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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung.
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Bei vielen technischen Anwendungen ist es erforderlich, eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung umzuwandeln. Beispiele dafür sind Fahrzeuge aller Art, nämlich Landfahrzeuge, Wasserfahrzeuge und Luftfahrzeuge, deren Antrieb als Brennkraftmaschine oder Elektromotor ausgebildet ist.
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Derartige Fahrzeuge besitzen in den meisten Fällen einen rotierenden Antrieb. Bei Landfahrzeugen werden durch den rotierenden Antrieb Räder angetrieben, die sich auf einem Untergrund abwälzen. Wenn sich das Fahrzeug in einem Fluid wie Luft oder Wasser bewegt, wird das Fluid zumeist durch einen Propeller beschleunigt und bezogen auf das Fahrzeug nach hinten bewegt. Dadurch wird eine Schubkraft erzeugt, die das Fahrzeug in die entgegengesetzte Richtung, d. h. nach vorne, bewegt.
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Es sind jedoch auch spezielle Anwendungen denkbar, insbesondere in der Raumfahrt, bei denen weder ein Untergrund noch ein Fluid vorhanden ist. Üblicherweise werden dabei Raketenantriebe oder andere auf dem Rückstoßprinzip basierende Antriebe eingesetzt. Derartige Antriebe sind jedoch aufwendig aufgebaut, zudem muss jeweils ein entsprechender Treibstoffvorrat mitgeführt werden, der nicht beliebig vergrößert werden kann.
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Es besteht daher Bedarf an einer Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung, die einfach aufgebaut ist und auch bei Abwesenheit eines Untergrunds oder eines Fluids wie Luft oder Wasser einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung vorgesehen, umfassend: einen Antrieb, eine mit dem Antrieb verbundene drehbare Abtriebswelle, wenigstens zwei Schwungarme, die an einem mit der Abtriebswelle fest verbundenen Grundkörper um eine zur Abtriebswelle senkrechte Drehachse schwenkbar gelagert sind, ein Mittel zum Zurückziehen der um ihre Drehachse ausgelenkten Schwungarme in eine Ausgangsstellung, in der die Schwungarme zumindest näherungsweise parallel zur Abtriebswelle ausgerichtet sind, und einen Controller, um den Antrieb einzuschalten oder auszuschalten oder die Drehzahl und/oder die Drehrichtung des Antriebs zu steuern oder zu regeln.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Translation eines Fahrzeugs oder allgemein eine Translation eines Gegenstands auch dadurch erzielt werden kann, dass eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung umgewandelt wird. Eine Rotationsbewegung kann auf vielfältige Weise erzeugt werden, beispielsweise mittels eines elektrischen Antriebs oder mittels einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung ermöglicht es, diese Rotationsbewegung in eine Translation umzuwandeln, selbst wenn kein Medium wie Luft oder Wasser vorhanden ist.
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Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung wenigstens zwei Schwungarme auf, die an dem mit der Abtriebswelle verbundenen Grundkörper um eine zur Abtriebswelle senkrechte Schwenkachse schwenkbar gelagert sind. Die Funktion der Vorrichtung ist dabei derart, dass die Schwungarme bei einer sich drehenden Abtriebswelle um ihre Schwenkachse nach außen geschwenkt werden. Bei dieser Verschwenkung wird eine Kraftkomponente erzeugt, die die Vorrichtung parallel zur Abtriebswelle beschleunigt. Auf diese Weise wird die gesamte Vorrichtung entlang der durch die Abtriebswelle und die Verschwenkrichtung der Schwungarme definierten Richtung bewegt.
