DE19712542C2

DE19712542C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer gerichteten Kraft aus einer Drehbewegung

Info

Publication number: DE19712542C2
Application number: DE1997112542
Authority: DE
Inventors: Jesus Angel Vila Dr Munoz; Alfredo Bruno Kolb
Original assignee: KOLB ALFRED 86356 NEUSAES DE
Current assignee: KOLB ALFRED 86356 NEUSAES DE
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1997-03-25
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2017-03-26
Also published as: WO1998042982A3; AU7041398A; WO1998042982A2; DE19712542A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer gerichteten Kraft aus einer Drehbewegung.

Wird ein Körper in eine Drehbewegung versetzt, so wirkt auf ihn unter anderem die Zentrifugalkraft, die jedoch keine gerichtete Kraftkomponente darstellt, sondern jeweils radial von der Drehachse nach außen wirkt. Eine gerichtete Kraft auf die Achse des rotierenden Körpers läßt sich bei einem rotierenden Körper, dessen Massenverteilung rotationssymmetrisch zur Drehachse ist, nicht gewinnen. Wenn der rotierende Körper eine bezüglich der Rotationsachse exzentrische Massenverteilung aufweist, so entsteht eine Schwingung. Dies rührt daher, daß im Bereich der zusätzlich vorhandenen Masse am Rotationskörper eine erhöhte Zentrifugalkraft auftritt und der Vektor der Zentrifugalkraft in fester Verbindung mit der Masse umläuft und deshalb auf die Achse des Rotationskörpers in allen Richtungen einwirkt, allerdings nicht gleichzeitig. Dies erzeugt eine Schwingung, wie sie beispielsweise bei Fahrzeugrädern mit einer Unwucht festzustellen ist, wobei diese Schwingung nicht als gezielte Kraft einsetzbar ist.

Die deutsche Offenlegungsschrift 30 27 973 beschreibt eine Schwerkraftmaschine, bei der vorhandene Energieunterschiede, wie beispielsweise Temperatur-, Druck- oder Spannungsunterschiede, in einen Gewichtsunterschied umgewandelt werden, so daß eine Seite eines Rades stets schwerer ist als die andere Seite. Bei einem senkrecht stehenden Rad steht daher Antriebsenergie zur Verfügung. Am Rad befinden sich radial bewegbare Gewichte, die jeweils so verschoben werden können, daß am Rad eine gezielte Unwucht erzeugt wird, die zu einer Drehung des Rades führt. Es wird somit die erzeugte, gezielte Unwucht in eine Drehbewegung, nicht aber in eine gerichtete Kraft umgewandelt.

Die deutsche Offenlegungsschrift 43 11 798 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von gerichteten Kräften. Die Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip, daß zwei oder mehrere Rotationssysteme gegenläufiger Drehrichtungen so zusammenarbeiten, daß die jeweils auftretenden Coriolis- Beschleunigungen zu einer gerichteten Kraft resultieren.

Ein gerichteter Vektor der Zentrifugalkraft, d. h. eine Zentrifugalkraft mit einer definierten, im wesentlichen konstanten Kraftrichtung, wurde bislang in der Technik nicht eingesetzt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit Hilfe derer eine gerichtete Kraft aus einer Drehbewegung eines Massenkörpers erzeugt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder Anspruchs 3 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 oder Anspruchs 11 erzeugt.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen zwangsrotierbaren Schwungkörper mit einer bezüglich der Rotationsachse exzentrischen Massenverteilung vorzusehen und die durch die exzentrische Massenverteilung erzeugbare Unwucht in eine gerichtete Kraft umzusetzen. Dies ist gemäß Anspruch 1 dadurch möglich, daß die Übertragungseinrichtung ein Pendel umfaßt, das schwenkbar an einem Traggestell befestigt ist und an dem der Schwungkörper drehbar angeordnet ist, wobei das Pendel zunächst bei der Rotation des Schwungkörpers Energie aufnimmt und, nachdem es gegen den Anschlag am Traggestell gestoßen ist, diese auf das Traggestell überträgt. Hierdurch besteht zwar auf dem Schwungkörper selbst eine bezüglich des Schwungkörpers ortsfeste, exzentrische Massenverteilung, jedoch wirkt sich dies nicht in einer unerwünschten Schwingung an der Rotationsachse aus, weil sich die Kraft auf eine Pendelschwingung überträgt und das Pendel Energie aufnimmt, die bei dem abruptem Anstoßen gegen den Anschlagkörper am Traggestell auf diesem übermittelt wird.

