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Gegengewichtssystem
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gegengewichtssystem mit einem mit
einer beweglichen Last verbundenen Gegengewicht zum Ausgleich von veränderlichen
dynamischen und/oder statischen Kräften, die von der Lastnacheinerbekannten Funkticnlhrer
Stellung ausgeUbt werden.
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Veränderliche dynamische Kräfte können bei einem solchen Gegengewichtssystem
durch die positiven und negativen Beschleunigungen der Last und der sonstigen beweglichen
Teile entstehen. Veränderliche statische Kräfte entstehen beispielsweise dann, wenn
die Last nicht linear gehoben und gesenkt, sondern um eine horizontale Achse verschwenkt
wird.
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Bei den üblichen Gegengewichtssystemen ist das wirksame Gewicht des
Gegengewichts konstant. Ein vollständiger Ausgleich der Kräfte ist daher höchstens
für einen einzigen Zustand möglich. Im allgemeinen müssen aber noch zusätzliche
Bedingungen eingehalten werden, welche die Möglichkeit eines optimalen Kräfteausgleichs
noch beträchtlich
einschränken. Bei einer Last, die nach dem Heben
wieder unter ihrem eigenen Gewicht nach unten gehen soll, darf beispielsweise kein
vollständiger Kräfteausgleich stattfinden, weil sonst ein Totpunkt entsteht. Wenn
die Last und das Gegengewicht an einem Seil aufgehängt sind; muß ferner die Tatsache.berücksichtigt
werden, daß über ein Seil nur Zugkräfte, aber keine Druckkräfte übertragen werden
können.
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Bei den bekannten Gegengewichtssystemen muß daher im allgemeinen Energie
von außen zugeführt werden, beispielsweise beim Heben der Last zum Ausgleich des
noch bestehenden Gewichtsunterschieds zzlschen Last und Gegengewicht sowie zur Erzeugung
der erforderlichen Beschleunigung. Diese Energie wird zwar in potentielle oder kinetische
Energie umgewandelt, doch kann diese potentielle oder kinetische Energie innerhalb
des Systems nicht vollständig wiedergewonnen werden und auch gewöhnlich nicht an
eine äußere Energiequelle zurUckgeliefert werden; sie geht deshalb durch Abbremsung
verloren. Dieser Energieverlust macht sich besonders dann unangenehm bemerkbar,
wenn schwere Lasten in großen Zeitabständen, dann aber Jeweils möglichst schnell
bewegt werden sollen. Damit die erforderliche Energie in der gewünschten kurzen
Zeit geliefert werden kann, müssen Kraftmaschinen großer Leistung installiert werden,
die dann wegen der geringen Häufigkeit des Betriebs schlecht ausgenutzt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Gegengewichtssystems,
bei dem die erforderliche Zufuhr äußerer Energie auf ein Mindestmaß herabgesetzt
ist.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das wirksame
Gewicht des Gegengewichts zur Anpassung an die sich ändernden statischen und oder
dynamischen Kräfte in Abhängigkeit von seiner Stellung veränderlich ist.
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Mit dem Gegengewichtsystem nach der Erfindung können alle auftretenden
statischen und dynamischen Kräfte in Jeder Bewegungsphase optimal ausgeglichen werden,
wenn sich diese Kräfte nach einer bekannten, in Jedem Bewegungszyklus gleichen Funktion
des Weges der Last und damit auch des Weges des Gegengewichts ändern, so daß das
aus Last und Gegengewicht bestehende System in Jedem Zeitpunkt genau oder wenigstens
sehr angenähert im Gleichgewichts zustand ist. Da dieser Gleichgewichtszustand auch
für die dynamischen Kräfte (Beschleunigungen) gilt, braucht für die Bewegung des
Systems keine wesentliche äußere Kraft aufgewendet zu werden. Die auftretenden kinetischen
und/oder potentiellen Energien werden innerhalb des Systems vollkommen wiedergewonnen,
und die Zuführung äußerer Energie beschränkt sich auf die Deckung der Verluste,
die durch Reibung, Luftwiderstand usw. verursacht werden.
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Da die für die Bewegung der Last aufzubringende Energie innerhalb
des Systems umgesetzt wird, spielt es auch keine Rolle, in welcher Zeit diese Energie
umgesetzt wird; die innere Leistung des Systems kann daher beliebig groß sein, ohne
daß dies nach außen in Erscheinung tritt. Somit können mit dem Gegengewichtssystem
nach der Erfindung sehr schwere Lasten in sehr kurzer Zeit bewegt werden, ohne daß
hierfür Maschinen großer Leistung installiert werden müssen. Die installierte Leistung
beschränkt sich auf die für die Deckung der Verlustenergie in der verfügbaren Zeit
benötigte Leistung. Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist es möglich,
die fUr die Deckung der Verluste erforliche Energie während verhältnismäßig langer
Betriebspausen zuzuführen und zu speichern, so daß hierfür eine sehr geringe Leistung
genügt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Gegengewichtssystems nach der
Erfindung besteht darin, daß das Gegengewicht mehrere getrennte Teilgewichte aufweist,
die trennbar mit der Last verbunden sind, und daß Einrichtungen vorgesehen sind,
die an vorbestimmten Punkten der Bewegungsbahn des Gegengewichts einzelne Teilgewichte
von der Last trennen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig.1 eine schematische Darstellung eines Gegengewichtssystems bekannter Art mit
konstantem Gegengewicht, Fig.2 Diagramme zur Erläuterung der bei Gegengewichtssystemen
