DE19723011C2

DE19723011C2 - Vorrichtung zum Erzeugen einer über einen Arbeitsweg konstanten Kraft

Info

Publication number: DE19723011C2
Application number: DE1997123011
Authority: DE
Inventors: Herbert Aberle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2017-06-03
Also published as: AU8530198A; DE19723011A1; WO1998055789A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer über einen Arbeitsweg im wesentlichen konstanten Kraft, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise in der Anlagentechnik zum spannungsarmen Aufhängen bzw. Abstützen von Rohrleitungen verwendet wird und unter der Bezeichnung "Konstanthänger" be kannt ist.

Derartige Vorrichtungen zum Erzeugen einer konstanten Kraft über einen bestimmten Weg werden außer in dem genannten Anwendungsbereich in zahlreichen anderen Berei chen der Technik verwendet und sind in unterschiedlichen Bauarten bekannt. Im ein fachsten Fall bedient man sich der konstanten Zugkraft bzw. Gewichtskraft eines an ei nem Zugmittel wie z. B. einem Seil o. ä. hängenden Gewichts, wobei die Kraft über Um lenkrollen in die gewünschte Richtung bzw. an den Einsatzort gebracht wird. Bei größeren Kräften im Bereich von mehreren kN erweist sich hierbei allerdings die Bereitstellung und räumliche Unterbringung des erforderlichen Gewichts als nachteilig. Soweit Federn verwendet werden, besteht ein Problem dahingehend, daß Federkennlinien in der Regel weglinear sind, d. h. keine kon stanten Kräfte bereitstellen. Weiter besteht der Nachteil, daß bei bekannten Vorrichtun gen ein hystereseartiger Effekt aufgrund Reibung auftritt, der günstigstenfalls im Bereich von 6% der Auslegungskraft derartiger Vorrichtungen beträgt.

Aus der FR-2 286 230 sind gattungsgemäße Vorrichtungen zum Erzeugen einer mehr oder weniger konstanten Kraft bekannt, bei denen Schraubenfedern verwendet werden. Hierbei ist insbesondere die Umsetzung der linear wirkenden Federkraft von Schrauben federn in die zweidimensionale Bewegung der auf die Steuerkurven einwirkenden Druckelemente problematisch und führt aufgrund von Winkelauslenkungen der Zug- bzw. Druckstangen zu Abweichungen von der gewünschten konstanten Kraft. In ande ren Ausführungsformen, bei denen diese Fehlerquelle umgangen wird, entstehen durch zusätzlich erforderliche Hebel erhöhte Reibungsverluste.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, eine Vorrichtung zum Er zeugen einer über einen Arbeitsweg im wesentlichen konstanten Kraft dahingehend zu verbessern, daß die obengenannten Nachteile überwunden werden und eine kompaktere, leichtere, einfacher aufgebaute, kostengünstigere und geringere Reibungsverluste (Hy sterese) aufweisende Konstruktion bereitgestellt wird.

Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf eine Zeichnung weiter erläutert, wobei

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt;

Fig. 2 schematisch das Funktionsprinzip der Anordnung nach Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 die Winkel- und Kraftverhältnisse der Anordnung nach Fig. 1 und 2 erläutert;

Fig. 4a den Verlauf der Kraft F₁ in Abhängigkeit vom Winkel α zeigt;

Fig. 4b den Verlauf des Winkels α in Abhängigkeit vom Win kel ϕ zeigt;

Fig. 4c den Verlauf der Kraft F₁ in Abhängigkeit vom Winkel ϕ zeigt; und

Fig. 5 den Kurvenverlauf y (x) für die Ausführungsform nach Fig. 1 zeigt.

Zunächst sei auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine erfin dungsgemäße Vorrichtung am Beispiel einer Rohraufhängung mit einem sogenannten Konstanthänger zeigt, der im ganzen mit 1 bezeichnet ist.

Die Aufgabe der Vorrichtung 1 besteht darin, eine Rohrlei tung 2, die aufgrund von Dehnungs- bzw. Schrumpfungsvor gängen, Wärmespannungen etc. insbesondere vertikalen Bewe gungen in Richtung des Pfeils 3 unterworfen ist, mit einer Kraft abzustützen, die sich über einen bestimmten Weg in vertikaler Richtung nicht bzw. so wenig wie möglich ver ändert, da andernfalls Beschädigungen an der Rohrleitung auftreten können.