Eine alternative Möglichkeit ist im Patentanspruch 3 beschrieben und besteht darin, daß der zwangsrotierbare, rotationssymmetrische Schwungkörper mit einer Unwucht versehen wird, die ortsfest bezüglich der gesamten Vorrichtung ist. Daher entstehen an der Rotationsachse des Schwungkörpers keine sich periodisch ändernde Kräfte, sondern jeweils eine konstante, gerichtete Kraft in Richtung auf die Position der im oder am Schwungkörper befindlichen Zusatzmasse, welche die Unwucht erzeugt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine rotationssymmetrische Grundscheibe mit einer Mehrzahl von sich in radialer Richtung nach außen hin erstreckenden Hohlräumen versehen ist, wobei die Hohlräume je nach Drehwinkelstellung der Grundscheibe radial innen mit einem nicht rotierbaren, konzentrischen Strömungskanal für Flüssigkeit in Verbindung stehen und radial außen verschließbare Flüssigkeitsaustrittsöffnungen aufweisen.

Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die übrigen Ansprüche gekennzeichnet. So umfaßt der Schwungkörper nach einer bevorzugten Ausführungsform eine rotationssymmetrische Grundscheibe mit einer bezüglich der Rotationsachse im wesentlichen rotationssymmetrischen Massenverteilung, und einen Unwuchtkörper, der auf der Grundscheibe exzentrisch angebracht ist. Hierdurch läßt sich auf eine sehr einfache Weise ein Schwungkörper mit einer bezüglich des Schwungkörpers ortsfest angeordneten Massenexzentrizität erzeugen.

Vorzugsweise ist der Schwungkörper mit der Ausgangswelle eines Elektromotors gekoppelt. Die Verwendung eines Elektromotors bietet sich an, da Elektromotoren einen relativ hohen Wirkungsgrad besitzen und somit der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Kraft höher liegt als bei der Verwendung eines anderen Antriebsmittels mit einer schlechteren Ausnutzung der eingesetzten Energie.

Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung unter Verwendung des Schwungkörpers mit einer relativ zur Vorrichtung ortsfesten Unwucht des weiteren eine Nockenscheibe, die am Strömungskanal drehstarr befestigt ist, sowie Nockenstangen, die mit den verschließbaren Flüssigkeitsaustrittsöffnungen in Verbindung stehen. Hierdurch läßt sich in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Schwungkörpers die Öffnung der radial außen an den Hohlräumen liegenden Flüssigkeitsaustrittsöffnungen so steuern, daß während der Rotation des Schwungkörpers jeweils nur der oder die Hohlräume, die sich in einer bestimmten, temporären Winkelposition befinden, mit Flüssigkeit gefüllt sind, während in allen anderen Winkelpositionen Flüssigkeit unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft aus den Hohlräumen austreten kann.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Winkelbereich auf dem Umlaufweg des Schwungkörpers, innerhalb dessen die Flüssigkeitsaustrittsöffnungen in einer geschlossenen Position sind, kleiner als 15° und vorzugsweise liegt der Winkelbereich bei 12°. Damit sich der einseitig gerichtete Vektor der Zentrifugalkraft nur in einer Richtung und in einem Sinn ausbildet, muß erreicht werden, daß die nicht im Gleichgewicht befindliche Masse nur eine kleine Strecke auf dem gesamten Umfang des Umlaufweges einwirkt und an einem anderen, nicht weit davon entfernten Punkt, der idealerweise in einem Winkelabstand von 12° liegt, verschwindet.

Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung weiterhin eine Flüssigkeitsfördereinrichtung, deren Ausgang mit dem Strömungskanal in Flüssigkeitsverbindung steht. Durch das Vorsehen einer Flüssigkeitsverbindung läßt sich eine kontinuierlich arbeitende Vorrichtung schaffen, bei der die jeweils aus den Flüssigkeitsaustrittsöffnungen der Hohlräume aus tretende Flüssigkeit aufgefangen und durch eine Flüssigkeitsfördereinrichtung wieder dem Strömungskanal entlang der Rotationsachse des Schwungkörpers zugespeist wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform fördert die Flüssigkeitsfördereinrichtung Flüssigkeit mit hoher Dichte, vorzugsweise Quecksilber. Die Verwendung einer Flüssigkeit mit hoher Dichte ist vorteilhaft, weil die Zentrifugalkraft um so größer ist, je größer die Masse des rotierenden Körpers ist. Wird nun eine Flüssigkeit mit einem sehr hohen spezifischen Gewicht verwendet, so läßt sich eine sehr hohe Exzentrizität der Massenverteilung und damit eine sehr große, gewinnbare Kraft erzeugen.

Indem die Flüssigkeit im Strömungskanal unter einem erhöhten Druck steht, lassen sich die Hohlräume in oder an dem Schwungkörper bei einer sehr hohen Drehfrequenz des Schwungkörpers sehr schnell mit Flüssigkeit füllen, da eine sehr schnelle Expansion der Flüssigkeit in die unter Umgebungsdruck stehenden Hohlräume stattfindet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden zwei Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen eingehender erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A bis 1E: den zeitlichen Ablauf des Betriebs einer Speicherpendelvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht;

Fig. 3 eine detailliertere Darstellung des Schwungkörpers und der darin befindlichen Nockenstangen; und

