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Federmotor mit spiralförmig aufwickelbarer Bandfeder Die Erfindung
bezieht sich auf einen Federmotor mit einer Bandfeder, die während des Betriebs
von einer Speicherspirale auf eine auf der Abtriebswelle sitzende Arbeitsspirale
gegen eine Vorverformung in Richtung der Längsbiegung auf der Speicherspirale aufwickelbar
ist bzw. von der Arbeitswelle unter konstanter Kraftabgabe an die Abtriebswelle
auf die Speicherspirale abläuft.
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Die meist verwendete bekannte Art von Federmotoren arbeitet mit einer
im wesentlichen geraden Bandfeder, die beim Aufziehen des Federmotors als Spirale
auf die Abtriebswelle aufgewickelt wird, wobei sich unter Einwirkung der beim Aufwickeln
auf die gerade Bandfeder aufgebrachten Biegespannung die Spirale lockert und dabei
eine Drehkraft auf die Abtriebswelle überträgt. Diese bekannten Federmotoren geben
nur eine relativ geringe Anzahl von Umdrehungen der Abtriebswelle für eine vorbestimmte
Federlänge ab, und die abgegebene Kraft hat einen sehr steilen Gradienten, da die
Kraftwirkung der Feder mit zunehmender Lockerung der Spirale stark abnimmt.
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Um eine größere Anzahl von Drehungen für eine gegebene Federlänge
und eine konstantere Kraftabgabe über den Arbeitsbereich zu erhalten, wird bei einer
anderen bekannten Art von Federmotoren die Bandfeder in Längsrichtung vorgebogen,
so daß sie sich von selbst auf eine Spirale aufwickelt, wobei diese Spirale als
Speicherspirale des Federmotors dient, von der die Feder entgegengesetzt zur Vorbiegungsrichtung
auf die auf der Abtriebswelle sitzende Arbeitsspirale aufgewickelt wird. Beim Ablauf
läuft die Bandfeder von der Arbeitsspirale, unter Kraftabgabe auf die Abtriebswelle,
durch die ihr beim Aufwickeln erteilte Biegung auf die Speicherspirale wieder auf.
Durch diese Anordnung wird eine wesentlich größere Anzahl von Drehungen der Abtriebswelle
für eine gegebene Federlänge und eine wesentlich gleichförmigere Kraftabgabe erzielt.
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Die Kraftabgabe hängt dabei von der Relativbiegung der Feder, d. h.
von der Winkelbewegung der Bandfeder zwischen den äußersten Wicklung auf beiden
Trommeln ab, wobei sich der Biegeradius der Federn auf beiden Trommeln mit der Vergrößerung
bzw. Verkleinerung der Spirale ändert. Da der Grad dieser Änderung relativ zur Federlänge
vom Durchmesser der entsprechenden Windung abhängt, d. h. bei den inneren Windungen
auf eine gegebene Bandfederlänge wesentlich schneller erfolgt als bei den äußeren
Windungen, läßt sich auch durch die einfache Anwendung dieses bekannten Prinzips
keine ausreichende Gleichförmigkeit der Kraftabgabe erzielen. Um die Gleichförmigkeit
der Kraftabgabe weiter zu verbessern, ist bereits vorgeschlagen worden, Vorverformung
der Feder konstant zu halten oder umgekehrt der sich durch die Spirale ergebenden
Änderung des Biegeradius auszuführen, d. h., am inneren Ende der Spirale die Vorspannung
geringer zu halten als am äußeren Ende. Auch durch diese Beeinflussung der Vorspannung
allein läßt sich jedoch keine ausreichende Gleichförmigkeit erzielen.
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Bei einem anderen bekannten Federmotor soll eine konstante Kraftabgabe
dadurch erreicht werden, daß durch mechanische Führungselemente das ablaufende Federband
so geführt wird, daß in jedem Fall ein gleicher Ablaufwinkel erzeilt wird. Diese
Anordnung ist jedoch relativ teuer und kompliziert und damit störanfällig und benötigt
außerdem einen erheblichen Teil der von der Feder abgegebenen Kraft für die Überwindung
des Arbeitswiderstandes der mechanischen Anordnung.
