 112-1, der Nocken 114-1 und die Feder 116-1 zusammenwirken, um die gekrümmte Reibungsfläche 124-1 des Bremselements 112-1 in den Kontakt mit der Innenwand 110 des Zylinders 108 zu drehen. In einer Ausführungsform kann, wenn die Drehzahl der Welle 106 den ersten vorbestimmten Wert übersteigt, das Bremselement 112-1 ausfahren, um mit der Innenwand 110 in Eingriff zu gelangen, während der Nocken 114-1 und die Feder 116-1 eine Widerstandskraft gegen das Bremselement 112-1 bereitstellen können. Um das Bremselement 112-1 mit dem Zylinder 108 in Eingriff zu bringen, können der Nocken 114-1 und das Bremselement 112-1 zum Beispiel eine Drehbewegung in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn ausführen. Während diese Drehbewegung in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn ausgeführt wird, kann die gekrümmte Reibungsfläche 124-1 des Bremselements 112-1 mit der Innenwand 110 in Kontakt gelangen und das Rad 100 dadurch bremsen.
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Daher können Fliehkräfte, die auf das Bremselement 112-1 und den Nocken 114-1 wirken, zum Einrücken des Bremselements 112-1 in den Zylinder 108 führen. In einer Ausführungsform kann das Ausmaß des Eingriffs der gekrümmten Reibungsfläche 124 von der Drehzahl der Welle 106 und den auf das Bremselement 112-1 und den Nocken 114-1 wirkenden Fliehkräften abhängen.
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In einer Ausführungsform kann die gekrümmte Reibungsfläche 124-1 des Bremselements 112-1 mit der Innenwand 110 des Zylinders 108 in Eingriff bleiben, bis die Drehzahl der Welle 106 unter eine zweite vorbestimmte Schwelle sinkt. Sobald die Drehzahl der Welle 106 unter die zweite vorbestimmte Schwelle gefallen ist, kann die gekrümmte Reibungsfläche 124-1 von der Innenwand 110 außer Eingriff gebracht werden. Daher kann die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 automatisch rückgestellt werden, indem die gekrümmte Reibungsfläche 124-1 des Bremselements 112-1 von dem Zylinder 108 zurückgezogen wird. In einer Ausführungsform kann die Feder 116-1 zum Rückstellen der Fliehkraftbremsanordnung 102-1 den Nocken 114-1 zurückziehen, der wiederum das Bremselement 112-1 von der Innenwand 110 weg ziehen kann, was zum Ausrücken aus dem Zylinder 108 führt.
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In einer Ausführungsform können die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 und die Fliehkraftbremsanordnung 102-2 unabhängig voneinander zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus schalten. Zum Beispiel kann die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 in dem ersten Betriebsmodus arbeiten, und die zweite Fliehkraftbremsanordnung 102-2 kann in dem zweiten Betriebsmodus arbeiten. Daher kann zum selben Zeitpunkt die Fliehkraftbremsanordnung 102-1 aus dem Zylinder 108 ausgerückt sein, während die Fliehkraftbremsanordnung 102-2 in den Zylinder 108 eingerückt sein kann.
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4 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Abschnittes einer Vorrichtung 400 mit den Fliehkraftbremsanordnungen 402 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 400 kann auch den Zylinder 108, den Motor 302, die Welle 106, das Rad 100 und die Kurbelwelle 304 umfassen oder einschließen, wie dies für die Vorrichtung 300 erläutert wurde, ohne dabei vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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In der vorliegenden Ausführungsform können drei Fliehkraftbremsanordnungen 402 an dem Rad 100 montiert sein. Die drei Fliehkraftbremsanordnungen 402 können individuell als „Fliehkraftbremsanordnung 402-1“, „Fliehkraftbremsanordnung 402-2“und „Fliehkraftbremsanordnung 402-3“ bezeichnet werden.
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Die Fliehkraftbremsanordnung 402-1 kann ein Bremselement 404-1 und einen Nocken 406-1 in gleitendem Kontakt mit dem Bremselement 404-1 umfassen. Das Bremselement 404-1 kann ferner ein nahes Ende 408-1 und ein fernes Ende 410-1 umfassen. An dem nahen Ende 408-1 kann das Bremselement 404-1 schwenkbar an dem Rad 100 um einen ersten Zapfen 412-1 montiert sein. An dem fernen Ende 410-1 kann das Bremselement 404-1 eine gekrümmte Reibungsfläche 414-1 umfassen.