Fig. 4 eine Draufsicht auf den in Fig. 3 dargestellten Schwungkörper mit dem zugehörigen Öffnungs- und Schließmechanismus für die Flüssigkeitshohlräume.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Bezugnehmend auf Fig. 1A bis 1E sind in einer vereinfachten schematischen Darstellungsweise eine erste Ausführungsform der Erfindung im Rahmen einer Abfolge einzelner Arbeitsschritte dargestellt. Die Vorrichtung, die allgemein mit 10 bezeichnet wird, besteht im wesentlichen aus einem Traggestell 12, das aus einem beliebigen Material ausgeführt sein kann. Auch die in den Fig. 1A bis 1E dargestellte Geometrie des Traggestelles ist nur von untergeordneter Bedeutung, weshalb im vorliegenden Beispiel eine beliebige, schematische Darstellung gewählt wurde. Am Traggestell 12 ist ein Pendel 14 schwenkbar befestigt. Hierzu befindet sich im Traggestell vorzugsweise eine geeignete Bohrung, durch die ein Schwenkstift 16 eingeführt oder eingetrieben werden kann, der wiederum eine drehbare Verbindung zwischen dem Traggestell 12 und dem Pendel 14 herstellt. Wenn die Verbindung zwischen Traggestell und Pendel auf eine besonders reibungsarme Weise ausgeführt werden soll, können selbstverständlich Gleit- oder Kugellagerverbindungen, wie sie in der Technik bekannt und üblich sind, eingesetzt werden. Ebenso kann das Pendel zwischen zwei sich gabelnden Trägern des Traggestelles befestigt sein oder aber das Pendel einen sich gabelnden Schaft aufweisen, der einen Träger des Traggestelles umschließt.

Am Pendel 14 ist ein Schwungkörper 18 drehbar befestigt. Der Schwungkörper besteht aus einer Schwungscheibe 20 sowie einer Exzentermasse 22, die fest auf der Schwungscheibe befestigt ist. Der in den Fig. 1A bis 1E dargestellte Schwungkörper 18 stellt selbstverständlich nur eine Möglichkeit von vielen dar, um zu einem rotierbaren Körper mit einer exzentrischen, jedoch ortsfest relativ zum Schwungkörper befindlichen Massenverteilung zu gelangen. In gleicher Weise könnte der Schwungkörper auch aus einer Schwungscheibe 20 ohne Exzentermasse 22 bestehen, wobei die Schwungscheibe nicht, wie in den Fig. 1A bis 1E dargestellt ist, kreisförmig ist, sondern einen nicht konstanten Außenradius aufweist.

Der Schwungkörper 18 ist, wie bereits oben erläutert wurde, drehbar am Pendel 14 befestigt, jedoch drehstarr mit einer nicht dargestellten Antriebseinheit verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel könnte beispielsweise die dargestellte Welle 24 die Ausgangswelle eines Elektromotors sein, der in Blickrichtung der Fig. 1A bis 1E hinter dem Schwungkörper 18 und ortsfest relativ zum Pendel 14 angeordnet ist und dessen Ausgangswelle 24 den Schwungkörper 18 in eine Drehbewegung versetzt. Der Elektromotor wird von einer in den Fig. 1A bis 1E schematisch dargestellten Energieversorgung 26 gespeist.

Die Vorrichtung 10 weist einen Anschlag 28 auf, der am Traggestell 12 befestigt ist und gegen den das Pendel 14 anstoßen kann. Im vorliegenden Beispiel ist der Kontaktpunkt zwischen dem Anschlag 28 und dem Pendel 14 bezüglich des Schwenkstiftes 16 entgegengesetzt zum Schwungkörper 18 angeordnet, jedoch kann in gleicher Weise auch der Anschlag in unmittelbarer Nähe zum Schwungkörper 18 vorgesehen sein, so lange die nachfolgend beschriebene Funktionsweise des Speicherpendels gewährleistet ist.