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Man hat daher, um diese komplizierten mechanischen Einrichtungen zu
vermeiden, bei den bekannten, mit Speicherspirale und Arbeitsspirale arbeitenden
Federmotoren die Federspiralen bisher auf Trommeln mit großem Durchmesser aufgewickelt,
so daß die Unterschiede in der Krümmung zwischen den inneren und den äußeren Windungen
der Spiralen relativ gering werden und dadurch eine gewisse Konstanz des Biegewinkels
und damit der Kraftabgabe erreicht wird. Mit zunehmender Größe des Durchmessers
der Spirale wird jedoch einmal die durch die Verminderung der Krümmung und damit
des zur Verfügung stehenden Biegewinkels die durch eine Feder erreichbare Kraftabgabe
vermindert und außerdem die für eine vorbestimmte Federbandlänge erreichbare Anzahl
von Umdrehungen der Abtriebswelle wesentlich herabgesetzt.
Es ist
die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Federmotor zu schaffen, bei dem
trotz Aufwickeln des Federbandes auf eine sehr enge Spirale und damit einer sehr
hohen Anzahl von Umdrehungen für eine gegebene Bandlänge eine sehr hohe und über
den ganzen Arbeitsbereich praktisch gleichförmige Kraftabgabe erzielt wird.
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Die Erfindung geht bei der Lösung von dem Gedanken aus, daß das wesentliche
Charakteristikum für die Kraftabgabe eines mit Speicherspirale und Arbeitsspirale
arbeitenden Federmotors der Abspreizwinkel des von der Arbeitsspirale frei ablaufenden
Federbandtrums ist. Gemäß der Erfindung wird eine hohe gleichförmige Kraftabgabe
bei sehr eng gewickelten Spiralen, d. h. einer hohen relativen Drehzahl der Abtriebswelle
dadurch erreicht, daß die Bandfeder eine bleibende Verformung im Sinne einer Längsbiegung
mit in Aufwickelrichtung sich stetig so verkürzendem Krümmungsradius derart erhält,
daß der Abspreizwinkel zwischen dem von der Arbeitsspirale ablaufenden freien Bandtrum
und der äußersten Windung der Arbeitsspirale über die ganze Arbeitslänge konstant
ist, wobei das Federband in an sich bekannter Weise entgegen der durch die Vorverformung
bewirkten Kraftrichtung auf die Arbeitsspirale aufwickelbar ist und die Speicherspirale
gegen die Arbeitsspirale so festgelegt ist, daß sich der Auflaufpunkt auf die Speicherspirale
umgekehrt proportional der Verlagerung des Ablaufpunktes der Bandfeder von der Arbeitsspirale
etwa radial gegen den Mittelpunkt der betreffenden Spirale verlagert.
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Durch diese erfindungsgemäße Vorverformung der Bandfeder wird, unabhängig
von der Größe der Spiralen, eine über die ganze Arbeitslänge konstante Kraftabgabe
erreicht. Da diese Konstanz der Kraftabgabe von der Spiralgröße unabhängig ist,
können die Spiralen außerordentlich eng gewickelt sein, so daß ein großer Biegewinkel,
d. h. eine hohe Kraftabgabe und eine hohe relative Drehzahl der Abtriebswelle erreicht
wird. Die Gleichförmigkeit der Kraftabgabe ist außerdem praktisch unabhängig davon,
ob der Radius der Speicherspirale mit dem Radius der Vorverformung übereinstimmt,
da Differenzen zwischen dem Radius der Vorverformung und dem Radius der Speicherspirale,
die sich durch Ablauf des Federbandes von der Arbeitsspirale mit einem anderen als
dem durch die Vorverformung gegebenen Spreizwinkel auswirkt, im Endbereich des gesamten
Biegewinkels, d. h. im fast entspannten Bereich liegen, in dem an sich die geringste
Kraftabgabe erfolgt, so daß diese Unterschiede zwischen Ablaufwinkel und Abspreizwinkel
sich nur in vernachlässigbar kleinem Umfang auswirken.
