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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für eine Arbeitsmaschine
im Unterwassereinsatz mit einer Kraftübertragungseinrichtung mit Abtriebswelle,
wobei die Kraftübertragungseinrichtung über ein
Seil, an dessen freiem Ende ein Auftriebskörper befestigt ist, in Bewegung
versetzt wird.
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Alle
Schichten des Meeres von der Oberfläche bis tief in die Sedimente
am Meeresgrund sind Gegenstand von Messungen, Probenentnahmen und Experimenten
aller Art. Dabei kommen Messgeräte zur
Erfassung physikalischer, biologischer und chemischer Parameter,
Probennehmer zur Entnahme von Material zu Laboruntersuchungen und
Experimente zur Untersuchung der Wirkungen gezielter Beeinflussung
der Umgebung zum Einsatz. Zum Betrieb dieser Geräte wird Energie benötigt. Hauptenergiekonsumenten
sind Antriebe aller Art, z.B. zum Befüllen und Verschließen von
Probengefäßen, zum Bewegen
von Roboterarmen, zum Verfahren auf dem Meeresgrund und zur Penetration
des Untersuchungsmaterials. Weiterhin wird Energie für den Betrieb
von Lichtquellen für
den Einsatz bildgebender Verfahren, die Sensorik, Datenaufbereitung,
Signalverarbeitung usw. benötigt.
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Während Letztere
ausschließlich
elektrische Energie aus Batterien oder auch leitungsgebunden von
der Oberfläche
benötigen,
können
Antriebe ihre Energie auch aus alternativen Kraftquellen beziehen. Hier
sind insbesondere Federspeicher mit mechanischen oder Gasfedern
zu nennen, die vor dem Einsatz schnell aufgeladen und vor Ort über Reduziereinrichtungen über eine
geplante Zeit an der Arbeitsmaschine langsam wieder entladen werden.
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Batterien
für den
Tiefseeeinsatz müssen druckfest
ausgeführt
werden und sind dadurch, neben Isolationsproblemen in den Bereichen
der Steckverbinder und Leitungen, zusätzlich schwer und teuer. Mechanische
Speicher haben oft aufgrund ihrer Konstruktionsprinzipien ein ungünstiges
Energie-Masse-Verhältnis und
sind teuer. Gegebenenfalls können
sie zum Grundgewicht beitragen und den erforderlichen Ballast verringern.
Eine weitere Form alternativer Kraftquellen stellen Auftriebskörper dar. Ein
in das Wasser gebrachter schwimmfähiger Körper übt eine tiefenunabhängige, nach
oben gerichtete Kraft aus, die zu Antriebszwecken genutzt werden kann.
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Das
archimedische Auftriebsprinzip besagt, dass ein Körper soweit
in das Wasser eintaucht, bis das Gewicht des verdrängten Wassers
dem Gesamtgewicht des eintauchenden Körpers entspricht. Ein Körper mit
einem spezifischen Gewicht größer als Wasser
wird untergehen. Ein unter Wasser gedrückter schwimmfähiger Körper wird
der nach unten drückenden
Kraft die Differenz zwischen dem Gewicht des beim Schwimmen verdrängten und
dem Gewicht des bei vollständigem
Untertauchen verdrängten Wassers
als Auftriebskraft entgegensetzen. Die Auftriebskraft berechnet
sich aus dem Volumen des Aufriebskörpers multipliziert mit dem
spezifischen Gewicht von Wasser abzüglich des Eigengewichtes des Auftriebskörpers. Solange
das Ergebnis positiv ist, liegt eine nach oben gerichtete Kraft
vor. Ist das Ergebnis Null, schwebt der Körper in jeder Wassertiefe kraftlos.