Die Funktionsweise des Speicherpendels ergibt sich aus der Abfolge der Fig. 1A bis 1E. Der nicht dargestellte Motor treibt den Schwungkörper 18 in Pfeilrichtung A an, wobei sich aufgrund der erzeugten Unwucht bzw. Zentrifugalkraft, die durch die exzentrische Massenverteilung des Schwungkörpers erzeugt wird, das Pendel gegenüber der in Fig. 1E dargestellten Lage auslenkt, wie anhand der Pfeilrichtung B in Fig. 1A dargestellt ist. Bei der in Fig. 1B dargestellten Position hat das Speicherpendel den Zustand seiner maximalen Kraftaufnahme erreicht, die durch eine größtmögliche Neigung des Pendels 14 aus der Vertikalen heraus gekennzeichnet ist. Die maximale Auslenkung aus der Vertikalen führt zum einen dazu, daß durch das Anheben des Schwungkörpers 18 in dem Pendel potentielle Energie gespeichert wird, zum anderen befindet sich das Pendel in dieser Lage in einem Zustand, in dem eine Bewegung in Richtung des Anschlags 28 mit hoher Geschwindigkeit und damit mit einer hohen kinetischen Energie ermöglicht wird. In der nachfolgenden Fig. 1C hat sich der Schwungkörper 18 in Rotationsrichtung bereits weiterbewegt und das Pendel 14 beginnt sich nun, in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen, wie durch die Pfeilrichtung C angezeigt ist. Die Übertragung der Energie findet an dem in Fig. 1D dargestellten Zeitpunkt statt, wenn bei einer fortgesetzten Schwenkbewegung des Pendels 14 in Pfeilrichtung C sowie bei einer fortgesetzten Rotation des Schwungkörpers 18 in Pfeilrichtung A das Pendel 14 gegen den Anschlag 28 stößt und die im Rahmen der Pendelbewegung aufgebaute Energie in eine uniaxialwirkende Kraft F (siehe Fig. 1D) umgesetzt wird. Anschließend bewegt sich im Kontakt mit dem Anschlag 28 der Schwungkörper 18 weiterhin in Rotationsrichtung A, wobei die in diesem Bereich wirkende Horizontalkomponente der Zentrifugalkraft ebenfalls in Form einer Kraft F auf den Anschlag 28 übertragen wird. Der Anschlag 28 kann in Form eines Gummipuffers ausgeführt sein, jedoch sind selbstverständlich auch andere Bauformen und Materialien denkbar. Nachdem bei einer fortgesetzten Rotation des Schwungkörpers 18 die Exzentermasse 22 denjenigen Punkt überschritten hat, bei dem sie dem Schwenkstift 16 am nächsten liegt, beginnt sich das Pendel 14 wieder in Pfeilrichtung B zu verschwenken und der in Fig. 1A dargestellte Zustand tritt wieder auf.

Somit wird durch den kontinuierlichen Antrieb des Schwungkörpers 18 eine intermittierend wirkende, gerichtete Kraft F erzeugt, wobei von der Möglichkeit Gebrauch gemacht wird, mit dem Speicherpendel während der verschiedenen Betriebsphasen im kontinuierlichen Betrieb jeweils Energie aufzunehmen, die beim Kontakt mit dem Gummipuffer abgegeben wird.

Fig. 2 bis 4 zeigen eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 30 dargestellt, bei der unter Verwendung einer Flüssigkeit eine innerhalb der Vorrichtung 30 ortsfeste Unwucht erzeugt wird. Die Vorrichtung 30 ist von einem Gehäuse 32 umgeben, das die Vorrichtung flüssigkeits- und gasdicht umschließt. Innerhalb des Gehäuses 32 ist ein Flüssigkeitsauffangbehälter 34 gebildet, in dem sich eine Flüssigkeit befindet, die vorzugsweise ein hohes spezifisches Gewicht aufweist. Daher wird auch an Flüssigkeiten wie Quecksilber gedacht. Ein Einsaugrohr 36 taucht in die Flüssigkeit im Flüssigkeitsauffangbehälter 34 ein und ist mit einer Pumpe 38 verbunden, zu der die vom Einsaugrohr 36 geförderte Flüssigkeit transportiert wird. Die Pumpe verdichtet die Flüssigkeit auf einen erhöhten Druck, vorzugsweise einen hohen Druck von etwa 100 bar. Das Ausgangsrohr 40 aus der Pumpe 38 ist flüssigkeitsdicht mit einem Strömungskanal 42 verbunden, der die Nabe des Schwungkörpers 44 darstellt. Der Schwungkörper 44 ist drehstarr mit der Ausgangswelle einer Antriebsvorrichtung 46 mit einstellbarer Drehzahl verbunden, wobei die Antriebsvorrichtung 46 beispielsweise ein Elektromotor mit einem hohen Wirkungsgrad sein kann. Die ebenfalls in Fig. 2 dargestellten Bauteile am Schwungkörper 44 werden anhand der Fig. 3 und 4 eingehender erläutert werden. Die Antriebsvorrichtung 46 kann, auch unter Zwischenschaltung eines geeigneten Getriebes, für den Antrieb der Pumpe 38 eingesetzt werden.

In Fig. 3 sind der Schwungkörper 44 sowie die zugeordneten Bauteile detaillierter dargestellt. Hierbei werden für die identischen Bauteile dieselben Bezugsziffern wie in Fig. 2 verwendet.