Hierzu ist die Anordnung so getroffen, daß der Konstant hänger 1 zum Übertragen der erforderlichen Tragkraft zwi schen der Rohrleitung und einer die Tragkraft aufnehmenden Ständer- oder Deckenkonstruktion oben an einem Aufhänge punkt 4 gehalten ist und seinerseits bei 5 die Rohrleitung trägt. An den genannten Aufhängepunkten ist jeweils eine gewisse Schwenkbewegung möglich. Aufgrund dieser zweifa chen, jeweils schwenkbaren Aufhängung können auch axiale Verlagerungen der Rohrleitung in Richtung des Pfeils 6 bis zu einem bestimmten Maß aufgenommen werden.

Der in Fig. 1 in einem zum Teil schematischen Längsschnitt dargestellte Konstanthänger 1 weist ein kastenartiges Ge häuse 10 auf, in dem zwei Torsionsarme 11, 12 an Torsions federn 13, 14 um Schwenkachsen 15, 16 schwenkbar gehalten sind. Die in Richtung der Torsionsachsen 15, 16, d. h. senkrecht zur Darstellungsebene verlaufenden Torsionsfe dern 13, 14 sind mit einem oder auch beiden Endabschnitten in den entsprechenden Seitenwänden des Gehäuses 10 dreh fest gelagert.

Die Torsionsarme tragen an ihren den Torsionsfedern gegen überliegenden, freien Endabschnitten jeweils eine rei bungsarm drehbar gelagerte Rolle 18, 19, mit der sie gegen eine Führungsfläche 20 eines Übertragungselements 21 an liegen.

Die Torsionsfedern können so angeordnet sein, daß auf die Torsionsarme in der dargestellten horizontalen Position (noch) kein Torsionsmoment wirkt, oder alternativ so, daß eine Vorspannung vorhanden ist, durch die die Rollen 18, 19 in der horizontalen Position eine nach oben weisende Kraft auf das Übertragungselement 21 ausüben.

Fig. 2 erläutert das Funktionsprinzip der Torsionsarman ordnung. Bei vertikaler Auslenkung des Übertragungselements 21 entlang einer ersten Achse y um einen beliebigen Betrag innerhalb eines konstruktiv bedingten Maximalbereichs wer den die Torsionsarme um einen Winkel ϕ gegenüber ihrer Ausgangsposition verschwenkt, wobei die Rollen 18, 19 ent lang einer Kreisbahn um die Achsen 15, 16 bewegt werden und die Torsionsfedern ein winkelabhängiges Moment T er zeugen. Die an den freien Enden der Torsionarme resultie renden Kräfte F₁ erzeugen durch Zusammenwirken mit der in genau festgelegter, noch im einzelnen zu erläuternder Wei se konturierten Führungsfläche 20 eine auf das Übertra gungselement 21 wirkende Gesamt-Vertikalkomponente F. Da mit die Kraft F bis auf Reibungseinflüsse unabhängig von der vertikalen Stellung des Übertragungselements 21 bzw. von ϕ ist, besitzt die Führungsfläche 20 eine vorgegebene Kontur α (y) bzw. α (x), die wie folgt bestimmt wird.

Fig. 3 zeigt die Längen- und Winkelverhältnisse an Tor sionshebeln und Führungsfläche im einzelnen. Am Beispiel des linken Torsionshebels 11 ist dargestellt, wie das aus einem Torsionswinkel ϕ resultierende Torsionsmoment T um die Achse 15 am Ende des eine Länge l_H aufweisenden Tor sionsarms, der mit einer Rolle 18 versehen ist, zu einer Kraft F_H (entlang der Wirkungslinie W_FH, senkrecht zur Längsachse des Torsionarms) bzw. zu einer effektiv auf das Übertragungselement 21 wirkenden Kraft F₁ (entlang der Wir kungslinie W_F1, lokal senkrecht zur Führungsfläche 21) führt.

Der konstruktiv vorgebbare bzw. vorgegebene, lokale Winkel α der Führungsfläche 21 legt hierbei die Richtung der Kraft F₁ und damit deren letztlich über das Teil 21 über tragene Komponente in vertikaler Richtung (in Richtung der Wirkungslinie W_F) fest, so daß eine konstante bzw. von ϕ unabhängige Kraft F, die die Rohrleitung abstützt, reali siert werden kann.