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Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Federmotor die Speicherspirale
frei um die Arbeitsspirale schwenkbar angeordnet, wobei die Schwenkbewegung unter
Einwirkung der von der ablaufenden Bandfeder ausgeübten Biegekraft durch einen Anschlag
begrenzt ist. Der Anschlag kann. ein Wandabschnitt eines Gehäuses sein, in dem auch
die Arbeitsspirale angeordnet ist.
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Die Speicherspirale kann beim erfindungsgemäßen Federmotor auch auf
einer Leerlaufwelle in vorbestimmtem Lageverhältnis zur Arbeitsspirale gelagert
sein. Dabei ist vorzugsweise das innere Ende der Speicherspirale an der leerlaufenden
Welle festgelegt, und es ist eine Sperrklinke vorgesehen, die an einer nach Ablauf
der letzten Windung der Speicherspirale von der Leerlaufwelle frei werdenden Anschlag
einrastet und eine Weiterdrehung der Leerlaufwelle verhindert.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Federmotor gemäß der
Erfindung in abgelaufenem Zustand, F i g. 2 eine Ansicht entsprechend F i g.1, die
den Motor in voll aufgezogenem Zustand zeigt, F i g. 3 einen Horizontalschnitt entlang
der Linie 3-3 in F i g. 2, F i g. 4 eine graphische Darstellung, welche die typischen
Federcharakteristiken zeigt, F i g. 5, 6 und 7 Teilansichten der Arbeitsspirale
mit verschieden aufgewickelten Federlängen und F i g. 8 und 9 den F i g.1 und 2
ähnliche Ansichten einer alternativen Konstruktion.
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Die Motoren nach F i g. 1 bis 3 enthalten ein Gehäuse, welches durch
Ober- und Unterplatten 10 und 11 gebildet ist, die durch Seitenplatten 12 und 13
verbunden sind. Eine Spindel 14 ist zwischen den Platten 10 und 11 drehbar gelagert,
und eine ähnliche Spindel 15 liegt zwischen den Platten 10 und 11 an einer
Abtriebswelle 15'. , Die Spindel 14 nimmt die Speicherspirale einer Bandfeder 16
auf, welche so vorgeformt und vorgespannt ist, daß sie sich von selbst zu einer
Spirale auf der Spindel 14, wie in F i g.1 gezeigt, aufwickelt. Am inneren Ende
der Spirale kann die Bandfeder in einer Ausnehmung 17 der Spindel befestigt sein.
Das Außenende der Bandfeder 16 ist durch Einlegen in einen Schlitz 18 an
der Spindel 15 mittels einet Schraube 19 befestigt. Durch diese Befestigungsart
hat die Spindel 15 eine glatte, im wesentlichen ununterbrochene zylindrische
Oberfläche, so daß die Feder beim Aufwickeln auf die Spindel nicht geknickt wird.
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Um das Aufwickeln der Feder auf der Spirale 15
zu begrenzen
und Beschädigungen zu verhüten, kann in diesem Gehäuse eine schwenkbare Klinke 21
vorgesehen sein, die sich gegen die Außenfläche der Speicherspirale 14 anlegt. Wenn,
wie in F i g. 2 gezeigt, die letzte Windung von der Spindel 14 abgewickelt ist,
greift die Klinke 21 in der Ausnehmung 17 an der Spindel 14 an und verhindert deren
weitere Drehung.
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Wie in F i g.1 und 2 gezeigt, ist das Ende der Feder so mit der Spindel
15 verbunden,, daß, wenn die Spindel 15 beim Aufziehen entgegengesetzt
dem Uhrzeigersinn gedreht wird, die Feder rückwärts auf die Spindel aufgewickelt
wird. Die Feder 16 wird also entgegen ihrer normalen Vorspannung abgebogen, so daß
sie sich von der Spindel 15 abzuwickeln und auf die Spindel 14 aufzuwickeln sucht.
Diese beiden Kräfte sind kombiniert, um die Spindel 15
finit einer verhältnismäßig
hohen Drehkraft und mit der maximalen Leistungsbenutzung des Federmaterials zu drehen.