Der Schwungkörper 44 ist, wie bereits erläutert wurde, mit der Abtriebswelle 48 der Antriebsvorrichtung 46 drehstarr verbunden, wobei die Abtriebswelle der Antriebsvorrichtung bzw. die Antriebswelle des Schwungkörpers im Gehäuse 32 gelagert 50 ist. Die den Strömungskanal 42 umgebende, zylinderförmige Wandung 52 ist im Bereich des Schwungkörpers 44 mit einer Flüssigkeitsdurchtrittsöffnung 54 versehen, die im dargestellten Beispiel kreisförmig ausgebildet ist, jedoch auch unterschiedliche Geometrien aufweisen kann. Innerhalb des Schwungkörpers 44 befinden sich zylinderförmige Hohlräume 56, die im Schwungkörper 44 in radialer Richtung verlaufen und an ihrem radial äußeren Ende durch eine Ventileinrichtung 58 verschließbar sind. Die Ventileinrichtung wird mit Hilfe eines Verstellhebels 60 betätigt, der jeweils mit einer Nockenstange 62 durch eine gelenkige Verbindung 64 verbunden ist. Die Nockenstangen 62 werden durch geeignete Führungen 66 gehalten, die fest mit dem Schwungkörper 44 verbunden sind und bewegen sich mit ihren radial nach innen weisenden Ende 68 auf einer Nockenscheibe 70. Alternativ kann anstelle der Nockenscheibe auch eine rillenförmige Nockenführung vorgesehen sein, welche die Nockenstangen so zwangsführt, daß die Nockenstangen auch bei hohen, einwirkenden Zentrifugalkräften sicher arbeiten.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist und anhand der Fig. 4 deutlich erläutert wird, befinden sich die oben und unten in der Zeichenebene dargestellten Nockenstangen 62 aufgrund der nicht rotationssymmetrischen Geometrie der Nockenscheibe 70 in unterschiedlichen Positionen. Die Nockenscheibe 70 ist drehstarr mit einer Verstellscheibe 72 verbunden, die, wie in Fig. 2 dargestellt ist, über eine Kettenübertragung 74 mit einem gehäusefesten Verstellmechanismus 76 gekoppelt ist, der wiederum durch einen Servomotor 78 außerhalb des Gehäuses betätigbar ist. Eine zweite Verstellscheibe 80 ist drehstarr mit der Wandung 52 des Strömungskanals 42 verbunden und ebenfalls, wie in Fig. 2 dargestellt ist, über eine zweite Kettenübertragung 82 mit einem weiteren Verstellmechanismus 84 gekoppelt, der ebenfalls durch einen Servomotor 86 von außerhalb des Gehäuses betätigbar ist. Die zweite Verstellscheibe 80 dient dazu, die Wandung 52 des Strömungskanals 42 in eine gewünschte radiale Stellung zu bringen. Die Servomotoren 78 und 86 besitzen die Aufgabe, die Nockenscheibe 70 sowie die zylinderförmige Wandung 52 des Strömungskanals 42 in eine gewünschte Winkelstellung zu bringen, um die Richtung der erzeugten Kraft einzustellen. Der ebenfalls in Fig. 2 dargestellte Servomotor 79 dient dazu, die Drehzahl des Motors einzustellen.

In Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Schwungkörper 44 mit den zylinderförmigen Hohlräumen 56 und den Nockenstangen 62 dargestellt. Im vorliegenden Beispiel sind sechs Hohlräume in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander am Schwungkörper 44 angeordnet, jedoch können auch Vorrichtungen mit einer größeren Anzahl von Hohlräumen verwendet werden. Aus der Darstellung in Fig. 4 läßt sich die Betriebsweise der Vorrichtung erkennen. Die durch den Strömungskanal 42 eingespeiste Flüssigkeit unter hohem Druck gelangt durch die in Fig. 3 dargestellte Flüssigkeitsdurchtrittsöffnung in jeweils denjenigen Hohlraum 56, bei dem die radial außenliegende Flüssigkeitsaustrittsöffnung durch die Ventileinrichtung 58 geschlossen ist bzw. bei dem der Schließvorgang der Ventileinrichtung 58 kurz vor dem Abschluß steht. Vor dem Einströmen der Flüssigkeit ist der Hohlraum 56 jeweils frei von Flüssigkeit und zudem befindet sich im Hohlraum 56 Umgebungsdruck, d. h. dem Druck, der innerhalb des Gehäuses 32 der Vorrichtung 30 herrscht. Nachdem der Hohlraum 56 mit dem Strömungskanal 42 in Kontakt gebracht worden ist, kommt es aufgrund des sehr hohen Druckgefälles zu einem sehr schnellen Eindringen der Flüssigkeit in den jeweiligen Hohlraum. Dieses schnelle Einströmen wird durch das Vorsehen von Bypassleitungen unterstützt, die von Luft durchströmt werden, die beim Einströmen der Flüssigkeit im radial äußeren Bereich der Hohlräume komprimiert würde, wenn sie nicht durch die Bypassleitung entlang des betreffenden Hohlraumes radial nach innen und wieder in den Hohlraum strömen könnte. Die Verbindung zwischen den Hohlräumen und den zugeordneten Bypassleitungen am radial inneren Bereich ist in den Figuren nicht dargestellt, doch besteht dort eine Strömungsverbindung zwischen den Bypassleitungen in den zugehörigen Hohlräumen. Dieser beschriebene Zustand trifft auf den Hohlraum 56a in Fig. 4 zu, bei dem aufgrund der Formgebung der Nockenscheibe 70 das Ventil 58 soeben geschlossen worden ist. Bei einer weiteren Drehung des Schwungkörpers 44 und der daran befestigten Hohlräume und Nockenstangen über der ortsfesten Nockenscheibe 70 verbleibt über einen kurzen Drehwinkel, der zwischen 6° und 12° liegt, die Flüssigkeit im Hohlraum 56a eingeschlossen, bis das radial innere Ende 68 der Nockenstange in Kontakt tritt zur Auffahrrampe 70b, die zu einer Bewegung der Nockenstange 62 und zu einem Öffnen der Ventileinrichtung 58 führt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Hohlraum 56 nicht mehr in Verbindung mit dem Strömungskanal 42 und die in dem Hohlraum eingeschlossene Flüssigkeit strömt radial nach außen aus dem Hohlraum ab. Anschließend befindet sich der Hohlraum wieder in dem flüssigkeitsleeren Zustand mit geöffneter Ventileinrichtung, wie er in Fig. 4 durch den Hohlraum 56b dargestellt ist. Anschließend verbleiben die Hohlräume bei einer fortgesetzten Drehung des Schwungkörpers 44 in Pfeilrichtung D in dieser gezeigten Position, bis das radial innere Ende 68 der Nockenstange 62 mit der Rampe 70a der Nockenscheibe 70 in Berührung tritt und es zu einem schnellen Schließen der Ventileinrichtung 58 kommt, woraufhin durch die in Fig. 2 dargestellte Flüssigkeitsdurchtritts öffnung 54 wieder Flüssigkeit aus dem Strömungskanal 42 in den betreffenden Hohlraum einströmt.