Für die Vertikalkomponente F_V von F₁ gilt

F_V = F₁.cos α

Andererseits ist

F₁ = F_H/cos β,

wobei

F_H= T/l_H

und

β = α - ϕ,

so daß bei einer Ausführung mit zwei Torsionsarmen gilt:

F_V = 1/2.F

oder

Mit

(Voraussetzung: keine Vorspannung bei waagrechten Hebeln)
wobei
I_P: polares Flächenmoment der Torsionsfeder
G: Schubmodul
l_F: Länge der Feder
folgt

oder

Die x-Koordinate der Führungsfläche 20 läßt sich in Abhän gigkeit von ϕ wie folgt berechnen (r: Rollenradius):

x_F = l_H . cos (ϕ) + r . sin (α) - (l_H + r . sin [α(ϕ = 0)])

Die Steigung der Führungsfläche beträgt

f' (x_F) = tan (-α) = dy/dx.

Dies erlaubt eine schrittweise Berechnung des tatsächli chen Verlaufs der Führungsfläche 20, wenn als Ursprung ein geeigneter Punkt (x₀, y₀) festgelegt wird.

Fig. 4a, b und c zeigen beispielhaft den Verlauf der Kraft F₁ in Abhängigkeit von α (Fig. 4a), α in Abhängigkeit von ϕ (Fig. 4b) und F₁ in Abhängigkeit von ϕ (Fig. 4c).

Fig. 5 zeigt einen beispielhaft berechneten Verlauf x (y) der Führungsfläche, was gleich zeitig einer Seitenansicht des Übertragungselements 21 wie in Fig. 1 entspricht.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sehr geringe Reibungsverluste von le diglich 2%, bezogen auf die zu erzeugende Kraft, realisiert werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer über einen Arbeitsweg im wesentlichen konstanten Kraft (F), insbesondere Konstanthänger (1), mit einem federkraftbeaufschlagten (13, 14), am Ende eines Schwenkhebels (11, 12) entlang einer Bewegungsbahn be weglich geführten Druckelement (18, 19), das gegen eine Füh rungsfläche (20) eines entlang einer ersten Achse (y) beweg lich geführten Übertragungselements (21) anliegt und eine Kraft (F₁) mit einer in Richtung der ersten Achse (y) weisenden Komponente (F_V) auf das Übertragungselement (21) ausübt, wobei das Druckelement (18, 19) bei einer Bewegung des Übertragungs elements (21) entlang der ersten Achse (y) eine Bewegung in Richtung der ersten Achse und in Querrichtung (x) senkrecht zu der ersten Achse ausführt, wobei der Konturverlauf (y (x) bzw. α) der Führungsfläche (20) so ist, daß die in Richtung der ersten Achse (y) weisende Komponente (F_V) der über das Druck element auf das Übertragungselement wirkenden Kraft (F₁) im we sentlichen unabhängig von der Position des Übertragungsele ments in Richtung der ersten Achse (y) ist, dadurch gekenn zeichnet, daß das Druckelement mit einer Torsionsfeder (13, 14) beaufschlagt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckelement (18, 19) reibungsarm entlang der Führungsflä che (20) verlagerbar ist, so daß die auf das Übertragungsele ment (21) ausgeübte Kraft (F₁) im wesentlichen lokal senkrecht zur Führungsfläche (α) gerichtet ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckelement eine Rolle ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hebel (11, 12) symmetrisch zu einer die erste Achse (y) enthaltenden Mittelebene angeordnet sind, wobei das Übertragungselement (21) mittels der Hebel beweglich geführt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konturverlauf (y (x) bzw. α) der Füh rungsfläche (20) durch folgenden Zusammenhang festgelegt ist:
mit
α = Winkel der Führungsfläche (20) gegenüber der er sten Richtung (y)
I_P = polares Flächenmoment der Torsionsfeder
G = Schubmodul
l_F = Länge der Torsionsfeder
l_H= Länge des Torsionshebels
ϕ = Winkelauslenkung der Torsionsfeder.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Torsionshebelstellung ϕ = 0 keine Vorspannung vorhanden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß in der Torsionshebelstellung ϕ = 0 eine Vor spannung vorhanden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Torsionsfeder(n) (13, 14), Hebel (11, 12) und Übertragungselement (21) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind und ein mit dem Übertragungselement verbunde nes Anschlußgestänge (22) aus dem Gehäuse herausgeführt ist.