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Die Vorspannung der Feder in Wickelrichtung der Spindel 14 erzeugt
eine Reaktionskraft durch den Biegewinkel des Federbandes zwischen den beiden Spiralen,
die auf die Spindel 15 ein Drehmoment ausübt. Das Ausmaß dieser. durch die
Spannung bewirkten Kraft hängt von der Vorspannung in dem wirksamen Teil der Feder
zwischen den Spindeln 14 und 15 ab. Mit einer Feder gemäß der Erfindung wird dabei
eine sehr flache Charakteristik, wie in
F i g. 4 gezeigt, infolge
der variierenden Vorspannung der Feder über ihre Länge und der Änderung im Radius
an den beiden Spindeln erreicht.
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Die Wirkung der Vorspannung der Feder ist in F i g. 5, 6 und 7 veranschaulicht,
wobei die Spindel 15
in F i g. 5 leer, in F i g. 6 etwa halb voll und in F
i g. 7 voll gezeigt ist. Wenn die Spindel leer ist, wird die Feder um einen verhältnismäßig
spitzen Winkel gebogen, wobei an dieser Stelle die Vorverformung so ist, daß das
freie Ende der Feder, wenn diese, nur an ihrem Tangentialpunkt an der Spindel
15 gehalten, die durch die gestrichelte Linie 16 gezeigte Lage anzunehmen
sucht. Wenn sie auf die Spindel 15
gewickelt wird, wird die Feder um den Winkel
rx aus ihrer Ruhelage abgebogen.
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Ähnlich wird sie, wenn die Feder, wie in F i g. 6 gezeigt, teilweise
auf die Spindel 15 rückwärts aufgewickelt ist, infolge des größeren wirksamen Durchmessers
der Spirale um einen etwas kleineren Winkel abgebogen werden, aber ihre Vorverformung
ist an dieser Stelle mit kleinerem Radius ausgebildet, so daß die Gesamtabbiegung
aus der Ruhelage über den gleichen Winkel a geht. Wenn die Feder vollständig auf
die Spindel 15 rückwärts gewickelt ist, wird sie um einen noch kleineren
Winkel abgebogen, ist aber auf einen noch kleineren Radius vorgespannt, so daß die
Gesamtabbiegung aus der Ruhelage ebenfalls um den gleichen Winkel a geht. Auf diese
Weise ist unabhängig davon, welcher Teil der Feder zu irgendeinem Zeitpunkt arbeitet,
die Feder beim Aufziehen stets in gleichem Umfang abgebogen und formt sich beim
Ablaufen aus der Arbeitsspirale stets um den gleichen Winkel zurück, wobei sie über
ihre ganze Länge die gleiche Abwickelkraft und die gleiche Drehkraft auf die Spindel
15 ausübt.
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Während die Feder so gehärtet und angelassen werden kann, daß die
geforderte Änderung in der Vorspannung über ihre Länge erzeugt wird, besteht ein
bequemer und sehr erwünschter Weg, um diesen Zweck zu erreichen, darin, die Feder
so scharf auf die Arbeitsspindel 15 mit sehr kleinem Durchmesser relativ
zu der Dicke und Anfangsvorspannung der Feder zu wickeln, daß die Feder über die
Elastizitätsgrenze gespannt wird. Dieses Behandlungsverfahren der Feder ergibt eine
praktisch korrekte Änderung in der Vorspannung, um die gleiche Winkelbiegung in
jedem Teil der Länge der Feder zu erzeugen, wie sie in den F i g. 5, 6 und 7 gezeigt
ist. Ferner kann jeder Teil der Feder beim Aufziehen bis zur vollen Elastizitätsgrenze
des Federmaterials gespannt werden, so daß die maximale Kraft für eine Feder gegebener
Größe erreicht wird. Es wurde festgestellt, daß mit einer solchen Feder eine maximale
Kraft und eine maximale Anzahl von Drehungen bei gegebener Größe bei befriedigender
Dauerfestigkeit für die meisten, wenn nicht alle Zwecke erhalten werden kann.
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Die Charakteristik einer Feder gemäß F i g. 1 und 2 ist in F i g.