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Ein Schwungarm kann wenigstens eine Schwungmasse aufweisen, die zum Beispiel als Punktmasse ausgebildet ist. Die Schwungmasse ist vorzugsweise am Ende des Schwungarms angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst das Mittel zum Zurückziehen eines um seine Schwenkachse ausgelenkten Schwungarms in eine Ausgangsstellung, in der der Schwungarm zumindest näherungsweise parallel zur Abtriebswelle ausgerichtet ist. Durch das Zurückziehen des Schwungarms wird dieser wieder in seine Ausgangsstellung zurück bewegt, wobei die Schwenkbewegung bis zum Stillstand verlangsamt wird. Anschließend kann der Bewegungsablauf bzw. der Zyklus, d. h. die beschleunigte Drehung der Abtriebswelle durch den Antrieb und die darauf folgende negative Beschleunigung, d.h. die Abbremsung, wiederholt werden. Auf diese Weise kann eine Vorwärtsbewegung und eine Wiederholung des Bewegungsablaufs bzw. des Zyklus' der Vorrichtung durch diskontinuierliches Antreiben der Abtriebswelle erfolgen. Nach dem Auslenken der Schwungarme um die Drehachse werden diese jeweils wieder zurückgezogen, bis sie sich wieder in der Ausgangsstellung befinden.
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Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Controller, um den Antrieb einzuschalten oder auszuschalten oder die Drehzahl und/oder die Drehrichtung des Antriebs zu steuern oder zu regeln. Der Begriff „Controller“ wird in dieser Anmeldung als Synonym für eine Steuerungseinrichtung verwendet. Im einfachsten Fall kann der Antrieb gesteuert eingeschaltet und wieder ausgeschaltet werden. Die Einschaltdauer wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Schwungarme vollständig ausgelenkt werden. Die Ausschaltdauer wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Schwungarme vorzugsweise durch das Mittel zum Zurückziehen der Schwungarme vorzugsweise wieder in die Ausgangsstellung zurückgezogen werden. Die Zeitdauer des Einschaltens und des Ausschaltens kann durch den Controller entsprechend angepasst werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Mittel zum Zurückziehen eines ausgelenkten Schwungarms als Scharniergelenk oder biegsames Schwungarmgelenk ausgebildet ist. Das Schwungarmgelenk besitzt dieselbe Funktion wie ein Scharniergelenk. Sowohl das Scharniergelenk als auch das Schwungarmgelenk können durch einen Motor antreibbar sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass das Mittel zum Zurückziehen eines ausgelenkten Schwungarms Federelemente aufweist, wobei jedem Schwungarm ein Federelement zugeordnet ist, das einerseits an dem Schwungarm oder an der Schwungmasse und andererseits an einer entlang der Abtriebswelle verschiebbar angebrachten und in Bewegungsrichtung angeordneten Führung befestigt ist, wobei das Federelement zum Erzeugen einer auf den Schwungarm einwirkenden und entlang der Abtriebswelle in Richtung der Führung gerichteten Zugkraft ausgebildet ist, durch die die Schwungarme in die Ausgangsposition zurück bewegt werden.
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Vorzugsweise umgibt die Führung die Abtriebswelle. Die Führung ist entlang der Abtriebswelle bewegbar, d.h. verschiebbar. Die Führung wird beim Einschalten des Antriebs durch die mit den Schwungarmen rotierenden Federelemente entlang der Abtriebswelle in Richtung des Grundkörpers bewegt. Die Führung kann beispielsweise als Ring ausgebildet sein, der auf der Abtriebswelle axial verschiebbar ausgebildet ist. Das Vorsehen eines bzw. mehrerer Federelemente zum Zurückziehen eines ausgelenkten Schwungarms bietet den Vorteil, dass die Funktion des „Zurückziehens“ auf diese Weise besonders einfach realisiert werden kann. Derartige Federelemente sind kostengünstig erhältlich. Beim Auslenken des Schwungarms durch die drehende Abtriebswelle werden die Federelemente gespannt und dienen als Speicher für potentielle Energie. Durch Reduzieren der Drehzahl des Antriebs oder beim Ausschalten des Antriebs reduziert sich der Drehimpuls der Schwungarme. Unter der Wirkung der in den Federelementen gespeicherten Energie werden die Schwungarme wieder in die Ausgangsstellung zurückgezogen, in der die Schwungarme zumindest näherungsweise parallel zur Abtriebswelle ausgerichtet sind.
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Vorzugsweise befindet sich im Bereich des Endabschnitts des jeweiligen Schwungarms eine Schwungmasse. Vorzugsweise besteht die Schwungmasse aus einem Material mit hoher Dichte, beispielsweise aus Stahl, Blei oder Wolfram. Durch das Vorsehen der Schwungmassen kann die Länge des Schwungarms und somit der Bauraum der gesamten Vorrichtung verringert werden.