Wie aus der vorstehenden Funktionsbeschreibung deutlich wird, wird in der Vorrichtung 30 eine gezielte Unwucht erzeugt, die jeweils nur innerhalb eines definierten und durch die Geometrie der Nockenscheibe 70 gegebenen Winkelbereiches wirkt. Hierdurch kommt es nicht zu Rüttelbewegungen oder Schwingungen in der Vorrichtung sondern jeweils zu einer gerichteten Kraft, deren Richtung durch die oben beschriebene Verstellmöglichkeit der Winkellage der Nockenscheibe 70 sowie der Wandung 52 des Strömungskanals 42 einstellbar ist.

Im folgenden soll die Funktion der Vorrichtungen 10 und 30 anhand von Beispielrechnungen dargelegt werden.

Berechnungen der Bewegung der Speicherpendelvorrichtung (Vorrichtung 10) bei einer Aufwärtsbewegung über eine schiefe Ebene mit einer Neigung von 2,6° gegenüber der Horizontalen

Wie eine Messung an einem Labormodell ergibt, ist der Reibungshaftkoeffizient zwischen der Vorrichtung der Masse M und der schiefen Ebene µ = 0,225. Die abgegebene Leistung des Elektromotors beträgt 525 mW. Aus einer Messung ergibt sich, daß die Zeit zum Durchlaufen einer Strecke von 10 mm entlang der schiefen Ebene 18 s beträgt, so daß die mittlere Geschwindigkeit v_m = 0,55 mm/s ist. Da die Bewegung ein Impuls ist, der anschließend zum Stillstand kommt, beträgt die pro Impuls erreichte Geschwindigkeit v = 1,11 mm/s. Jeder Impuls entsteht bei jedem vollständigen Umlauf der Masse m, da die Bewegung der Masse m eine gleichförmige Kreisbewegung mit der Winkelgeschwindigkeit 6,5 U/s ist und somit muß t_Impuls = 0,15 s betragen. Daher beträgt die mit dem System erreichbare Beschleunigung a 1,11/0,14 = 7,4 mm/s². Bei Heranziehung des zweiten Newtonschen Gesetzes erhalten wir

F - Mgsinα - µMgcosα = M a.

Bei einer Masse der Vorrichtung 10 von M = 5 kg ergibt sich somit eine Kraft F von 13,27 N.

Für die Berechnung der Zentrifugalkraft F_d nehmen wir eine Scheibe mit dem Radius R, die mit einer Winkelgeschwindigkeit der Umlaufbewegung ω umläuft und deren Masse m nahezu auf dem Umfang liegt.

ω = 6,5 Umdrehungen/s = 2π6,5 rad/s
m = 62,2 g = 62,2 10^-3 kg
R = 30 mm = 30 10^-3 m.

Damit ist Fd = m w² R = 3,1 N.

Wie oben erläutert wurde, wird die gespeicherte Energie im Pendel bei der in Fig. 1D dargezeigten Position übertragen. Während der in Pfeilrichtung C (siehe Fig. 1C) gezeigten Bewegung des Pendels wird die gespeicherte Energie im Pendel (in Fig. 1B) durch die Zentrifugalkraft der in Richtung auf den Anschlag 28 gerichteten Bewegung unterstützt. Die auf das Pendel wirkende, zurückführende Kraft wurde mit einem Dynamometer gemessen, wobei die Messung etwa 7,2 N ohne Berücksichtigung der Unterstützung der Zentrifugalkraft beim Zurückführen des Pendels ergab. Daher besitzt die vom Speicherpendel aufgebrachte Gesamtkraft folgenden Wert:

F = Fd + F_pendel + Fd = 3,1 + 7,2 + 3,1 = 13,4 N.