auftretenden Erscheinungen, Fig.3 schematische Darstellungen eines Gegengewichtssystems
nach der Erfindung in verschiedenen Betriebszuständen zur Erläuterung des der Erfindung
zugrundeliegenden Prinzips, Fig.4 eine Ausführungsform eines Gegengewichtssystems
nach der Erfindung, das die an Hand von Fig.3 erläuterte Wirkungsweise ergibt, Fig.5
eine andere Ausführungsform des Gegengewichtssystems nach der Erfindung, Fig.6 eine
vergrößerte perspektivische Teilansicht des Gegengewichtssystems von Fig.5,
Fig.7
eine schematische Teilansicht eines Teilgewichts und eines Abschnitts der FUhrungsbahn
bei einer weiteren Ausführungsform des Gegengewichtssystems nach der Erfindung in
drei verschiedenen Betriebsstellungen, Fig.8die Stirnansicht des Teilgewichts un
Fig.7, Fig.9 die Stirnansicht eines größeren Abschnitts der Führungsbahn von Fig.7,
Fig.10 eine weitere Ausführungsform des Gegengewichtssystems nach der Erfindung,
Fig.11 eine Ausführungsform des Gegengewichtssystems ohne Führungsbahn, Fig.12 ein
Gegengewichtssystem der in Fig.4 gezeigten Art mit zusEtzISchen Stoßdämpfern, Fig.13
ein Gegengewichtssystem nach der Erfindung, mit zwei entgegengesetzt wirkenden Gegengewichten,
Fig. 14 ein Gegengewichtssystem mit starrer Verbindung zwischen Last und Gegengewicht
in zwei verschiedenen Betriebsstellungen, Fig.15 die Anwendung eines Gegengewichtssystemsnach
der Erfindung bei einer Last, die veränderliche statische Kräfte erzeugt,
Fig.16
ein autonom arbeitendes System zum Heben und Senken einer Last mit einem Gegengewichtssystem
nach der Erfindung, Fig.17 eine Ausführungsform des Gegengewichtssystems nach der
Erfindung für ein autonom arbeitendes System der in Fig.16 gezeigten Art und Fig.18
eine perspektivische Teilansicht eines Bestandteils des Gegengewichtssystems von
Fig. 17.
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Fig.1 zeigt eine Last 1 von konstantem Gewicht, die an einem Seil
2 aufgehängt ist, das über eine Seilscheibe 3 geführt ist und zu einer Seiltrommel
5 verläuft, die von einem Elektromotor 6 über ein aus einem Motorritzel 7 und einem
Zahnrad 8 bestehenden Getriebe angetrieben wird. Zur Verringerung der zum Heben
der Last 1 aufzuwendenden Energie ist an dem zwischen der Seil scheibe 3 und der
Seiltrommel 5 verlaufenden Abschnitt des Seils 2 ein Gegengewicht 4 von gleichfalls
konstantem Gewicht angebracht. Beim Heben mit konstanter Geschwindigkeit braucht
somit der Elektromotor 6 nur die Energie aufzubringen, die der Differenz zwischen
dem Gewicht der Last 1 und dem Gewicht des Gegengewichts 4 entspricht. Diese Differenz
kann nicht vollkommen zu Null gemacht werden, damit das System in einem stabilen
Zustand bleibt und sich die Last unter ihrem eigenen Gewicht absenken kann.
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obgleich in diesem Fall die Last 1 ein konstantes Gewicht hat, weist
das System drei Zustände unterschiedlicher Beschleunigung auf: - ein Zustand positiver
Beschleunigung beim Beginn der Aufwärtsbewegung und am Ende der Abwärtsbewegung;
- ein Zustand der Beschleunigung Null während des größten Teils der Aufwärtsbewegung
und der Abwärtsbewegung; - ein Zustand negativer Beschleunigung am Ende der Aufwärtsbewegung
und am Beginn der Abwärtsbewegung.
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Dabei werden nach oben gerichtete Beschleunigungen positiv und nach
unten gerichtete Beschleunigungen negativ gezählt.
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Wenn angenommen wird, daß es sich um ein verlustfreies System handelt
und die Summe der kinetischen Energie
und der potentiellen Energie
im System konstant bleibt, läßt es sich zeigen, daß die von außen auf das Seil 2
auszuübende Kraft(und damit auch das Drehmoment des Motors 6) sich linear mit der
Beschleunigung der Last 1 ändert. Diese Kraft hängt von den zu beschleunigenden
Massen der Last 1 und des Gegengewichts 4 sowie von den Trägheitsmomenten der rotierenden
Teile, insbesondere der Seiltrommel 5 und der Seilscheibe 2 ab. Die lineare Beziehung
ist durch die folgende Gleichung gegeben:
Darin sind M = Drehmoment des Motors 6 r1 = Radius des Motorritzels 7 r2 = Radius
des Zahnrads 8 R = Wickelradius der Seiltrommel 5 r3 = Radius der Seilscheibe 3
W = Masse der Last 1 ==Massenunterschied zwischen der Last 1 und dem Gegengewicht
4 Ic = Trägheitsmoment des Seiltrommelsystems Ip = Trägheitsmoment des Seilscheibensystems.
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Durch geeignete Bemessung des Cewichts des Gegengewichts 4 kann im
Optimalfall das Drehmoment des Motors 6 für einen
dieser Beschleunigungszustände
zu Null gemacht werden. Dies ist in Fig.2a dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt
das vom Motor 6 aufzubringende Drehmoment M als Funktion der Beschleunigung b der
Last 1 entsprechend der obigen Gleichung, wobei der Punkt A einer konstanten negativen
Beschleunigung, der Punkt B der Beschleunigung O und der Punkt C einer konstanten
positiven Beschleunigung entsprechen.
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Die volle Linie zeigt die optimale Lösung, die mit einem konstanten
Gegengewicht erzielt werden kann; sie ist dann erreicht, wenn in dem der negativen
Beschleunigung entsprechenden Punkt A das Drehmoment M gerade zu Null gemacht ist,
wenn also der Motor am Beginn der Abstiegsphase oder am Ende der Aufstiegsphase
kein Drehmoment aufzubringen hat.