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Im Hinblick auf den Antrieb wird es bevorzugt, dass dieser als elektrischer Antrieb ausgebildet ist, dessen Drehrichtung umgekehrt werden kann. Alternativ kann der Antrieb auch als Wärmekraftmaschine ausgebildet sein. Die Bewegungsrichtung der Vorrichtung ändert sich bei der Umkehrung der Drehrichtung jedoch nicht.
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Die Schwungarme sind bezüglich der Abtriebswelle so angeordnet, dass die rotierenden Massen der erfindungsgemäßen Vorrichtung so verteilt sind, dass entweder keine Unwucht auftritt oder soweit wie möglich vermieden wird. Dadurch ergibt sich ein Momentengleichgewicht, sodass sichergestellt ist, dass die gewünschte Translationsbewegung durch die Schwungarme bzw. Schwungmassen vibrationsarm erzeugt wird.
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Eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass der Auslenkwinkel eines Schwungarms näherungsweise 90° beträgt. Der Schwungarm bewegt sich somit in einem Winkelbereich von etwa 0° bis etwa 90°. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf einem Untergrund eines Fahrzeugs drehbar gelagert sein, sodass das Fahrzeug in jede gewünschte Richtung bewegt werden kann.
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Der Controller der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dazu ausgebildet sein, den Motor periodisch einzuschalten und auszuschalten oder periodisch die Drehzahl und/oder die Drehrichtung zu ändern, um die Vorrichtung entlang einer zur Abtriebswelle parallelen Richtung zu bewegen. Durch gezieltes Steuern des Einschalt- und Ausschaltvorgangs kann die Bewegung der Vorrichtung so optimiert werden, dass eine hohe Translationsgeschwindigkeit und ein geringer Energieverbrauch realisiert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Schwungarme sich in der Ausgangsstellung befinden;
- 2 die in 1 gezeigte Vorrichtung, deren Schwungarme ausgelenkt sind und sich in der Endstellung befinden;
- 3 zwei Ausführungsbeispiele von als Motor ausgebildeten Antrieben, mit denen die erfindungsgemäße Vorrichtung antreibbar ist;
- 4 den Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Antriebsdrehzahl über dem Weg;
- 5 den Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Antriebsdrehzahl über der Zeit;
- 6 den Verlauf der Antriebsdrehzahl und der Fahrzeuggeschwindigkeit über dem Weg ohne Reibung oder bei geringer Reibung;
- 7 eine Anordnung mit vier Paaren von Antrieben, die synchron und in entgegengesetzten Richtungen drehen;
- 8 den Verlauf der Antriebsdrehzahlen der Anordnung von 7 über der Zeit;
- 9 ein Ausführungsbeispiel mit an den Abtriebswellen angebrachten Torsionsfedern;
- 10 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, deren Schwungarme ein Tragflügelprofil oder ein Propellerprofil besitzen; und
- 11 eine Darstellung der auf die Schwungarme wirkenden Kräfte einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 umfasst einen Antrieb 2, der in diesem Fall als Elektromotor ausgebildet ist. Der Antrieb 2 ist mit einer Abtriebswelle 3 verbunden, die im eingeschalteten Zustand in Drehung versetzt bar ist. Die Drehrichtung der Abtriebswelle 3 kann umkehrbar sein. Ein schematisch dargestellter Controller 4, der auch als Steuerungseinrichtung bezeichnet werden kann, dient zum Einschalten und Ausschalten des Antriebs 2, sowie zum Steuern oder Regeln der Drehzahl und/oder der Drehrichtung.
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Ein fest mit der Abtriebswelle 3 verbundener Grundkörper 5 weist eine Durchgangsöffnung 6 auf, die von der Abtriebswelle 3 durchsetzt wird. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers 5 ist jeweils ein Schwungarm 7, 8 drehfest angebracht. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch mehr als zwei Schwungarme vorhanden sein, beispielsweise drei, vier, acht, zwölf oder mehr Schwungarme. Die Anzahl der Schwungarme kann eine gerade oder eine ungerade Zahl sein. Bei einer Drehung der Abtriebswelle 3 werden auch die Schwungarme 7, 8 in Drehung versetzt. Jeder Schwungarm 7, 8 weist an seinem Ende eine Schwungmasse 9, 10 auf. 1 zeigt die beiden Schwungarme 7, 8 in der Ausgangsstellung, in der sie sich in einer zur Abtriebswelle 3 parallelen Position befinden.