Die Messungen wurden mit nur ungenauen Meßgeräten vorgenommen, so daß es zu einer Abweichung des Wertes von dem theoretisch errechneten Wert kommt.

Theoretische Berechnung der bei der Vorrichtung 30 entstehenden Kraft

Es wird von einer Zylinderscheibe mit dem Radius k ausgegangen, an der ein zylindrisches Rohr mit dem Radius r und der Höhe R fest angebracht ist, wobei das Rohr im oberen Abschnitt A verschlossen und im unteren Abschnitt B offen ist. Wir lassen nun diesen ganzen Verbund in einer vertikalen Ebene mit einer Winkelgeschwindigkeit ω umlaufen und leiten eine Flüssigkeit mit der Dichte ρ durch B in der Weise ein, daß zu einem gegebenen Augenblick diese Flüssigkeit unter Druck steht, wobei sie einen Raum zwischen R₁ und R im Inneren des Rohres einnimmt.

Zur Berechnung der entstandenen Kraft ziehen wir ein infinitesimal kleines Element der Masse dm heran, das sich in einem Abstand x vom Mittelpunkt O befindet und die Höhe dx besitzt.

Die Kraft in vertikaler Richtung beträgt

Da bei unserer Vorrichtung ϑ sehr klein wird: → cos ϑ ∼ 1 folgt für die Kraft in vertikaler Richtung

Bei unserer Vorrichtung möchten wir erreichen, daß die Flüssigkeit während des Zeitraums, in dem der Schwungkörper um einen Winkel von 12° bewegt wird, mit Druck beaufschlagt. Dieser Zeitraum hat folgenden Wert:

Für ω = 6000 U/min → t₆₀₀₀ = 0,0003 s.

Damit die Zeit so klein sein kann, können wir annehmen, daß die Kraft in etwa momentan ist. Somit gilt:

Wählt man als Beispiel zur Berechnung der mit der Vorrichtung erzielten Kraft und Energie sowie des Energieverbrauchs R = 30 cm, R₁ = 10 cm, r = 15 cm, ω = 1500 U/min und wählt man als Flüssigkeit Quecksilber mit der Dichte 13,6 g/cm³, so beträgt die Kraft F = 6588,83 N. Setzt man des weiteren voraus, daß der Körper, den wir aufwärts bewegen wollen, eine Masse M = 100 kg besitzt, so beträgt die für einen Durchlauf benötigte Zeit t_Durchlauf = 2π/(2π.1500/60)=0,04 s. Die auf das System einwirkende resultierende Kraft beträgt 38552,98 N und die Beschleunigung ist a = F_{Resultierende}/M = 56,0883m/s². Die Distanz, über die das System aufwärts bewegt wird, beträgt x = ½ a.t² = 0,04487 m und die erzielte Energie beträgt W = 1729,87 J.

Zur Berechnung des Energieverbrauchs müssen wir den entsprechenden Verbrauch beim Anstieg des Quecksilbers für die 6 Röhrchen berücksichtigen: E_verbraucht = 6 E_{eines Röhrchens}.

Nun wird der Energieverbrauch für den Anstieg des Quecksilbers bis zum Erreichen des oberen Teils des Röhrchens berechnet.

Die für den Anstieg des Quecksilbers von 1 auf 2 benötigte Energie beträgt:
ΔE = E₂ - E₁ = E_C2 - E_C1, wobei die potentielle Energie sehr klein ist und deshalb vernachlässigt wurde.

E_C1 ist die kinetische Energie des gesamten Systems (Scheibe mit den Röhrchen) ohne das Quecksilber. Es ergibt sich E_C1 = ½ Iω².

E_C2 bezeichnet die kinetische Energie der Drehbewegung unter Berücksichtigung des Anstieges des Quecksilbers bis zur Position 2: E_C2 = ½ (I + I_{austretende Masse}) ω².

ΔE_C = E_C2 - E_C1 = ½ I_{austretende Masse}ω² = ½ mh²ω², wobei m die austretende Masse repräsentiert, und h den Abstand zwischen dem Schwerpunkt der Masse und der Drehachse angibt.

Die in das Röhrchen eingefüllte Quecksilbermasse beträgt:
m_Quecksilber = ρπr²H = 1,34 kg.