Ist das Ergebnis negativ, sinkt der Körper ab. Bei diesen Betrachtungen
wird zulässig
vernachlässigt,
dass Wasser in geringem Umfang kompressibel ist und je 1000 m Tiefe
um ca. 0,45 % verdichtet wird (Kompressibilität β = 4,4 × 10–10/Pa),
wobei sein spezifisches Gewicht und damit die Auftriebskraft auf
einen nicht bzw. ebenfalls vernachlässigbar gering kompressiblen
Körper
etwas zunimmt. Danach wird also z.B. ein 10 kg schwerer luftgefüllter Hohlkörper mit
40 l Gesamtvolumen in jeder Tiefe eine Auftriebskraft von ca. 294
N bewirken. Diese Kraft steht zur Nutzung selbst über große Wassertiefen,
z.B. 6000 m und mehr, praktisch konstant zur Verfügung
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Antriebe
mit Auftriebskörpern,
kurz Auftriebsantriebe, arbeiten verlustarm, da sie nur Reibungswiderstände und
keine energetischen Umwandlungen zu überwinden haben. Derartige
Auftriebsantriebe können
in allen solchen Medienkombinationen existieren, die eine ausreichende
Differenz der spezifischen Gewichte aufweisen und die die notwendige Bewegung
gestatten. Bei der Medienkombination kann es sich also um zwei Gase,
eine Flüssigkeit
und ein Gas oder auch Vakuum, zwei Flüssigkeiten oder auch eine Flüssigkeit
und einen Festkörper
handeln. Dabei kommen massive Kunststoffe oder ggf. teure syntaktische
Schäume
in Frage. Ebenso sind Auftriebskörper
aus Kompositwerkstoffen denkbar. Naturgemäß wird bei der Kombination
aus einer Flüssigkeit
und einem Gas oder Vakuum die höchste
Auftriebskraft erzielt. Aus praktischen Gründen kommt Auftriebsantrieben
mit Wasser als flüssigem
und Luft als gasförmigem
Medium die größte Bedeutung
zu. Der Auftriebsantrieb stellt von der Wirkungsweise her die Umkehrung
des Gewichtsantriebs, z.B. einer alten Standuhr, dar.
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So
wird zum Beispiel in der Patentschrift
GB 2 190 965 A (Compressed
air or gas powered buoyancy machine) ein kontinuierlich arbeitender
Auftriebsantrieb beschrieben. An einem über zwei Rollen umlaufenden
Band sind einseitig offene Auftriebskörper befestigt. Der Auftriebsantrieb
steht in einem Wassertank und eine der Rollen ist mit einer Abtriebswelle
versehen. Das über
die Rollen umlaufende Band und die Abtriebswelle stellen die Kraftübertragungseinrichtung
dar. Die in Aufwärtsrichtung
unten offenen Auftriebskörper
werden beim Durchlauf durch den unteren Totpunkt mit Druckluft aus
einer von unten in den Wassertank ragenden Leitung befüllt, treiben
das Band solange, bis sie am oberen Totpunkt ihr offenes Ende nach
oben kehren, die Luft verlieren und leer nach unten fahren. Der
ganze Auftriebsantrieb ist auf die ständige Nachförderung von Luft, die z.B.
aus einem Tank unter geringem Druck durch die Leitung unter die
Auftriebskörper
drückt, angewiesen.
Die Maschine arbeitet wirtschaftlich nur, wenn die Luft z.B. als
Abfallprodukt eines anderen Prozesses zur Verfügung steht.
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Aus
der Druckschrift
DE
39 09 154 C2 (Vorrichtung zum Erzeugen einer Drehbewegung
mittels eines in eine Flüssigkeitssäule untergetauchten
und darin aufsteigenden Auftriebskörpers) ist ebenfalls ein kontinuierlich
arbeitender, umlaufender Auftriebsantrieb bekannt. Hier wird die
Arbeitsenergie durch das oben ständig
nachfließende
Wasser geliefert, das unten durch Ablassen des in der für den Wechsel der
luftgefüllten,
nach unten offenen Auftriebskörper notwendigen
Tauchkammer vorhandenen Wassers verloren geht. Die Tauchkammer wird
zur Ankoppelung eines Auftriebskörpers
an das im wassergefüllten
Tank stehende Auftriebsband geflutet und anschließend wieder
abgedichtet. Zum Einschieben eines neuen luftgefüllten Auftriebskörpers von
dem im leeren Tank stehenden Abtriebsband wird die Kammer nach unten
entleert. Auf- und Abtriebsbänder und
die Koppelungselemente bilden die Kraftübertragungseinrichtung. Zumindest
eine der Achsen der die umlaufenden Bänder tragenden Rollen stellt
die Abtriebswelle dar. Die Auftriebsarbeit wird durch Koppelung
der Bänder
vom Auftriebs- auf das Abtriebsband, auf die Mechaniken zum Übersetzen
der Auftriebskörper
vom Auftriebs- auf das Abtriebsband und zum Verschieben der Auftriebskörper vom
Abtriebsband in die Tauchkammer sowie zum Öffnen und Schließen der
Ventile der Tauchkammer aufgeteilt. Allerdings bleibt selbst bei
einiger Größe der gesamten
Anordnung nur noch wenig messbare Antriebsenergie für eine Arbeitsmaschine
an der Abtriebswelle übrig.