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Jeder Schwungarm 7, 8 ist über ein Gelenk 11, 12 mit dem Grundkörper 5 gekoppelt und um eine zur Zeichenebene senkrechte Drehachse bezüglich der Abtriebswelle 3 nach außen schwenkbar. Ausgehend von der in 1 gezeigten Ausgangsstellung ist der obere Schwungarm 8 um etwa 90° im Uhrzeigersinn und der untere Schwungarm 7 um etwa 90° gegen den Uhrzeigersinn schwenkbar. Jedem Schwungarm 7, 8 ist ein Federelement 13, 14 zugeordnet, das in diesem Ausführungsbeispiel als Spiralzugfeder ausgebildet ist. Ein Ende der Federelemente 13, 14 ist jeweils an der Schwungmasse 9, 10 und das andere Ende ist jeweils an der Führung 15 befestigt.
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An dem dem Motor 2 entgegengesetzten Ende der Abtriebswelle 3 ist eine Führung 15 angeordnet. Die näherungsweise kreisförmige Führung 15 weist eine Durchgangsöffnung 16 auf und ist verschiebbar auf der Abtriebswelle 3 angeordnet. In der in 1 gezeigten Ausgangsstellung der Schwungarme 7, 8 sind die Federelemente 13, 14 entspannt.
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Die Funktion der Vorrichtung 1 ist wie folgt: Beim Einschalten des Antriebs 2 wird die Abtriebswelle 3 in Rotation versetzt. Bei einer Drehung der Abtriebswelle 3 werden auch der Grundkörper 5 und die Führung 15 gedreht. Dadurch entsteht eine auf die Schwungarme 7, 8 und die an ihren Enden angebrachten Schwungmassen 9, 10 wirkende Fliehkraft. Unter der Wirkung der Fliehkraft werden die Schwungarme 7, 8 um die durch die Gelenke 11, 12 gebildeten jeweiligen Drehachsen verschwenkt. Unter dem Einfluss der Fliehkraft bewegen sich somit die beiden Schwungarme 7, 8 aus der in 1 gezeigten Ausgangsstellung in die in 2 gezeigte Endstellung, in der sich die beiden Schwungarme 7, 8 an zwei entgegengesetzten Seiten des Grundkörpers 5 befinden und gemeinsam eine gerade Linie bilden. Während der Bewegung von der Ausgangsstellung in die Endstellung werden die beiden als Spiralzugfedern ausgebildeten Federelemente 13, 14 gespannt. In diesem Zustand, während der Antrieb 2 eingeschaltet ist und die Schwungarme 7, 8 rotieren, besitzen die an den Schwungarmen 7, 8 angebrachten Schwungmassen 9, 10 kinetische Energie, während in den gespannten Federelementen 13, 14 auch potentielle Energie gespeichert ist.
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Die Bewegung der Schwungarme 7, 8 um ihre Drehachse kann in eine Komponente entlang der Abtriebswelle 3 und eine dazu senkrechte, tangentiale Komponente zerlegt werden. Die Komponente entlang der Abtriebswelle 3 erzeugt als Reaktion einen Impuls in die entgegengesetzte Richtung. Wenn sich die Schwungarme 7, 8 von der in 1 gezeigten Ausgangsstellung in die in 2 gezeigte Endstellung bewegen, bewirkt dieser Impuls, dass sich die gesamte Vorrichtung in der Ansicht von 2 nach links bewegt. Auf diese Weise kann die gesamte Vorrichtung 1, einschließlich des Antriebs 2 und des Controller 4, parallel zu ihrer Abtriebswelle 3 verschoben werden.