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Aus Fig.2a ist aber zu erkennen, daß dann der Motor 6 während der
beiden anderen Beschleunigungsphasen ein Drehmoment aufbringen muß, nämlich während
der Phase B konstanter Ceschwindigkeit, die während des größten Teils der Aufwärts-
und Abwärts-Bewegung besteht, das Drehmoment MB, und während der Phase C positi
wr Beschleunigung am Beginn der Aufwärtsbewegung und am Ende der Abwärtsbewegung
des Drehmoment a . Die diesen Drehmomenten entsprechende Energie muß bei der Aufwärtsbewegung
der Last 1 von außen zugeführt werden; sie könnte bei der Abwärtsbewegung zum Teil
wiedergewonnen werden, wenn der Motor 6 dann als Generator arbeiten würde. Da diese
Lösung aber in den meisten Fällen nicht realisierbar ist, geht die während der Aufwärtsbewegung
gespeicherte potentielle Energie bei der Abwärtsbewegung gewöhnlich durch Abbremsung
verloren.
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In Fig.2b ist für den in Fig.2a in voller Linie aufgetragenen Optimal
fall das Drehmoment M als Funktion des Weges s der Last 1 dargestellt. Dieses Diagramm
läßt die Grenzen der mit einem konstanten Gegengewicht erzielbaren Optimierung erkennen.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, das wirksame Gewicht
des Gegengewichts 4 derart zu verändern, daß in Jeder Bewegungsphase ein Kräftegleichgewichtbesteht
und somit im Idealfall die von außen zugeführte Energie zu Null gemacht werden kann.Das
Ergebnis dieser Maßnahme ist im Diagramm von Fig.2c dargestellt, das wieder, wie
das Diagramm von Fig.2a , das aufzubringende Drehmoment als Funktion der Beschleunigung
b zeigt. Die Linie I gilt für den Fall, daß das Gegengewicht 4 so bemessen ist,
daß während der Phase A negativer Beschleunigung kein Drehmoment aufzubringen ist.
Dies entspricht dem in Fig.2a durch eine volle Linie dargestellten Fall. Die Linie
II entspricht dem Fall, daß das Gegengewicht 4 so bemessen ist, daß während der
Phase B der Beschleunigung O (konstanter Geschwindigkeit) kein Drehmoment aufzuwenden
ist, und schließlich gilt die Linie III für den Fall, daß während der Phase C der
positiven Beschleunigung das aufzubringende Drehmoment Null ist. Es ist zu beachten,
daß die der Linie II entsprechende Bemessung des Gegengewichts für die Phase C positiver
Beschleunigung noch ein positives Drehmoment erfordern würde, Jedoch für die Phase
A negativer Beschleunigung ein negatives Drehmoment ergeben würde, was im vorliegenden
Fall nicht möglich wäre, weil über das Seil keine negative Kraft übertragen werden
kann. In gleicher Weise würde die der Kurve III entsprechende Bemessung des Gegengewichts
negative Drehmomente fUr die Phasen A und B ergeben, die über ein Seil nicht übertragen
werden können. Dagegen könnte ein negatives Drehmoment aufgebracht werden, wenn
die Verbindung zwischen der Energiequelle (Antriebsmotor 6) und der Last starr wäre.
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Fig.2c läßt erkennen, daß nur dann eine Optimierung hinsichtlich des
aufzubringenden Drehmoments fUr alle Betriebszustände erzielt werden kann, wenn
die
Masse des Gegengewichts 4 während des Betriebs des Systems
so veränderlich ist, daß sie an den Jeweiligen Beschleunigungszustand angepaßt ist.
Auf diese Weise kann das aufzubringende Drehmoment für die drei Beschleunigungszustände
A, B und C weitgehend verringert und im Idealfall auf Null gebracht werden, wie
durch die drei schwarzen Punkte auf der Abszissenachse des Diagramms von Fig.2c
dargestellt ist.
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Fig.3 zeigt schematisch in verschiedenen Betriebszuständen ein System
der in Fig.1 gezeigten Art mit einer Last 1, die an einem Seil 2 aufgehängt ist,
der Seilscheibe 3 und der Seiltrommel 5. Das Gegengewicht 4 ist Jedoch in diesem
Fall in drei Teilgewichte 4a, 4b und 4c unterteilt, von denen das unterste Teilgewicht
4a am Seil 2 befestigt ist, während die beiden anderen Teilgewichte 4b und 4c frei
gleitbar auf dem Seil 2 gelagert sind, so daß sie normalerweise auf dem untersten
Teilgewicht 4a aufliegen, es sei denn, daß sie-durch nicht dargestellte Halteglieder
an einer bestimmten Stelle ihrer Bewegungsbahn festgehalten werden.
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Ferner sind in Fig.3 die drei Zonen unterschiedlicher Beschleunigung
entlang dem Weg der Last 1 angedeutet, nämlich die Zone A negativer Beschleunigung
am Ende der Aufwärtsbewegung und am Beginn der Abwärtsbewegung, die mittlere Zone
B der Beschleunigung 0 und die untere Zone C positiver Beschleunigung am Beginn
der Aufwärtsbewegung und am Ende der Abwärtsbewegung. Das Gegengewicht 4 durchläuft
entsprechende Zonen in entgegengesetzter Richtung.
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Fig.3a zeigt den Beginn der Aufwärtsbewegung der Last 1 durch die
Zone C positiver Beschleunigung.
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Die beiden frei beweglichen Teilgewichte 4b und 4c des Gegengewichts
liegen auf dem fest mit dem Seil 2 verbundenen Teilgewicht 4a auf, so daß das wirksame
Gegengewicht durch die Summe der drei Teil gewichte gebildet wird. Diese Summe ist
so bemessen, daß das aufzubringende Drehmoment unter Berücksichtigung der positiven
Beschleunigung gerade den Wert Null hat. Dies entspricht dem Zustand, der durch
die Kurve III von Fig.2c dargestellt ist. Die Last 1 wird somit über die Zone C
im wesentlichen durch das wirksame Gegengewicht beschleunigt,ohne daß der Antriebsmotor
ein Drehmoment zu liefern hat.