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Aus
der
DE 25 29 759 A1 (Vorrichtung
zur Energiegewinnung aus Meereswellen), von der die vorliegende
Erfindung als nächstliegendem
Stand der Technik ausgeht, ist ein Antrieb mit einer schwingungsfähigen Komponente
als Hauptmerkmal bekannt, dem über
die auftriebserzeugenden Meereswellen kontinuierlich Energie zugeführt wird.
Dazu werden Feder- oder Seilsysteme oder auch Gasvolumina durch
den Wellenschlag in Schwingung versetzt. Dabei wird die zugeführte Energie
jedoch ineffizient umgesetzt, da das Schwingungsverhalten relativ
zu den zufälligen
und breit gestreuten Wellen frequenzen zwangsläufig suboptimal ist. Weiterhin
ist die Wellenenergie nicht zuverlässig verfügbar, sondern schwankt in Abhängigkeit
von Wellenamplitude wie auch -frequenz erheblich und kann bei Flaute
sogar ganz zum Erliegen kommen. Es wird daher ein höchstens
im Mittel, nicht aber stets verlässlicher
Antrieb offenbart, der zwar dauerhaft arbeiten kann, dem aber eine
verlustfreie und zeitunabhängige Speicherkomponente
fehlt. Weiterhin beschränkt sich
der Einsatz des bekannten Antriebs auf Flachwassergebiete, da die
Wellenenergie im Wesentlichen nur in den oberflächennahen Wasserschichten abgegriffen
werden kann und eine aufwändige
Unterkonstruktion im Tiefwasser nicht in Frage kommt. Durch die
ständig
erforderliche Nähe
zur Oberfläche weist
der bekannte Antrieb ein erhebliches Risiko bezüglich der Interaktion mit Schiffen,
Fischereinetzen u.ä.
auf, die räumliche
Einsetzbarkeit wird hierdurch drastisch reduziert. Zudem ist der
Antrieb bei Schlechtwetter erheblichen Belastungen ausgesetzt.
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Die
aus der Literatur vorgestellten Auftriebsantriebe arbeiten immer
kontinuierlich und sind auf eine ständige externe Energiezufuhr
angewiesen. Sie weisen offene und damit kompressible Auftriebskörper auf.
Sie können
daher nur in geringen Wassertiefen arbeiten und sind für den wissenschaftlichen Einsatz
am Meeresboden, speziell in größeren bis großen Tiefen,
nicht verwendbar. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
den eingangs beschriebenen Antrieb für eine Arbeitsmaschine im Unterwassereinsatz
mit einer Kraftübertragungseinrichtung
mit Abtriebswelle und einem Auftriebskörper als Energiequelle so weiterzubilden,
dass ein diskontinuierlich arbeitender Antrieb entsteht, der jeweils mit
einer für
einen definierten Arbeitseinsatz unter Wasser benötigten Energiemenge
einmalig geladen werden kann. Der Antrieb soll für alle, insbesondere aber für größere Wassertiefen
geeignet, einfach im Aufbau, sicher und zuverlässig im Betrieb und problemlos
handhabbar sein.
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Zur
Lösung
ist bei einem gattungsgemäßen Antrieb
für eine
Arbeitsmaschine im Unterwassereinsatz deshalb erfindungsgemäß vorgesehen,
dass
- • das
Seil um eine Seiltrommel gewickelt ist, die mit der Abtriebswelle
verbunden ist,
- • an
der Abtriebswelle Kraftentkopplungselemente vorgesehen sind,
- • die
Seiltrommel eine gesteuert lösbare
Verklinkung aufweist, und dass
- • die
gesamte Vorrichtung ein deren gesamte Auftriebskraft überkompensierendes
Gewicht aufweist.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Antrieb
wird ein zuverlässig
arbeitender diskontinuierlicher Antrieb zur Verfügung gestellt, der während des
Ablassens in seine Arbeitstiefe automatisch Energie in einen Energiespeicher
in Form eines Auftriebskörpers
aufnimmt und diese dann im Arbeitseinsatz gesteuert wieder abgibt.
Danach muss eine erneute Aufladung des Energiespeichers erfolgen,
indem der Antrieb wieder an die Wasseroberfläche geholt und das Seil aufgewickelt
wird. Der Antrieb hat einen hohen Wirkungsgrad, da er ohne Energieumwandlung
auskommt, er ist umweltfreundlich, da er mit regenerierbarer Energie
arbeitet und er ist einfach handhabbar. Gegenüber elektrischen Systemen weist
er keinerlei Energieverlust durch Selbstentladung auf und ist deswegen insbesondere
für Langzeiteinsätze gut
geeignet. Der „Antrieb
durch Auftrieb" erfüllt damit
alle Anforderungen an ein modernes Antriebssystem, insbesondere für die experimentelle
Forschung.