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Wenn in diesem Zustand der Antrieb 2 durch den Controller 4 ausgeschaltet wird, geht die Drehzahl der Antriebswelle 3 auf null zurück. Die gespannten Federelemente 13, 14 bewirken, dass die Schwungarme 7, 8 um die Gelenke 11, 12 in die in 1 gezeigte Ausgangsposition zurück geschwenkt werden. Anschließend kann der Antrieb 2 unter der Steuerung des Controllers 4 wieder eingeschaltet werden, sodass der Vorgang wiederholt wird und die Vorrichtung 1 wiederum entlang der Antriebswelle 3 weiterbewegt wird.
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3 zeigt zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele von als Motor ausgebildeten Antrieben 17, mit denen die in den 1 und 2 gezeigte Vorrichtung antreibbar ist. Der in 3 links dargestellte Antrieb 17 umfasst einen Torus, d.h. einen kreissegmentförmigen Hohlzylinder 18, der an einer Stelle unterbrochen ist. Im Inneren des Hohlzylinders 18 befinden sich zwei Kolben 19, 20, die durch eine Kolbenstange 21 miteinander verbunden sind. Die Kolbenstange 21 ist als Zahnstange ausgebildet und weist radial außen ein Zahnstangenprofil auf. Die Kolbenstange 21 ist entlang ihrer Längsrichtung in dem Hohlzylinder 18 bewegbar.
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An der Position, an der der Hohlzylinder 18 unterbrochen ist, befindet sich eine Abtriebswelle 22, die mit einem Zahnrad 23 versehen ist. Das Zahnrad 23 kämmt mit der als Zahnstange ausgebildeten Kolbenstange 21.
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In 3 erkennt man, dass im Inneren des Hohlzylinders 18 eine Trennwand 24 angeordnet ist, die sich an derjenigen Position, an der der Hohlzylinder 18 unterbrochen ist, befindet. An beiden Seiten der Trennwand 24 befinden sich Spiralfedern 25, 26, deren eines Ende jeweils an der Trennwand 24 befestigt ist.
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Der in 3 rechts dargestellte Antrieb 17 umfasst einen geraden Zylinder 18. Innerhalb des Zylinders 18 ist eine mit den Kolben 19, 20 verbundene gerade Kolbenstange 21 hin und her beweglich angeordnet. Die Kolben 19, 20 bewegen sich somit unter Umkehrung ihrer Bewegungsrichtung in Längsrichtung des Zylinders 18. Jedem Kolben 19, 20 ist eine Spiralfeder 25, 26 zugeordnet, die sich zwischen dem Kolben 19, 20 und der jeweiligen Stirnwand 24 des Zylinders 18 befindet. Die Kolbenstange 21 ist als Zahnstange ausgebildet und kämmt mit dem Zahnrad 23, das durch die Bewegung der Kolbenstange 21 gedreht wird. Das Zahnrad 23 treibt die Abtriebswelle 22 an, die Bestandteil einer in den 1 und 2 beschriebenen Vorrichtung ist. Der die Kolbenstange 21 aufweisende Antrieb 17 dient somit als Antrieb der Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung. Im Übrigen entspricht die Funktion des in 3 rechts dargestellten Antriebs 17 dem in 3 links dargestellten Antrieb 17.
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Der Antrieb 17 bzw. dessen Kolben 19, 20 können beispielsweise durch ein magnetisches Feld oder thermodynamisch angetrieben werden. Die dazu benötigte Energie kann von einer Batterie stammen, die durch Solarzellen gespeist wird. Wenn der Antrieb 17 eingeschaltet wird, bewegen sich die beiden über die Kolbenstange 21 gekoppelten Kolben 19, 20 im Inneren des Hohlzylinders 18. Die als Zahnstange ausgebildete Kolbenstange 21 dreht dabei das Zahnrad 23 der Abtriebswelle 22. Da die Abtriebswelle 22 Bestandteil einer in den 1 und 2 beschriebenen Vorrichtung ist, wird diese Vorrichtung durch die Drehung der Abtriebswelle 22 axial, entlang der Richtung der Abtriebswelle 22, bewegt. Dementsprechend wird die Drehbewegung des Antriebs 17 in eine lineare Bewegung umgewandelt. Wenn der Kolben 20 gegen die Spiralfeder 26 stößt, wird diese komprimiert und speichert potentielle Energie. Wenn die Drehrichtung des Antriebs 17 umgekehrt wird, wird die in der Spiralfeder 26 gespeicherte potentielle Energie wieder in Bewegungsenergie umgewandelt. Dadurch wird die aus der Kolbenstange 21 und den Kolben 19, 20 bestehende Einheit beschleunigt, wodurch die Abtriebswelle 22 ebenfalls in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird. Die damit gekoppelte Vorrichtung wird somit in Bewegungsrichtung bewegt. So kann eine Resonanzfrequenz erreicht werden, daneben kann auch die Effizienz gesteigert werden. Auf diese Weise werden beide Kolben hin und her bewegt. Diese Bewegung der Kolbenstange 21 wird durch die Spiralfedern 25, 26 begrenzt, die mit einem ihrer Enden an der Trennwand 24 anliegen.