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Sobald die Last 1 die Zone C verläßt, und in die Zone B konstanter
Geschwindigkeit eintritt, wird das oberste Teilgewicht 4c durch nicht dargestellte
Halteglieder festgehalten, so daß als Gegengewicht nur noch die beiden Teilgewichte
4a und Libwirksam sind (Fig.3b). Diese beiden Teilgewichte sind so bemessen, daß
das bei konstanter Geschwindigkeit aufzubringende Drehmoment im wesentlichen den
Wert Null hat, was der Kurve II von Fig.2c entspricht; praktisch bedeutet dies,
daß die Summe der Teilgewichte 4a und 4b im wesentlichen gleich dem Gewicht der
Last 1 ist. Somit erfolgt das Heben der Last 1 mit konstanter Geschwindigkeit in
der Zone B, ohne daß der Antriebsmotor ein merkliches Drehmoment aufzubringen hat.
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Wenn schließlich die Last 1 in die Zone A negativer Beschleunigung
eintritt, wird auch das Teilgewicht 4b durch nicht dargestellte Halteglieder festgehalten
(Fig.3c), so daß nur noch das Teilgewicht 4a als Gegengewicht wirksam ist. Das Teilgewicht
4a ist so bemessen,
daß das vom Antriebsmotor unter Berücksichtigung
der negativen Beschleunigung aufzubringende Drehmoment im wesentlichen den Wert
Null hat, was der Kurve I von Fig.2c entspricht.
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Fig.3d zeigt den Beginn der Abwärtsbewegung der Last 1 in der Zone
A mit negativer (weil abwärts gerichteter) Beschleunigung der Last 1. In dieser
Phase ist wieder nur das unterste Teilgewicht 4a als Gegengewicht wirksam, was der
Kurve I von Fig.2centspricht. Beim Utergang der Last 1 von der Zone A in die Zone
B nimmt das unterste Teilgewicht 4a das darüberliegende Teilgewicht 4b mit, so daß
bei der Bewegung durch die Zone B mit konstanter Geschwindigkeit (Beschleunigung
Null) die Summe der Teilgewichte 4a und 4b als Gegengewicht wirksam ist (Fig.3e).
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Dies entspricht wieder der Kurve II von Fig.2c. Schließlich wird beim
Ubergang der Last 1 in die Zone C auch das oberste Teilgewicht 4c mitgenommen (Fig.3f),
so daß in der Zone C positiver Beschleunigung die Summe der drei Teilgewichte 4a,
4b und 4c als Gegengewicht wirksam ist, was wieder der Kurve III von Fig.2c entspricht.
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Am Ende der Abwärtsbewegung befindet sich das System wieder im Ausgangszustand
der Fig.3a, und der Zyklus kann sich beliebig oft wiederholen.
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Da bei dem zuvor beschriebenen System der Verlauf der statischen und
dynamischen Kräfte eine genau bekannte Funktion des Weges der Last ist, die sich
in jedem Betriebszyklus in identischer Weise wiederholt, ist eine vollkommene Anpassung
des wirksamen
Gegengewichts an die jeweils von der Last und dem
System ausgeübten statischen und dynamischen Kräfte möglich.Wenn das beschriebene
System verlustfrei wäre, könnten die beschriebenen Vorgänge praktisch ohne Zuführung
von äußerer Energie ablaufen. Bei einem wirklichen System treten natürlich Reibung
kräfte auf, und die für die Uberwindung der Reibungskräfte erforderliche Energie
muß vom Antriebsmotor zusätzlich geliefert werden. Diese Energie ist jedoch klein
gegen die Energie, die für die Beschleunigungen und das Heben der Last benötigt
wird . Zwar wird diese Energie in potentielle oder kinetische Energie umgewandelt,
sie ist jedoch bei den meisten Systemen verloren, da sie nicht oder zumindest nur
teilweise wieder zurückgewonnen werden kann. Bei dem beschriebenen System wird dagegen
infolge der Anpassung des Gegengewichts an die verschiedenen Betriebszustände die
potentielle und kinetische Energie innerhalb des Systems wiedergewonnen, so daß
die Zufuhr äusserer Energie im wesentlichen auf die durch Reibung bedingten Verluste
beschränkt ist.
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Fig.4 zeigt eine praktische Ausführungsform eines Gegengewichtssystems,
mit dem die an Hand von Fig.3 erläuterte Wirkungsweise erhalten wird. Als Beispiel
ist wieder angenommen, daß das Gegengewicht auf ein Seil 11 wirken soll, das beispielsweise
zum Heben einer Last über eine Seilscheibe dient. Das Gegengewicht, das in seiner
Gesamtheit mit G bezeichnet wird, besteht in diesem Fall aus vier Teilgewichten
12, 13, 14, 15, von denen das unterste Teilgewicht 12 fest mit dem Seil 11 verbunden
ist, während die darüberliegenden Teilgewichte 13, 14, 15 Mittelöffnungen 13a, 14a
bzw. 15a aufweisen, deren Durchmesser etwas großer als der Durchmesser des Seiles
11 ist und durch die das Seil 11 geführt ist, so daß diese Teilgewichte relativ
zum Seil gleitbar sind. Gegebenenfalls können in die Mittelöffnungen reibungsmindernde
Gleithülsen eingesetzt sein. Die Teilgewichte können jeden beliebigen Querschnitt
haben, beispielsweise kreisrund oder quadratisch sein. In Jedem Fall ist wenigstens
die in Fig.4 in der Zeichenebene liegende Querschnittsabmessung bei den einzelnen
Teilgewichten verschieden, und zwar nimmt sie vom untersten Teilgewicht 12 zum obersten
Teilgewicht 15 zu. Wenn die Teilgewichte also kreisrund sind, hat das Teilgewicht
12 den kleinsten Durchmesser, während Jedes darüberliegende Teilgewicht 13, 14 und
15 Jeweils einen größeren Durchmesser als das darunterliegende Teilgewicht hat.
Jedes Teilgewicht 13, 14, 15 steht somit seitlich über das darunter befindliche
Teilgewicht 12, 13 bzw. 14 vor. Ferner weist Jedes der drei oberen Teilgewichte
13, 14, 15 an der Unterseite eine flache Vertiefung 13b, 14b bzw. 15b auf, die das
darunterliegende kleinere Teilgewicht aufnehmen kann und die von einem nach unten
ragenden Rand 13c, 14c bzw. 15c umgeben ist.