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Bei
wissenschaftlichen Experimenten am Meeresboden in hunderten bis
tausenden Metern Tiefe kommt es darauf an, ein geplantes Experiment wissenschaftlich-technisch
korrekt, aber mit geringem Aufwand an Ausrüstung und Energie durchzuführen. Der
logistische Aufwand für
die große
Zahl der an Bord von Forschungsschiffen während der genau terminierten
Forschungsreisen befindlichen Projekten ist groß und jede Einsparung an Kosten
und Schiffszeit willkommen. Darüber
hinaus sind Etats begrenzt und je preiswerter ein Experiment durchgeführt werden
kann, desto vielseitiger kann geforscht werden. Für die Zurverfügungstellung
von Energie in der Tiefsee sind entweder sehr teure und schwere hochdruckfeste
oder druckkompensierte Batterien oder sehr lange, fehleranfällige Zuleitungen
von der Wasseroberfläche
erforderlich. Speziell bei der Kabelvariante wird man in der Regel
die Energieversorgung von Bord eines Forschungsschiffes gewährleisten.
Hierdurch wird das Schiff über
die Dauer des Experimentes gebunden und die sehr kostspielige Schiffszeit
stark beansprucht. Außerdem
ergeben sich besondere Anforderungen hinsichtlich der Manövrierfähigkeit
des Schiffs. Aus diesem Grunde werden kabelgebundene Experimente
stark beschränkt und
der Einsatz von autonom operierenden Systemen bevorzugt. Um Energie
zu sparen, wird bei batteriebetriebenen autonomen Systemen vielfach
auf die besonders aufwändigen
bildgebenden Verfahren zur Steuerung von Experimenten verzichtet
oder nur in größeren Zeitabständen ein
Standbild erzeugt. Sensor- oder zeitgesteuerte, automatisch ablaufende Versuche
werden bevorzugt. In vielen Fällen
wird nur Antriebsenergie zur Betätigung
von Penetrations- oder Verschlussmechanismen, Greifern, Verfahreinrichtungen
oder Roboterarmen benötigt.
Anstelle von teuren elektrischen Motoren mit der Problematik z.B. druckfester
Wellendichtung zur Betätigung
solcher Elemente ist es deshalb die Grundidee der vorliegenden Erfindung,
eine begrenzte, vorab genau kalkulierbare, nicht alternde Quelle
potenzieller Energie zur Verfügung
zu stellen, die über
entsprechende mechanische Übertragungselemente
mechanische Arbeit leisten kann. Dabei erzeugt der Auftriebskörper, der
bei der Erfindung als nicht kompressibler Körper ausgebildet ist, in der
Wassertiefe eine von seiner Größe abhängige Auftriebskraft,
die, über
ein Seil und eine Seilrolle auf eine Abtriebswelle gebracht und
mit mechanischen Steuermitteln versehen, eine ganze Reihe von Aufgaben
erfüllen
kann. Durch das Befestigen des Auftriebskörpers am freien Ende des auf
die Seilrolle aufgerollten, der vorgesehenen Tauchtiefe des Antriebs
entsprechend langen Seils und durch das Ablassen auf den Gewässergrund
wird der erfindungsgemäße Antrieb
mit potenzieller Energie geladen. Dabei ist die gesamte Arbeitsmaschine
durch ihr ohnehin zur sicheren Positionierung am Gewässergrund
erforderliches Grundgewicht durch zusätzlichen Ballast ausreichend schwer,
um die Auftriebskraft beim Absenken zu überwinden. Sofort zu Beginn
des Ablassens entfaltet der Auftriebskörper seine antreibende Auftriebskraft.
Damit dem Experiment am Gewässerboden
die ganze Auftriebsenergie zur Verfügung steht, muss also eine
Einrichtung vorhanden sein, die den Auftriebskörper an der vorzeitigen Abwicklung
des Seils während
des Ablassens hindert und die erst bei Erreichen der Position am
Meeresboden den Auftriebskörper
frei gibt. Geeignet hierzu ist eine Verklinkung, die die Seilrolle
während
des Vorgangs des Ablassens der Arbeitsmaschine zuverlässig sichert.