Teilt man diese Masse des Quecksilbers in drei verschiedene Höhenelemente auf, und zwar mit einer Höhe von 7 cm und der Masse 0,47 kg und in eines der Höhe 6 cm und der Masse 0,4 kg, so werden diese Elemente entlang des Röhrchens bis zu dessen Ende nach oben bewegt. Berechnet man nun die während dieses Ablaufs durchlaufenden Stadien, so ergibt sich der Wert von E_T (pro Röhrchen verbraucht) = 677,96 J und der Gesamtverbrauch E_TVerbrauch von 4.067,76 J. Somit beträgt der Wirkungsgrad der Vorrichtung η = 42,5%.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die Einsatzbereiche der erzeugten Kraft können sowohl bei der Verwendung von Pressen anstelle von hydraulischer Pressen, aber auch beim Erzeugen von Impulsen in jeder beliebigen Belastungsart, sei es in der Industrie, bei Eigenantrieb, im Transportwesen zu Land, zur See und in der Luft verwendet werden. Des weiteren kann die Kraft als Kolben für den Eigenvortrieb für Geschosse oder den Transport von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen eingesetzt werden, wie auch für die Erzeugung von Druck oder Unterdruck in Hydraulikmedien, Flüssigkeiten oder Pneumatikmedien. Ein weiterer Anwendungsbereich liegt in Hebeeinrichtungen für Lasten wie Kräne.

Da die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte Kraft sich auch unter Abwesenheit von Gravitationsfeldern erzeugen läßt, ist insbesondere der Einsatz in Raumfahrzeugen von besonderer Bedeutung.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Kraft aus einer Drehbewegung, umfassend:

- einen zwangsrotierbaren Schwungkörper (18) mit einer bezüglich der Rotationsachse exzentrischen Massenverteilung;
- eine Übertragungseinrichtung, die ein Pendel (14), das schwenkbar an einem Traggestell (12) befestigt ist und an dem der Schwungkörper (18) drehbar angeordnet ist; und
- einen Anschlag (28) am Traggestell (12) umfaßt, gegen den das Pendel (14) bewegbar ist; wobei
- durch das Bewegen des Pendels (14) gegen den Anschlag (28) die durch die exzentrische Massenverteilung des Schwungkörpers (18) erzeugbare Unwucht in eine gerichtete Kraft übertragen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwungkörper (18) umfaßt:

- eine rotationssymmetrische Grundscheibe (20) mit einer bezüglich der Rotationsachse im wesentlichen rotationssymmetrischen Massenverteilung; und
- einen Unwuchtkörper (22), der auf der Grundscheibe (20) exzentrisch angebracht ist.

3. Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Kraft aus einer Drehbewegung umfassend:

- einen zwangsrotierbaren Schwungkörper mit einer bezüglich der Rotationsachse exzentrischen Massenverteilung, wobei der Schwungkörper umfaßt:
- eine rotationssymmetrische Grundscheibe (44) mit einer Mehrzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden Hohlräumen (56), die je nach Drehwinkelstellung der Grundscheibe (44) radial innen mit einem nicht rotierbaren, konzentrischen Strömungskanal (42) für Flüssigkeit in Flüssigkeitsverbindung stehen, und radial außen verschließbare (58) Flüssigkeitsaustrittsöffnungen aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwungkörper (44) mit der Ausgangswelle (48) eines Elektromotors (46) drehstarr gekoppelt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, weiter umfassend:

- eine Nockenscheibe (70), die am Strömungskanal (42) drehstarr befestigt ist; und
- Nockenstangen (62), die mit den verschließbaren Flüssigkeitsaustrittsöffnungen in Verbindung stehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelbereich auf dem Umlaufweg des Schwungkörpers innerhalb dessen die Flüssigkeitsaustrittsöffnungen in einer geschlossenen Stellung sind, kleiner als 15° ist, und vorzugsweise bei 12° liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, weiter umfassend:

- eine Flüssigkeitsfördereinrichtung, deren Ausgang mit dem Strömungskanal (42) in Flüssigkeitsverbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsfördereinrichtung Flüssigkeit mit hoher Dichte, vorzugsweise Quecksilber, fördert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Strömungskanal (42) unter einem erhöhten Druck steht.

10. Verfahren zum Erzeugen einer gerichteten Kraft aus einer Drehbewegung in einer Vorrichtung mit einem Schwungkörper, umfassend die Schritte:

- Rotieren des Schwungkörpers;
- Erzeugen einer gezielten Unwucht durch eine konstante, exzentrische Massenverteilung des Schwungkörpers; und
- Übertragen der Unwucht in eine gerichtete Kraftkomponente durch das schwenkende Auslenken eines Pendels, das an einem Traggestell befestigt ist, und das Inkontakttreten mit einem Anschlag am Traggestell.

11. Verfahren zum Erzeugen einer gerichteten Kraft aus einer Drehbewegung in einer Vorrichtung mit einem Schwungkörper, umfassend die Schritte:

- Rotieren des Schwungkörpers;
- Erzeugen einer gezielten Unwucht am Schwungkörper, das durch das gezielte Verändern der Massenverteilung des Schwungkörpers durch das Fördern einer Flüssigkeit in Hohlräume des Schwungkörpers; das zeitweilige Einschließen der Flüssigkeit in den Hohlräumen; das Öffnen einer verschließbaren Öffnung der jeweiligen Hohlräume und das Ausströmen der Flüssigkeit durchgeführt wird; und
- Übertragen der Unwucht in eine gerichtete Kraftkomponente.