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4 ist eine schematische Darstellung und zeigt den Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) der Vorrichtung bzw. der Antriebsdrehzahl (n) über dem Weg (s). Der Weg ist auf der waagerechten Achse aufgetragen, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Antriebsdrehzahl sind auf der senkrechten Achse dargestellt.
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In 4 erkennt man, dass die Antriebsdrehzahl (n) periodisch ansteigt und wieder auf null absinkt. Die Antriebsdrehzahl, d. h. die Drehzahl der in den 1 und 2 gezeigten Abtriebswelle 3, wird durch den Antrieb 2 bestimmt, der durch den Controller 4 gesteuert wird. In 4 gibt die gestrichelte Linie eine Drehung der Abtriebswelle 3 und somit der Schwungmassen in die entgegengesetzte Richtung an.
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Die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) steigt beim Einschalten des Antriebs 2 zunächst an. Nach dem Ausschalten des Antriebs 2 fällt die Geschwindigkeit näherungsweise linear bis zum Stillstand zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jedem Zyklus.
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5 ist eine ähnliche Darstellung wie 4, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und die Antriebsdrehzahl (n) über der Zeit dargestellt sind. Auf der waagerechten Achse ist die Zeit (t) aufgetragen, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Antriebsdrehzahl sind auf der senkrechten Achse dargestellt. Die Verläufe der Antriebsdrehzahl und der Fahrzeuggeschwindigkeit sind ähnlich wie in 4, sodass an dieser Stelle auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
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6 ist eine ähnliche Darstellung wie 4 und zeigt den Verlauf der Antriebsdrehzahl (n) und der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) über dem zurückgelegten Weg (s), wobei der Einfluss der Schwerkraft vernachlässigt wurde. Daneben wird davon ausgegangen, dass die Massenträgheit der Schwungmasse und der Schwungarme in Bezug auf das Fahrzeug gering ist, während die positiven und negativen Beschleunigungen hoch sind und dass keine oder nur eine geringe Reibung vorhanden ist. In 6 erkennt man, dass unter diesen Umständen der von der Vorrichtung zurückgelegte Weg mit jedem Zyklus zunimmt. Das bedeutet, dass auch die Geschwindigkeit der Vorrichtung mit jedem Zyklus zunimmt, dasselbe gilt für den jeweils zurückgelegten Abschnitt des Wegs.
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7 ist eine schematische Darstellung und zeigt eine Anordnung 27, die mehrere Antriebe M1-M8 umfasst, bei denen es sich um die Antriebe 2 der in den 1 und 2 beschriebenen Art handelt. Jeweils zwei Antriebe sind paarweise miteinander verbunden und werden mittels eines Controllers 4 gesteuert. Vorzugsweise werden zwei zusammengehörige Antriebe, beispielsweise die Antriebe M1 und M2, so gesteuert, dass sie sich synchron, jedoch in entgegengesetzte Richtungen drehen. Es sind insgesamt vier derartige Controller 4 vorhanden, die mit einer Leit- oder Gruppensteuerung 28 verbunden sind. Die insgesamt acht Antriebe M1-M8 und somit alle acht Vorrichtungen wirken alle in derselben Fortbewegungsrichtung des Fahrzeugs.