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Ferner kann der Nocken 406-1 ein erstes Ende 416-1 und ein zweites Ende 418-1 von dem ersten Ende 416-1 entfernt umfassen. An dem ersten Ende 416-1 kann der Nocken 406-1 schwenkbar an dem Rad 100 um einen zweiten Zapfen 420-1 montiert sein. Der Nocken 406-1 kann in Bezug auf das Bremselement 404-1 positioniert sein, um den gleitenden Kontakt mit dem Bremselement 404-1 herzustellen und die Bewegung des Bremselements 404-1 in dem ersten Betriebsmodus zu begrenzen. An dem zweiten Ende 418-1 kann ein dritter Zapfen 422-1 an dem Nocken 406-1 montiert sein, um in Zusammenwirkung mit dem Federring 424 die Schwenkbewegung des Nockens 406-1 zu begrenzen.
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In ähnlicher Weise kann die Fliehkraftbremsanordnung 402-2 ein Bremselement 404-2 und einen Nocken 406-2 in gleitendem Kontakt mit dem Bremselement 404-2 umfassen. Das Bremselement 404-2 kann ferner ein nahes Ende 408-2 und ein fernes Ende 410-2 umfassen. An dem nahen Ende 408-2 kann das Bremselement 404-2 schwenkbar an dem Rad 100 um einen ersten Zapfen 412-2 montiert sein. An dem fernen Ende 410-2 kann das Bremselement 404-2 eine gekrümmte Reibungsfläche 414-2 umfassen.
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Ferner kann der Nocken 406-2 ein erstes Ende 416-2 und ein zweites Ende 418-2 von dem ersten Ende 416-2 entfernt umfassen. An dem ersten Ende 416-2 kann der Nocken 406-2 schwenkbar an dem Rad 100 um einen zweiten Zapfen 420-2 montiert sein. Der Nocken 406-2 kann in Bezug auf das Bremselement 404-2 positioniert sein, um den gleitenden Kontakt mit dem Bremselement 404-2 herzustellen und die Bewegung des Bremselements 404-2 in dem ersten Betriebsmodus zu begrenzen. An dem zweiten Ende 418-2 kann ein dritter Zapfen 422-2 an dem Nocken 406-2 montiert sein, um in Zusammenwirkung mit dem Federring 424 die Schwenkbewegung des Nockens 406-2 zu begrenzen.
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In einer Ausführungsform kann die Fliehkraftbremsanordnung 402-3 ein Bremselement 404-3 und einen Nocken 406-3 in gleitendem Kontakt mit dem Bremselement 404-3 umfassen. Das Bremselement 404-3 kann ferner ein nahes Ende 408-3 und ein fernes Ende 410-3 umfassen. An dem nahen Ende 408-3 kann das Bremselement 404-3 schwenkbar an dem Rad 100 um einen ersten Zapfen 412-3 montiert sein. An dem fernen Ende 410-3 kann das Bremselement 404-3 eine gekrümmte Reibungsfläche 414-3 umfassen.
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Ferner kann der Nocken 406-3 ein erstes Ende 416-3 und ein zweites Ende 418-3 von dem ersten Ende 416-3 entfernt umfassen. An dem ersten Ende 416-3 kann der Nocken 406-3 schwenkbar an dem Rad 100 um einen zweiten Zapfen 420-3 montiert sein. Der Nocken 406-3 kann in Bezug auf das Bremselement 404-3 positioniert sein, um den gleitenden Kontakt mit dem Bremselement 404-3 herzustellen und die Bewegung des Bremselements 404-3 in dem ersten Betriebsmodus zu begrenzen. An dem zweiten Ende 418-3 kann ein dritter Zapfen 422-3 an dem Nocken 406-3 montiert sein, um in Zusammenwirkung mit dem Federring 424 die Schwenkbewegung des Nockens 406-3 zu begrenzen.
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In einer Ausführungsform können das Bremselement 404-1, das Bremselement 404-2 und das Bremselement 404-3 zusammenfassend als die „Bremselemente 404“ bezeichnet werden. Der Nocken 406-1, der Nocken 406-2 und der Nocken 406-3 können zusammenfassend als „Nocken 406“ bezeichnet werden. Ferner können der zweite Zapfen 420-1, der zweite Zapfen 420-2 und der zweite Zapfen 420-3 zusammenfassend als „zweite Zapfen 420“ bezeichnet werden. In ähnlicher Weise können der dritte Zapfen 422-1, der dritte Zapfen 422-2 und der dritte Zapfen 422-3 zusammenfassend als die „dritten Zapfen 422“ bezeichnet werden. In einer Ausführungsform können die gekrümmte Reibungsfläche 414-1, die gekrümmte Reibungsfläche 414-2 und die gekrümmte Reibungsfläche 414-3 zusammenfassend als „gekrümmte Reibungsflächen 414“ bezeichnet werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform kann die Vorrichtung 400 einen Federring 424 mit einer inneren Oberfläche 426 und einer äußeren Oberfläche 428, die von der inneren Oberfläche 426 entfernt ist, umfassen. Der Federring 424 kann an den Bremselementen 404 und den Nocken 406 auf solche Weise montiert sein, dass die innere Oberfläche 426 des Federrings 424 in Kontakt mit den dritten Zapfen 422 bleibt. Der Federring 424 kann geeignet sein, die Nocken 406 der Fliehkraftbremsanordnungen 402 miteinander zu verbinden und ihre Wirkungen auszugleichen.