Nach dem Absetzen am Gewässergrund
wird der erfindungsgemäße Antrieb
durch eine gesteuerte Freigabe der Seilrolle aktiviert und zur Durchführung entsprechend
geplanter und konstruierter Experimente beitragen.
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Die äußere Formgebung
des Auftriebskörpers
ist grundsätzlich
nicht bedingend relevant, dennoch ist es eine vorteilhafte Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Antriebs,
wenn der Auftriebskörper von
zumindest einer handelsüblichen
Auftriebskugel gebildet ist. Derartige Auftriebskugeln sind für die geforderte
Tauchtiefe des Antriebs auf Druckfestigkeit geprüft, verfügen über eine äußere Schutzhülle gegen
Beschädigungen
bei der Handhabung an Bord und über
Ankopplungsstellen für
das Seil. Außerdem sind
sie in verschiedenen Größen kommerziell
erhältlich
und relativ preiswert. Die umsetzbare Antriebsenergie hängt von
dem Gesamtvolumen des Auftriebskörpers,
seinem Eigengewicht, der abwickelbaren Seilstrecke vom Grund bis
maximal an die Gewässeroberfläche und
dem Seilgewicht ab. Dabei kann der Auftriebskörper beispielsweise auch aus mehreren
in beliebiger Anordnung am Seil angeordneten Einzelkörpern gebildet
sein. Sofern das Seil gemäß einer
weiteren Fortführung
der Erfindungidee aus einem weitgehend auftriebsneutralen Material besteht,
geht das Seilgewicht nur geringfügig
in die resultierende Auftriebskraft ein und verursacht kaum Antriebsenergieverlust.
Da ein in allen Tiefen konkret auftriebsneutrales Seilmaterial prinzipiell
nicht zur Verfügung
steht, kann hier z.B. ein Aramid-Seil zum Einsatz kommen, das ein
besonders günstiges
Verhältnis
von Belastbarkeit zu Eigengewicht unter Wasser aufweist.
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Die
vom Auftriebskörper über die
aus dem Seil, der Seilrolle, der Abtriebswelle und den Kraftkopplungselementen
bestehende Kraftübertragungseinrichtung
bereitgestellte Antriebsenergie muss der anzutreibenden Arbeitsmaschine
zugeleitet werden. Dazu kann nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebs
vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Kraftkopplungselemente als
Zahnrad, Keilriemenscheibe, Exzenterscheibe, Nockenscheibe, Kurvenscheibe
oder Schneckenrad ausgebildet sind. Die genannte Auswahl an Kraftkopplungselementen
kann über
allgemein übliche
Verbindungen wie Passfedern, Flansche, angeformte Ritzel usw. formschlüssig oder
durch Pressen oder Kleben kraftschlüssig mit der Abtriebswelle
verbunden sein. Die angegebenen Ausgestaltungsmöglichkeiten sind nur Beispiele
für beliebige,
den Erfordernissen des jeweiligen Experiments und den Gegebenheiten
unter Wasser Rechnung tragenden konstruktiven Kombinationen mechanischer
Elemente. Grundsätzlich kann
jede mechanische Aufgabenstellung bewältigt werden, den Ausführungsformen
sind hier lediglich Aufwandsgrenzen gesetzt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Fortführung
des erfindungsgemäßen Antriebs
kann die Abtriebswelle mit Permanentmagneten bestückt den Rotor
und ein Lager der Abtriebswelle mit Spulen ausgerüstet den
Stator eines elektrischen Generators bilden. Die damit vom Antrieb
nach der Erfindung erzeugbare elektrische Energie von bis zu einigen 100
W kann für
Verbraucher zur Verfügung
stehen, die mit mechanischer Energie nicht arbeiten können, beispielsweise
Einrichtungen der Datenverarbeitung und -übertragung, der Sensorversorgung,
Beleuchtungs- und Bildaufnahmeeinrichtungen und/oder der Steuerung
von Aktoren zur mechanischen Energieverteilung.
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Gemäß weiterer
vorteilhafter Fortführungen des
erfindungsgemäßen Antriebs
kann außerdem vorgesehen
sein, dass die die Kraftübertragungseinrichtung
und den damit verbundenen Auftriebskörper beim Ablassen festhaltende
Verklinkung von einer in ein auf der Abtriebswelle fixiertes Klinkenrad
eingreifenden Verriegelungsklinke gebildet ist, die Verklinkung
durch eine beim Aufsetzen des Antriebs auf einen Gewässergrund
betätigte
Entriegelungseinrichtung automatisch gelöst wird und dass die Entriegelungseinrichtung
eine durch eine Uhrfeder betriebene Verzögerungseinrichtung zur Freigabe
der Verklinkung aufweist. Die Verklinkung dient der Verhinderung
des vorzeitigen Abwickelns des Seils mit dem Auftriebskörper bei
Ablassen der Arbeitsmaschine auf den Gewässergrund. Es ist also eine
beispielsweise durch das Aufsetzen auf den Gewässergrund zuverlässig funktionierende
Entriegelungseinrichtung erforderlich, die die Verklinkung aufhebt.