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Die Teilgewichte 12, 13, 14, 15 sind in einer Führungsbahn 16 angeordnet,
welche die Teilgewichte nach Art eines Schachtes allseitig umgibt. Die Führungsbahn
16 ist an der Oberseite durch eine obere Wand 17 verschlossen, die eine Mittelöffnung
18 für den Durchgang des Seils 11 aufweist; am unteren Ende ist die Führungsbahn
16 durch eine untere Wand 19 verschlossen, die eine Mittelöffnung 20 für den Durchgang
des Seils 11 hat.
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Die Querschnittsform der Führungsbahn 16 ist an die Querschnittsform
der Teilgewichte angepaßt, also im Fall von kreisrunden Teilgewichten ebenfalls
kreisrund.
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Die Wand der Führungsbahn 16 weist an der Innenseite abgestufte Schultern
21, 22, 23 auf, durch die die Führungsbahn 16 in Abschnitte von unterschiedlichem
Querschnitt unterteilt ist, die jeweils an den Querschnitt eines der Teilgewichte
derart ailgepaßt sind, daß das betreffende Teilgewicht sich in dem betreffenden
Abschnitt frei bewegen kann. So kann sich das oberste Teilgewicht 15 in dem oberhalb
der Schulter 21 liegenden Abschnitt frei bewegen, jedoch nicht über die Schulter
21 hinaus nach unten gehen, da diese Schulter in die Bahn des Randabschnitts 15c
des Teilgewichts 15 nach innen vorspringt. Das Teilgewicht 14 kann sich entsprechend
bis zu der Schulter 22 nach unten bewegen, die in die Bahn des Randabschnitts 14c
nach innen vorspringt, das Teilgewicht 13 kann sich bis zu der Schulter 23 nach
unten bewegen, und das Teilgewicht 12 kann sich schließlich bis zu der unteren Wand
19 nach unten bewegen.
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Die Funktionsweise des in Fig.4 dargestellten Cegengewichtssystems
ist unmittelbar erkennbar. In der höchsten Stellung des Gegengewichts G liegen die
oberen
Teilgewichte 13, 14, 15 alle auf dem mit dem Seil 11 verbundenen
untersten Teilgewicht 12 auf, so daß das auf das Seil 11 wirkende Gewicht des Gegengewichts
G durch die Summe aller Teilgewichte 12, 13, 14 und 15 gebildet ist. Das oberste
Teilgewicht 15 kann dabei an der oberen Wand 17 anstoßen.
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Bei der Abwärtsbewegung des Gegengewichts G bewegen skil zunächst
alle Teilgewichte gemeinsam, wobei das oberste Teilgewicht 15 von der Wand der Führungsbahn
16 geführt wird, während die unteren Teilgewichte 12, 13, 14 einerseits durch das
Seil 11 und-andrerseits durch ihren Sitz in der flachen Vertiefung 15b, 14b bzw.
13b des Jeweils darüberliegenden Teilgewichts geführt sind. In diesem ersten Abschnitt
der Abwärtsbewegung bleibt das volle Gegengewicht auf das Seil 11 wirksam.
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Wenn das Teilgewicht 15 auf die Schulter 21 stößt, wird es von dieser
Schulter abgefangen und festgehalten, so daß es von dem Teilgewicht 14 abgehoben
wird und nicht mehr an der weiteren Abwärtsbewegung teilnimmt.
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Auf das Seil 11 wirkt nun nur noch die Summe der Teilgewichte 12,
13, 14. Wenn das Teilgewicht 14 auf die Schulter 22 trifft, wird es ebenfalls festgehalten,
und im nächsten Abschnitt der Abwärtbewegung ist nur noch die Summe der Teilgewichte
12 und 13 wirksam.
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Im letzten Teil der Abwärtsbewegung ist allein das Teilgewicht 12
wirksam, weil auch das Teilgewicht 13 durch die Schulter 23 festgehalten ist. Das
Teilgewicht 12 kann sich dann allein nach abwärts bewegen, bis es schließlich auf
die untere Wand 19 auftrifft.
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Bei der Aufwärtsbewegung des Gegengewichts wiederholen sich diese
Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge: Im
ersten Teil der Abwärtsbewegung
ist allein das Teilgewicht 12 wirksam, bis dieses auf das auf der Schulter 23 ruhende
Teilgewicht 13 stößt. Es nimmt dann das Teilgewicht 13 mit, so daß im nächsten Teil
der Aufwärtsbewegung die beiden Teilgewichte 12 und 13 gemeinsam wirksam sind. In
gleicher Weise werden dann auch die Teilgewichte 14 und 15 mitgenommen, so daß wieder
im letzten Teil der Aufwärtsbewegung die Summe aller Teilgewichte auf das Seil 11
wirkt. Das in Fig.4 dargestellte Gegengewichtssystem ergibt somit die an Hand von
Fig.3 geschilderte Wirkungsweise.