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In einigen Ausführungsformen können die Fliehkraftbremsanordnung 402-1, die Fliehkraftbremsanordnung 402-2 und die Fliehkraftbremsanordnung 402-3 miteinander durch ein Verbindungsgestänge 430 verbunden sein. Das Verbindungsgestänge 430 kann drei Schlitze umfassen, die das Verbindungsgestänge 430 über Zapfen 438-1, 438-2 und 438-3 positionieren, wobei jeder Zapfen fest an dem jeweiligen Bremselement 404-1, 404-2 und 404-3 angeordnet ist. Ferner kann in Ausführungsformen, bei denen die Vorrichtung 400 an dem Ende der Welle 106 montiert sein kann, das Verbindungsgestänge 430 schwenkbar mit einem Zapfen 436 gekoppelt sein, der fest an dem Ende der Welle 106 angebracht ist. In einer alternativen Ausführungsform, bei der die Vorrichtung 400 an einem zentralen Abschnitt der Welle 106 montiert sein kann, kann das Verbindungsgestänge 430 ein Loch umfassen, das groß genug ist, um dem Verbindungsgestänge 430 zu erlauben, um den Umfang der Welle 106 zu schwenken. In solchen Ausführungsformen kann das Verbindungsgestänge 430 angeordnet sein, um den Betrieb der Fliehkraftbremsanordnungen 402 auszugleichen. In alternativen Ausführungsformen kann statt der Schlitze zum Eingriff von Zapfen 438-1, 438-2 und 438-3, das Verbindungsgestänge 430 in der Größe verringert sein und kann zusätzliche Gestängeelemente umfassen, die das Verbindungsgestänge 430 an jeden der Zapfen 438-1, 438-2 und 438-3 anbinden.
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In einigen Ausführungsformen können, wenn die Drehzahl der Welle 106 einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet, die Bremselemente 404, die Nocken 406 und der Federring 424 zusammenwirken, um die gekrümmten Reibungsflächen 414 der Bremselemente 404 in den Kontakt mit der Innenwand 110 des Zylinders 108 zu drehen. Daher schalten die Fliehkraftbremsanordnungen 402 durch den Eingriff mit der Innenwand 110 des Zylinders 108 aus dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus. Wenn ferner die Drehzahl der Welle 106 unter die zweite vorbestimmte Schwelle sinkt, können die gekrümmten Reibungsflächen 414 von der Innenwand 110 außer Eingriff gelangen. Daher wechseln die Fliehkraftbremsanordnungen 402 aus dem zweiten Betriebsmodus zurück in den ersten Betriebsmodus.
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In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 300 eine Vielzahl von Anschlägen 432 umfassen, die an dem Rad 100 montiert sind, um die Bewegungen der Bremselemente 404 und der Nocken 406 zu begrenzen. Wie dargestellt kann jeder der Anschläge 432 um jedes der Bremselemente 404 und jeden der Nocken 406 herum angeordnet sein. Die Anschläge 432 können individuell als „Anschlag 432-1“, „Anschlag 432-2“, „Anschlag 432-3“ und „Anschlag 432-n“ bezeichnet werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung 300 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, etwa jene Vorrichtung, die in 3 veranschaulicht ist, mit Fliehkraftbremsanordnungen, die an einem oder mehreren Rädern oder Schwungrädern montiert sind. In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 300 in einer Maschine (nicht dargestellt) angeordnet sein, die in Industrien wie Bergbau, Steinbrüchen, Bau und Baustellenvorbereitung eingesetzt wird. Solche Maschinen können umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: Straßenmaschinen, geländegängige Maschinen, Erdbewegungsgeräte, Generatoren, Luftfahrtmaschinen, Lokomotiven, Seefahrzeuge und -Ausrüstung, oder beliebige andere bekannte Motor- oder motorangetriebene Komponenten, die in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Ferner kann die Maschine eine manuell betätigte Maschine, eine autonome Maschine oder eine Maschine sein, die in einem manuellen und einem autonomen Modus betätigt werden kann.