Durch beim Aufsetzen auf einen Meeresboden verursachte Sedimentverwirbelungen
kann es sinnvoll sein, das Experiment erst nach einer Wartezeit
zu beginnen, d.h. den Antrieb zeitverzögert zu aktivieren. Dazu kann
vorteilhaft eine mechanische Verzögerungseinrichtung, die wie
ein Uhrwerk federbetätigt
abläuft, zwischen
die Entriegelungseinrichtung und die Verklinkung so eingebracht
sein, dass die Entriegelungseinrichtung den Mechanismus der Verzögerungseinrichtung
auslöst
und dieser nach seinem Ablauf das Aufheben der Verklinkung bewirkt.
Eine Auslösung der
Entriegelungseinrichtung durch eine einfache elektronische Gerätesteuerung
mit minimaler Ausstattung an elektrischer Energie ist ebenfalls
möglich.
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Schließlich kann
gemäß einer
weiteren vorteilhaften Fortführung
des erfindungsgemäßen Antriebs
an der Kraftübertragungseinrichtung
eine durch die Kraftkopplungselemente oder durch eine elektronische
Kontrollvorrichtung steuerbare, die Abgabe der Antriebsenergie regulierende
Bremsvorrichtung angeordnet sein. Die Geschwindigkeit, mit der sich
die Seilrolle dreht und damit die Arbeitsmaschine antreibt, wird
ohne weitere Vorkehrungen nur davon abhängen, mit welcher Geschwindigkeit
der Auftriebskörper
an die Wasseroberfläche
steigt. Dies ist aber wiederum nur von der Auftriebskraft, dem Strömungwiderstand
des Auftriebskörpers
und des Seils und den Reibungswiderständen in der Kraftübertragungseinrichtung
und dem Experiment abhängig.
Für einen
fest vorgegebenen zeitlichen Ablauf eines Experiments ist es aber
von Vorteil, wenn unabhängig
von diesen verschiedenen Gegebenheiten eine steuerbare Hemmung der
Ablaufgeschwindigkeit in Form einer Bremsvorrichtung vorhanden ist, die
die Drehung der Seilrolle entsprechend den jeweiligen Anforderungen
des Experiments mehr oder weniger stark drosselt. Außerdem kann
so ein Intervallbetrieb mit zwischenliegenden Pausen realisiert und
die Abgabe der Antriebsenergie gezielt gesteuert werden. Die Bremsvorrichtung
kann beispielsweise in steuerbarer Version als modifizierte Trommelbremse
mit direkt auf die Abtriebswelle wirkenden Bremsbacken, als Scheibenbremse
mit auf der Abtriebswelle fest montierter Bremsscheibe und auf diese
wirkende Bremsbacken oder als den Generator ausnutzende Wirbelstrombremse
ausgestaltet sein. Auch nicht weiter steuerbare Bremsvorrichtungen,
z.B. den Wasserwiderstand ausnutzende, auf der Abtriebswelle oder
an der Seilrolle angeordnete Flügelräder, können zum
Einsatz kommen.
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Abschließend kann
vorteilhaft vorgesehen sein, dass an der Kraftübertragungseinrichtung eine durch
die Kraftkopplungselemente oder durch eine elektronische Kontrollvorrichtung
steuerbare, Ballast abwerfende weitere Entriegelungseinrichtung
angeordnet ist. In der Regel nach Beendigung des Experiments, allgemein
aber zu jedem wählbaren
Zeitpunkt kann aus unterschiedlichen Gründen vorgesehen sein, die gesamte
Arbeitsmaschine zurück
an die Wasseroberfläche
zu holen. Dann ist es sinnvoll, den Auftriebskörper zum Aufholen zu benutzen.
Dazu kann eine weitere Entriegelungseinrichtung ausgelöst werden,
die neutralen Ballast von der Arbeitsmaschine löst und so dafür sorgt,
dass der Auftrieb das Gewicht der Arbeitsmaschine überwiegt.