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8 zeigt den Verlauf der Antriebsdrehzahl über der Zeit, wobei die Zeit auf der waagerechten Achse und die Antriebsdrehzahl auf der senkrechten Achse eingetragen ist. Indem die einzelnen Paare M1+M2, M3+M4, M5+M6 und M7+M8 der Antriebe zeitlich versetzt eingeschaltet werden, wird auch die Antriebswelle von den jeweiligen Paaren der Antriebe zeitlich versetzt beschleunigt. Auf diese Weise ergibt sich eine „geglättete“ gleichmäßige Beschleunigung des Fahrzeugs und ein ruckfreier Betrieb.
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9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem an zwei Abtriebswellen 3 jeweils eine Torsionsfeder 29 angebracht ist. Die übrigen Komponenten entsprechen denjenigen von 1. Ein Ende der Torsionsfeder 29 ist fest mit dem Gehäuse des Antriebs 2 oder eines Fahrzeugs verbunden. Die beiden Abtriebswellen 3 sind einem Paar der Antriebe zugeordnet, beispielsweise dem Paar M1 +M2. Bei einer Drehung der Abtriebswelle 3 in eine Richtung wird eine der Torsionsfedern 29 gespannt, bei einer Drehung in die entgegengesetzte Richtung wird die Abtriebswelle 3 unter der Wirkung der in der gespannten Torsionsfeder 29 gespeicherten Energie beschleunigt, während die Torsionsfeder 29 entspannt wird. Gleichzeitig wird die andere Torsionsfeder 29 gespannt. Dadurch kann eine die Effektivität steigernde Resonanzschwingung erzeugt werden.
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10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Vorrichtung 30 Schwungarme 7, 8 besitzt, die wie eine Tragfläche profiliert sind. Im oberen Teil von 10 ist ein Querschnitt eines Schwungarms gezeigt, der an seiner Unterseite eine gerade Fläche und an seiner Oberseite eine nach außen gewölbte Fläche aufweist. Die Schwungarme 7, 8 sind so ausgebildet, dass die Tragflächen in der durch die Pfeile 31 angezeigten Richtung angeströmt werden. Die Drehzahl der Schwungarme 7, 8 kann von dem Controller 4 beliebig gesteuert werden. Durch die Schwungmasse der Schwungarme 7, 8 kann die Vorrichtung 30 auf diese Weise entlang der durch die Abtriebswelle 3 festgelegten Richtung und in Ergänzung zur Wirkung des Tragflügelprofils bewegt werden.
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11 ist eine Darstellung der auf die Schwungarme 7, 8 wirkenden Fliehkräfte 32, 33, die durch die Schwenkbewegung der Schwungarme um deren jeweilige Drehachse hervorgerufen werden. Jede Fliehkraft 32, 33 kann in eine durch Pfeile dargestellte Kraftkomponente entlang des Schwungarms 7, 8 und eine dazu senkrechte Kraftkomponente zerlegt werden. Die Kraftkomponente entlang des Schwungarms 7, 8 kann wiederum in eine ebenfalls durch einen Pfeil dargestellte Kraftkomponente 34, 35 parallel zur Abtriebswelle 3 und senkrecht dazu zerlegt werden. Die beiden zur Abtriebswelle 3 senkrechten Kraftkomponenten heben einander auf. Die Kraftkomponenten 34, 35 parallel zur Abtriebswelle 3 bewirken die Vorwärtsbewegung der Vorrichtung und definieren die Bewegungsrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Antrieb
- 3
- Abtriebswelle
- 4
- Controller
- 5
- Grundkörper
- 6
- Durchgangsöffnung
- 7
- Schwungarm
- 8
- Schwungarm
- 9
- Schwungmasse
- 10
- Schwungmasse
- 11
- Gelenk
- 12
- Gelenk
- 13
- Federelement
- 14
- Federelement
- 15
- Führung
- 16
- Durchgangsöffnung
- 17
- Antrieb
- 18
- Hohlzylinder
- 19
- Kolben
- 20
- Kolben
- 21
- Kolbenstange
- 22
- Abtriebswelle
- 23
- Zahnrad
- 24
- Trennwand
- 25
- Spiralfeder
- 26
- Spiralfeder
- 27
- Anordnung
- 28
- Leit- oder Gruppensteuerung
- 29
- Torsionsfeder
- 30
- Vorrichtung
- 31
- Pfeil
- 32
- Fliehkraft
- 33
- Fliehkraft
- 34
- Kraftkomponente
- 35
- Kraftkomponente