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Fig.4 läßt die Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit des geschilderten
Gegengewichtssystems erkennen. Es besteht einerseits keine Einschränkung hinsichtlich
der Anzahl der Teilgewichte, in die das Gegengewicht G unterteilt wird. Ferner können
die Teilgewichte unterschiedlich groß sein, und die Strecken, über die die einzelnen
Teilgewichte wirksam sind, können beliebig bemessen werden. Dadurch ist es möglich,
die Änderung des wirksamen Gewichts des Teilgewichts G an sehr unterschiedliche
Verläufe der von der Last ausgeübten statischen und dynamischen Kräfte anzupassen.
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Der Hub des Gegengewichts G,und damit auch der Hub der nicht dargestellten
Last, hängt von der Länge der FUhrungsbahn 16 ab, die beliebig groß gemacht werden
kann.
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Es ist nicht notwendig, daß die Führungsbahn, wie bei dem Ausführungabeispiel
von Fig.4, das Gegengewicht allseitig nach Art eines Schachtes umgibt; je nach der
Form der Teilgewichte und den verfügbaren Raumverhältnissen genügt es, wenn die
Führungsbahn an zwei einander gegenüberliegenden Stellen der Teilgewichte vorhanden
ist. Dies ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.5 und 6
der Fall.
Fig.5 zeigt in schematischer Seitenansicht ein Gegengewichtssystem mit einem Gegengewicht
G für zwei parallele Seile 25, 26, die mit einer nicht dargestellten Last verbunden
sind. Das Gegengewicht G besteht aus vier Teilgewichten 27, 28, 29, 30, die in diesem
Fall die Form von lenggestreckten Quadern mit gleichem Querschnitt, aber unterschiedlicher
Länge haben, wobei die Länge der Teilgewichte vom untersten Teilgewicht 27 zum obersten
Teilgewicht 30 zunimmt, so daß jedes der oberen Teilgewichte 28, 29, 30 auf beiden
Seiten etwas über das jeweils darunter befindliche Teilgewicht 27, 28 bzw. 29 übersteht.
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Das unterste Teilgewicht 27 ist mit den beiden Seilen 25 und 26 verbunden,
während die drei oberen Teilgewichte 28, 29, 30 Durchführungsöffnungen haben, durch
die die Seile 25 und 26 gleitbar hindurchgeführt sind.
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Die Führungsbahn besteht in diesem Fall aus zwei vertikalen seitlichen
Stützen 31, und 32, die Jeweils aus einem Winkelprofilträger hergestellt sind (Fig.6).
An der den Teilgewichten zugewandten Seite trägt Jede Stütze 31 und 32 Vorsprünge
33,34 bzw. 35, die unterschiedlich weit nach innen ragen , so daß der Abstand zwischen
den Vorsprüngen 33 etwas größer als die Länge des Teilgewichts 27, aber kleiner
als die Länge des Teilgewichts 28 ist, der Abstand zwischen den VorsprUngen34etwas
größer als die Länge des Teilgewichts 28 und etwas kleiner als die Länge des Teilgewichts
29 ist, und schließlich der Abstand zwischen den Vorsprüngen 35 etwas größer als
die Länge des Teilgewichts 29 und etwas kleiner als die Länge des Teilgewichts 30
ist.
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Um auch bei dieser Ausführungsform eine einwandfreie Führung der Teilgewichte
zu gewährleisten, ist ferner an jeder Stütze 31, 32 eine nach innen ragende vertikale
Führungsleiste 36 angebracht, und jedes Teilgewicht ist mit einem seitlichen Führungssdhlitz
versehen, in den die Führungsleiste 36 eingreift. In Fig.6 ist der Führungsschlitz
37 des obersten Teilgewichts 30 erkennbar.
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Die Funktionsweise der Ausführungsform von Fig.5 und 6 entspricht
genau derjenigen der Ausführungsform von Fig.4, so daß sich eine Wiederholung der
Beschreibung erübrigt.
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In den Figuren 7, 8 und 9 sind Einzelheiten einer Ausführungsform
des Gegengewichtssystems dargestellt, bei dem die Teilgewichte wie im Fall von Fig.5
und 6 zwischen zwei vertikalen Führungsbahnen laufen, wobei aber alle Teilgewichte
die gleiche Länge haben und die Führungsbahn keine abgestuften Vorsprünge aufweist.
Fig.7 zeigt einen Abschnitt eines Teilgewichts 40 und einen Abschnitt der einen
Führungsbahn 41 in drei verschiedenen Stellungen; Fig.8 zeigt eine Stirnansicht
desTeilgewichts 40 und Fig.9 zeigt einen größeren Ausschnitt aus der Führungsbahn
41 in Stirnansicht und in kleinerem Maßstab.
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Das Teilgewicht 40 weist an der der Führungsbahn 41 zugewandten Stirnfläche
eine flache Ausnehmung 42 auf, in der eine kräftige Platte 43 mittels Schwenklagern
44 nach außen schwenkbar gelagert ist. An der Außenseite der Platte 43 ist eine
horizontale Achse 45 gelagert, die sich über die ganze Breite der Platte erstreckt
(Fig.8), und an jedem Ende eine Rolle 46 trägt. Die Rollen 46 sind so bemessen,
daß sie an der dem Teilgewicht 40 zugewandten Fläche der Führungsbahn 41 anliegen.
Eine Zugfeder 47 sucht die Platte 43 nach außen zu verschwenken, doch wird dies
normalerweise (Fig.7a) durch die an der
Führungsbahn 41 anliegenden
Rollen 46 verhindert. Eine gleiche Anordnung mit einer schwenkbaren Platte befindet
sich natürlich auch an der der zweiten Führungsbahn zugewandten Stirnfläche des
Teilgewichts. Die Führungsbahn 41 istmit einspringenden Taschen 48, 49, 50 (Fig.9)
unterschiedlicher Breite versehen, wobei Jede Tasche etwas breiter ist als die darüber
befindliche Tasche.
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Die Breite der schwenkbaren Platten jedes Teilgewichts ist an die
Breite einer der Taschen der Führungsbahn derart angepaßt, daß die Platte in die
zugeordnete Tasche eintreten kann, jedoch in keine der höher liegenden Taschen paßt.