4 in Vergleich mit einer üblichen Uhrfeder und einer Feder eines oben beschriebenen,
mit Speicherspirale und Arbeitsspirale arbeitenden Federmotors dargestellt. Dem
Diagramm in F i g. 4 liegt eine Feder mit einer Dicke von 0,2 mm, einer Breite von
19 mm und einer Länge von 4570 mm zugrunde, bei einem Durchmesser von 25 mm für
beide Spindeln 14 und 15. Die voll ausgezogene Linie 22 in F i g. 4 zeigt die Versuchsergebnisse
mit dem erfindungsgemäßen Federmotor. Es ist ersichtlieh, daß die Drehkraft in voll
aufgewickeltem Zustand etwas höher ist als die nach 40 Abwicklungsdrehungen verfügbare
Drehkraft, aber die Charakteristik ist verhältnismäßig flach und befriedigend für
die meisten Zwecke, z. B. das Antreiben einer Filmkamera.
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Verglichen mit dem Motor nach der Erfindung ergibt ein herkömmlicher
Uhrwerksmotor, der eine Feder von den gleichen Abmessungen benutzt, die gestrichelte
Linie 23. Es ist ersichtlich, daß diese Feder tatsächlich über nur zehn oder zwölf
Drehungen nutzbar ist und daß ihr Gradient so scharf abfällt, daß sie nach dieser
verhältnismäßig kleinen Zahl von Drehungen unwirksam wird.
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Die strichpunktierte Linie 24 in F i g. 4 erläutert eine vergleichbare
Charakteristik eines bekannten Federmotors mit Speicher- und Arbeitsspirale und
einer Feder gleicher Breite und Dicke, aber annähernd 12 200 mm Länge, um 40 Umdrehungen
an einer Aufnahme- oder Arbeitstrommel von etwa 50 mm Durchmesser zu erhalten. Diese
Trommelgröße entspricht den allgemeinen Abmessungen, die in gängigen Ausführungen
dieser Federmotore bisher benutzt werden. Es ist zu sehen, daß die Charakteristikkurve
dieses Motors einen größeren Abfall als die Kurve des vorliegenden Motors hat, wobei
er weniger als die Hälfte der Drehkraft des vorliegenden Motors nach 40 Umdrehungen
ausübt, und zusätzlich eine wesentlich größere Federlänge benötigt. Es wurde festgestellt,
daß diese Kurve 24 für alle bekannten Typen von Federmotoren mit Speicher-und Arbeitsspirale
und Vorverformung der Bandfeder gilt, wobei es durch die zur Erzielung des flachen
Gradienten notwendige, erhöhte Trommelgröße in jedem Fall erforderlich war, eine
ungefähr 12 200 mm lange Feder zu benutzen. Wie vorher ausgeführt, ergibt die Verminderung
der Trommelgröße eine noch steilere Kurve.
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Die gleichen Ergebnisse können mit einem Federmotor gemäß F i g. 8
und 9 erzielt werden, der im wesentlichen dem Motor der F i g.1 bis 3 gleicht, jedoch
keine Spindel für die Speicherspirale verwendet. Dieser Motor enthält ein topfförmiges
Gehäuse mit flachem Boden 25 und einer Umfangswand 26. Das Gehäuse kann durch einen
nicht gezeigten Deckel geschlossen sein. Eine einzige Spindel 27, ähnlich der Arbeitsspindel
15 in F i g.1 und 2, ist drehbar im Gehäuse gelagert und mit einer Abtriebsstelle
verbunden. Eine Feder 28, ähnlich der Feder 16, liegt als Speicherspirale lose im
Gehäuse neben der Spindel 27 und wickelt sich durch die Vorspannung selbst
in eine dichte Spirale, wie in F i g. 8 gezeigt.
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Wenn die Spindel 27 im Gehäuse so gedreht wird, daß die Feder sich
darauf nach rückwärts aufwickelt, wie in F i g. 9 gezeigt, wird die Feder einfach
von der freiliegenden Speicherspirale abgewickelt, die an einem Schwenken um die
Spindel 27 durch Anlage an der Wand 26 des Gehäuses gehindert ist. Die Feder
in diesem Beispiel arbeitet in der gleichen Weise wie die in Verbindung mit den
F i g.1 bis 7 erläuterte und ergibt die gleichen Charakteristiken.