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Um die Funktionalitäten der Vorrichtung 300 zu erreichen, können die Fliehkraftbremsanordnungen an den Rädern oder Schwungrädern eines bereits bestehenden Getriebezugs einer beliebigen Maschine montiert werden. Die bereits bestehenden Komponenten der Maschine können nur eine minimale Modifikation benötigen, um die hierin offenbarten Fliehkraftbremsanordnungen zu ermöglichen.
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Die Vorrichtung 300 der vorliegenden Offenbarung ermöglicht es, die Fliehkraftbremsanordnungen an zumindest einem der Räder zu montieren, um die Möglichkeit eines Versagens des zumindest einen der Räder durch Steuern der Drehzahl der Räder und damit der Wellen zu beseitigen. In der Regel weist eine Überdrehzahl der Räder darauf hin, dass entweder der Motor überdreht hat, oder die Kupplung zwischen dem Motor und dem Rad versagt hat, oder aber beides. Die Vorrichtung 300 der vorliegenden Offenbarung schafft ein weiteres Schutzniveau, etwa die Fliehkraftbremsanordnungen, die dazu geeignet sein können, im Fall einer Überdrehzahl der Räder passiv einzurücken.
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Ferner steigt eine Bremsleistung der offenbarten Fliehkraftbremsanordnungen mit dem Quadrat der Drehzahl auf solche Weise, dass die Bremsleistung die Kapazität einer Kupplung kompensieren kann, falls die Kupplung in einem eingerückten Zustand versagt. Zum Beispiel übersteigt in einigen Ausführungsformen die Bremsmomentkapazität der Bremsanordnungen 102 die Drehmomentkapazität der Kupplung 310, so dass bei Eingriff der Bremsanordnungen 102 die Kupplung 310 rutscht. Daher können im Fall einer Überdrehzahl des Motors und dem Versagen der Kupplungsausrückung die Fliehkraftbremsanordnungen Widerstand liefern, um zuerst die Räder zu bremsen, und dann falls erforderlich die Wellen zu brechen, wenn zum Beispiel die Räder über eine Schwellendrehzahl überdreht haben.
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Auch können die hierin offenbarten Fliehkraftbremsanordnungen dazu geeignet sein, automatisch in einen Zylinder einzurücken, sobald die Drehzahl der Welle den ersten vorbestimmten Wert übersteigt. In ähnlicher Weise können die Fliehkraftbremsanordnungen, dazu geeignet sein, automatisch aus dem Zylinder auszurücken, wenn die Drehzahl der Welle unter eine zweite vorbestimmte Schwelle sinkt. Daher wird die manuelle Intervention zum Beispiel zum Betätigen der Fliehkraftbremsanordnungen zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus minimiert.
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Die Effizienz des Rades in Bezug auf die Energiespeicherung wird ebenfalls bedeutend verbessert. Da außerdem die hierin offenbarten Fliehkraftbremsanordnungen an einer Welle, die direkt mit einem Motor verbunden ist, oder alternativ an einer Welle, die in Bezug auf die Motorwelle durch ein Getriebe reduziert wurde, montiert werden können, wird Flexibilität in der Anwendung und den Einsatzmöglichkeiten der Vorrichtung 300 ermöglicht. Da die hierin offenbarten Fliehkraftbremsanordnungen ferner an einer Welle montiert werden können, die in Bezug auf die Motorwelle durch ein Getriebe reduziert wurde (sich also langsamer dreht als die Motorwelle), können Bremsenteile mit geringeren Toleranzen im Vergleich zu Bremsenteilen, die im Falle der Montage an der Motorwelle mit höherer Drehzahl verwendet werden müssten, hergestellt und verwendet werden. Daher bietet die vorliegende Offenbarung die Vorrichtung 300 mit den Fliehkraftbremsanordnungen, die an den Rädern montiert sind, und kompakt, einfach, effektiv, wirtschaftlich und flexibel sind.
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Während Aspekte der vorliegenden Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf die obigen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene zusätzliche Ausführungsformen durch Abwandlung der offenbarten Maschinen, Systeme und Verfahren in Betracht gezogen werden, ohne vom Geist und Umfang des Offenbarten abzuweichen. Solche Ausführungsformen sollen ebenfalls in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen, auf der Grundlage der Ansprüche und jeglicher Äquivalente davon.