Die Breite der Platten ist somit bei den Teilgewichten ebenfalls verschieden. In
der Darstellung der Figuren 7, 8 und 9 ist angenommen, daß dem Teilgewicht 40 die
Tasche 49 zugeordnet ist. Bei der Abwärtsbewegung des Teilgewichts 40 gehen daher
die Rollen 46 zunächst an beiden Seiten der schmaleren Tasche 48 vorbei, so daß
die Platte 43 nicht nach außen verschwenkt werden kann. Wenn jedoch das Teilgewicht
40 an der Tasche 49 ankommt, können die Rollen 46 in die Tasche eintreten, so daß
die Zugfeder 47 die Platte 43 nach außen verschwenken kann. Die Platte 43 verkeilt
sich dadurch (Fig.7c) zwischen dem Boden der Tasche 49 und der entsprechend geformten
Oberseite der Ausnehmung 42, wodurch das Teilgewicht 40 auf der Höhe der Tasche
49 festgehalten wird.
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Infolge der unterschiedlichen Breiten der Taschen 48, 49, 50 und der
entsprechend angepaßten Breiten der Platten 43 können die verschiedenen Teilgewichte
auf unterschiedlichen Höhen der FUhrungsbahn 41 festgehalten und somit von dem Gegengewicht
getrennt werden.
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Fig.1O zeigt eine Ausführungsform, bei der das mit einem Seil 51 zusammenwirkende
Gegengewicht G, ähnlich wie bei der Ausführungsform von Fig.4,aus vier Teilgewichten
52, 53, 54, 55 besteht, die in einem schachtartigen Gehäuse 56 untergebracht sind.
Das unterste Teilgewicht 52 ist wieder mit dem Seil 51 verbunden, während die oberen
Teilgewichte 53, 54, 55 DurchfUhrungsöffnungen für das Seil 51 aufweisen. Die Teilgewichte
haben wieder unterschiedliche Querabmessungen, so daß jedes obere Teilgewicht 53,
54, 55 seitlich über das Jeweils darunter befindliche Teilgewicht 52, 53 bzw. 54
übersteht.
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In dem Gehäuee 56 sind zu beiden Seiten des Seils 51 jeweils drei
vertikale Führungsstangen 57, 58, 59 bzw. 60, 61, 62 befestigt, die sich über die
ganze Höhe des Gehäuses erstrecken. DerAbstand zwischen den innersten Führungsstangen
59 und 62 ist größer als die Querabmessung des untersten Teilgewichts 52, so daß
sich dieses Teilgewicht über die ganze Höhe des Gehäuses 56 frei zwischen den Führungsstangen
bewegen kann. Das Teilgewicht 53 weist in den das Teilgewicht 52 auf beiden Seiten
überragenden Abschnitten vertikale Führungsöffnungen 63, 64 auf, mit denen es auf
den Führungsstangen 59 und 62 gleitbar gelagert ist. Das Teilgewicht 54 hat zwei
Führungsöffnungen 65 und 66, die in einer Linie mit den FUhrungsöffnungen 63 bzw.
64 des Teilgewichts 53 liegen und gleichfalls die Führungsstangen 59 und 62 gleitbar
aufnehmen. Außerdem hat das Teilgewicht 54 in den nach außen über das Teilgewicht
53 hervorstehenden Abschnitten zwei weitere Führungsöffnungen 67, 68, durch die
die mittleren Stangen 58 bzw. 61
gleitbar hindurchgeführt sind.
Schließlich hat das Teilgewicht 55 sechs Führungsöffnungen.69, 70, 71, 72, 73, 74,
von denen die beiden innersten FUhrungsöffnungen 69 und 70 die Führungsstangen 59
bzw. 62 aufnehmen, die mittleren Führungsöffnungen 71 und 72 die mittleren Führungsstangen
58 bzw. 61, und schließlich die äußersten Führungsöffnungen 73 baw. 74 die äußersten
Führungsstangen 57 bzw. 60.
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An den beiden äußersten Führungsstangen 57 und 60 sind verbreiterte
Anschlagstücke 75, 76 auf gleicher Höhe angebracht. Die mittleren Führungsstangen
58 und 61 tragen verbreiterte Anschlagstücke77, 78, die ebenfalls auf gleicher Höhe
liegen, jedoch unterhalb der Höhe der Anschlagstücke 75, 76. Schließlich sind auf
einer noch niedrigeren Höhe an den innersten Führungsstangen 59 und 62 Anschlagstücke
79, 80 wiederum auf gleicher Höhe angebracht.
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Die Funktionsweise dieses Gegengewichtssystems ist unmittelbar erkennbar.
Wenn das Gegengewicht G seine oberste Stellung einnimmt, in der das Teilgewicht
55 an der oberen Wand des Gehäuses 56 anstößt, liegen alle Teilgewichte auf dem
mit dem Seil 51 verbundenen untersten Teilgewicht 52 auf, so daß die Summe aller
Teilgewichte als Gegengewicht wirksam ist. Bei der Abwärtsbewegung wird nach einer
gewissen Strecke das oberste Teilgewicht 55 von den Anschlagstücken 75, 76 der äußersten
Führungsstangen 57, 60 abgefangen und somit vom Gegengewicht getrennt. der gleiche
Vorgang wiederholt sich für das Teilgewicht 54, wenn es auf die Anschlagstücke 77,
78 auftrifft, und für das Teilgewicht 53, wenn es auf die Anschlagstücke 79, 80
trifft,
so daß unterhalb der Anschlagstück 79, 80 nur noch das
unterste Teilgewicht 52 als Gegengewicht wirksam bleibt. Bei der Aufwärtsbewegung
nimmt das unterste Teilgewicht 52 der Reihe nach die oberen Teilgewichte 53, 54,
55 wieder mit.