Beim Abheben vom Grund greift die Verklinkung wieder ein und verhindert
das weitere Abrollen des Seils von der Seilrolle, sofern noch Seilvorrat
vorhanden ist. Wenn der Auftriebskörper an der Wasseroberfläche angekommen
ist, kann die Antriebsmaschine und damit das Experiment mit seinen
gewonnenen Daten an dem Seil des Auftriebsantriebs geborgen werden.
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Ausbildungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren
näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 einen
Antrieb nach der Erfindung mit einem Generator, einer Verklinkung
und einer Bremsvorrichtung in der Perspektive,
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2a–2b einen
Antrieb nach der Erfindung mit Verklinkung und Entriegelungseinrichtung
in zwei Stellungen,
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3 einen
Antrieb nach der Erfindung mit Entriegelungseinrichtung mit Verzögerung,
und
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4a–4d einen
Antrieb nach der Erfindung mit einer Auswahl an Kraftkopplungselementen.
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Die 1 zeigt
einen Antrieb 1 nach der Erfindung schematisch in perspektivischer
Ansicht. Eine Kraftübertragungseinrichtung 2 ist
auf einer Basisplatte 3 einer nicht weiter dargestellten
Arbeitsmaschine montiert und steht, verankert beispielsweise durch
sein Eigengewicht, auf dem Gewässergrund 4 eines
Meeres 5. Eine mit einer Abtriebswelle 6 verbundene
Seiltrommel 7 trägt
die gesamte vorgesehene Länge
eines Seils 8, die maximal die Tauchtiefe der Arbeitsmaschine
betragen kann. Im abgesenkten Zustand vor Beginn der Arbeit ist
das Seil 8 vollständig
auf die Seiltrommel 7 aufgewickelt und der Antrieb 1 verriegelt.
Die Abtriebswelle 6 ruht in Lagern 9, die auf
der Basisplatte 3 fixiert sind. Das Ende des Seils 8 bildet
eine Befestigungseinrichtung 10, beispielsweise ein Karabinerhaken,
für einen
Auftriebskörper 11.
Sofern mehrere Auftriebskörper 11 vorgesehen
sind, können
mehrere Befestigungseinrichtungen 10 parallel oder übereinander
vorhanden sein. Der Auftriebskörper 11 hat
die Form einer handelsüblichen
Auftriebskugel 12 aus Glas mit einer Schutzhülle 13 mit
Schutzrippen 14 und einer Öse 15 zur Ankoppelung
an die Befestigungseinrichtung 10 des Seils 8.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die mit Permanentmagneten bestückte Abtriebswelle 6 der
Rotor 16 eines elektrischen Generators 17, dessen
Stator 18 das Lager 9 mit integrierten Spulen
bildet. Magnete und Spulen sind hier nicht näher dargestellt. Die elektrische
Energie wird an den Anschlüssen 19 abgegriffen
und dient beispielsweise der Steuerung der Kraftverteilung für mechanische
Aktoren, der Sensorversorgung, Datenübertragungseinrichtungen und
anderen Verbrauchern im Experiment, die nicht mit mechanischer Energie
arbeiten können.
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Weiterhin
ist eine in 2a und 2b noch näher ausgeführte Verklinkung 20 und
eine Bremsvorrichtung 39 schematisch dargestellt.
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2 zeigt schematisch einen Antrieb 1 mit einer
Verklinkung 20 und einer Entriegelungseinrichtung 21,
der sich beim Aufsetzen auf den Gewässergrund 4 selbsttätig aktiviert. 2a zeigt
dabei den verklinkten Zustand während
des Absenkens (angedeutet durch zwei abwärts gerichtete Pfeile) des
Antriebs 1, montiert auf der Basisplatte 3. Die
Seiltrommel 7 mit dem Seil 8, an dem der Auftriebskörper 11 (hier
nicht dargestellt) nach oben zieht, ist mit der Abtriebswelle 6 fest
verbunden. Auf der Abtriebswelle 6 ist ein Klinkenrad 22 befestigt,
in das eine Verriegelungsklinke 23 eingreift und damit
die Seil 7 am Ablaufen hindert. Die Verriegelungsklinke 23 stützt sich dabei über eine
Drehachse 24 und einen Entriegelungshebel 25 auf
einem fest montierten Block 26 ab und wird von einer Rückholfeder 27 angedrückt. Der Entriegelungshebel 25 sitzt
auf einer weiteren Drehachse 28 und wird seinerseits durch
eine weitere Rückholfeder 29 an
den Block 26 angedrückt.
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2b zeigt
den entriegelten Zustand nach Aufsetzen des Antriebs 1 auf
dem Gewässergrund 4. Der
Entriegelungshebel 25 wird durch die Aufsetzkraft entgegen
dem Uhrzeigersinn um seine weitere Drehachse 28 bis in
eine mit der Basisplatte 3 bündige Position gedreht. Dabei
drückt
der Entriegelungshebel 25 die Verriegelungsklinke 23 nach
oben und dreht sie im Uhrzeigersinn um ihre Drehachse 24. Dadurch
gibt die Verriegelungsklinke 23 schließlich das Klinkenrad 22 frei
und die Seiltrommel 7 kann sich auf Grund der Auftriebskraft
des Auftriebskörpers 11 (hier
nicht dargestellt) am Seil 8 zu drehen beginnen. Beim erneuten
Abheben des Antriebs 1 vom Gewässergrund 4 (z.B.
nach Abwurf von Ballast) wird die Verriegelungsklinke 23 durch
ihre Rückholfeder 27 und
der Entriegelungshebel 25 durch seine weitere Rückholfeder 29 in
die ursprüngliche
Positione zurückgedreht,
kommt am Block 26 zur Anlage und die Verriegelungsklinke 23 greift
wieder in das Klinkenrad 22 ein. Der Antrieb 1 ist
wieder verriegelt und das Gerät
kann nach dem Aufschwimmen am Seil 8 geborgen werden.
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3 zeigt
ebenfalls schematisch einen Antrieb 1 mit einer Verklinkung 20,
einer Entriegelungseinrichtung 21 und einer Verzögerungseinrichtung 30.
Bei Bodenkontakt löst
die Entriegelungseinrichtung 21 aus und startet den federbetätigten Ablaufmechanismus
der Verzögerungseinrichtung 30.
Nach Ablauf des Federmechanismus betätigt die Verzögerungseinrichtung 30 ihrerseits
die Verklinkung 20 und entriegelt damit den Antrieb 1.
Nach Lösen
des Bodenkontakts fällt
die ganze Betätigungskette
in den ursprünglichen
Zustand zurück
und der Antrieb 1 ist wieder verriegelt.
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Die 4a bis 4d zeigen
einen Antrieb 1 nach der Erfindung mit verschiedenen Kraftkopplungselementen
mit jeweils spezifischen Aufgaben für das anzutreibende Experiment.
In 4a ist ein Zahnrad 31 dargestellt, das ein
weiteres Zahnrad 32 oder eine Kette zur Drehrichtungsumkehr
antreiben kann. 4b zeigt eine Keilriemenscheibe 33 mit
einem Keilriemen 34, beispielsweise als Transmissionsriemen
mit gleichbleibendem Drehsinn.
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4c stellt
eine stirnseitige Exzenterscheibe 35 dar, mit der über einen
passend gelagerten Gelenkhebel 36 eine oszillierende Bewegung
erzeugt werden kann. 4d schließlich zeigt eine Nockenscheibe 37,
mit deren Hilfe über
einen Kipphebel 38 eine beliebige Steuerbewegung winkelabhängig und mit
variablem Hub erzeugt werden kann.
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Weitere
Fortleitungselemente wie Kurvenscheiben, Schnecken, nachgeschaltete
Getriebe usw. sind ebenfalls möglich.
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- 1
- Antrieb
- 2
- Kraftübertragungseinrichtung
- 3
- Basisplatte
- 4
- Gewässergrund
- 5
- Meer
- 6
- Abtriebswelle
- 7
- Seiltrommel
- 8
- Seil
- 9
- Lager
- 10
- Befestigungseinrichtung
- 11
- Auftriebskörper
- 12
- Auftriebskugel
- 13
- Schutzhülle
- 14
- Schutzrippen
- 15
- Öse
- 16
- Rotor
- 17
- Generator
- 18
- Stator
- 19
- Anschluss
- 20
- Verklinkung
- 21
- Entriegelungseinrichtung
- 22
- Klinkenrad
- 23
- Verriegelungsklinke
- 24
- Drehachse
- 25
- Entriegelungshebel
- 26
- Block
- 27
- Rückholfeder
- 28
- weitere
Drehachse
- 29
- weitere
Rückholfeder
- 30
- Verzögerungseinrichtung
- 31
- Zahnrad
- 32
- weiteres
Zahnrad
- 33
- Keilriemenscheibe
- 34
- Keilriemen
- 35
- Exzenterscheibe
- 36
- Gelenkhebel
- 37
- Nockenscheibe
- 38
- Kipphebel
- 39
- Bremsvorrichtung