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Bei dieser Ausführungsform ergeben die vertikalen Führungsstangen
eine besonders sichere und genaue Führung der einzelnen Teilgewichte.
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Fig.11 zeigt eine Ausführungsform eines Gegengewichtssystems, bei
dem keine besondere Führungsbahn mit feststehenden Anschlägen zum Abfangen der Teilgewichte
erforderlich ist. Das auf ein Seil 81 wirkende Gegengewicht G besteht wiederum aus
vier Teilgewichten 82, 83, 84, 85, die in diesem Fall alle mit Mittelöffnungen versehen
sind, durch die das Seil 81 gleitbar hindurchgeht. Das untersteTeilgewicht 82 liegt
auf einem mit dem Seil 81 fest verbundenen Auflager 86 auf. Die Querabmessungen
der Teilgewichte nehmen vom untersten Teilgewicht 82 zum obersten Teilgewicht 85
zu, so daß jedes obere Teilgewicht 83, 84, 85 auf beiden Seiten über das Jeweils
darunter befindliche Teilgewicht 82, 83 bzw. 84 übersteht. Das unterste Teilgewicht
82 hat zwei zu beiden Seiten der Mittelöffnung liegende vertikale Führungsöffnungen
87, 88, durch die vertikale Führungsstangen 89 bzw. 90 gleitbar hindurchgeführt
sind, die mit ihrem oberen Ende im Teilgewicht 83 befestigt sind und an dem unteren
freien Ende mit einem verbreiterten Anschlagstück 91 bzw. 92 versehen sind. Das
Teilgewicht 83 hat entsprechende vertikale Rhrungsöffnungen 93, 94 in den beiden
über das Teilgewicht 82 seitlich vorstehenden Abschnitten.
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Durch diese Führungsöffnungen sind gleitbar vertikale Fuhrungsstangen
95, 96 geführt, die mit dem oberen Ende im Teilgewicht 84 befestigt sind und am
unteren Ende verbreiterte Anschlagstücke 97 bzw. 98 tragen.
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In entsprechender Weise hat das Teilgewicht 84 in den seitlich überstehenden
Abschnitten Führungsöffnungen 99, 1 00, durch die vertikale Führungsstangen 101,
102 geführt sind, die mit dem oberen Ende im Teilgewicht 85 befestigt sind und am
unteren Ende verbreiterte Anschlagstücke 103 bzw. 104 aufweisen. Das Teilgewicht
85 hat in den seitlich überstehenden Abschnitten Führungsöffnungen 105, 106, durch
die gleitbar vertikale Führungsstangen 107, 108 geführt sind, die an ihren unteren
Enden mit verbreiterten Anschlagstücken109, 110 ausgestattet sind. Die oberen Enden
der FUhrurgsstangen 107, 108 sind an einem feststehenden Träger 111 befestigt.
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Wenn bei dieser Ausführungsform das Gegengewicht G seine oberste Stellung
einnimmt, liegen alle Teilgewichte aufeinander und auf den Auflager 86 auf, und
das oberste Teilgewicht 85 liegt an dem feststehenden Träger 111 an. Bei der Abwärtsbewegung
des Gegengewichts G bewegen sich zunächst alle Teilgewichte gemeinsam nach unten,
so daß die Summe dieser Teilgewichte als Gegengewicht auf das Seil 81 wirkt.
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Bei dieser gemeinsamen Abwärtsbewegung gleitet das Teilgewicht 85
mit seinen Führungsöffnungen 105, 106 an den vom Träger 111 festgehaltenen Führungsstangen
107, 108 entlang. Diese gemeinsame Bewegung setzt sich fort, bis das Teilgewicht
85 an den Anschlagstücken 109, 110 der Führungsstangen 107, 108 anstößt. Es wird
dadurch
festgehalten und kann an der weiteren Abwärtsbewegung nicht
mehr teilnehmen. Nunmehr gleitet das Teilgewicht 84 mit seinen Führungsöffnungen
99, 109 an den zusammen mit dem Teilgewicht 85 festgehaltenen Führungsstangen 101,
102 entlang; dies entspricht der in Fig.11 dargestellten Lage. Als Gegengewicht
wirkt nur noch die Summe der drei Teilgewichte 82, 83, 84, auf das Seil 81. Wenn
auch das Gegengewicht 84 auf die Auflager 103, 104 seiner FUhrungsstangen 101, 102
stößt, wird es ebenfalls festgehalten, so daß sich dann nur noch die Teilgewichte
82, 83 gemeinsam nach unten bewegen können. Nachdem das Teilgewicht 83 von den Anschlagstücken
97, 98 festgehalten ist, bleibt nur noch das unterste Teilgewicht 82 als Gegengewicht
wirksam, bis es schließlich auf die Anschlagstücke 91, 92 trifft.
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Bei der Aufwärtsbewegung nimmt das Auflager 86 die verschiedenen Teilgewichte
der Reihe nach wieder mit, so daß das wirksame Gegengewicht stufenweise vergrößert
wird.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden dynamische
Stöße, die bei einer schnellen Bewegung der Teilgewichte auftreten können, unberücksichtigt
gelassen. Wenn die Geschwindigkeit der Teilgewichte ausreichend klein ist, brauchen
keine besonderen Vorkehrungen getroffen zu werden, um solche dynamischen Stöße aufzufangen.
Bei größeren Geschwindigkeiten kann es jedoch notwendig sein, die von dynamischen
Stößen herrührenden Stöße aufzufangen oder zu vernichten. Dies kann durch herkömmliche
elastische oder energievernichtende Stoßdämpfer geschehen, die zwischen den Teilgewichten
und
den sie abfangenden Anschlagvorrichtungen angebracht werden.
Dies ist als Beispiel in Fig.12 für ein Gegengewichtssystem der in Fig.4 dargestellten
Art gezeigt. Das mit dem Seil 112 verbundene Gegengewicht C besteht aus vier Teilgewichten
113, 114, 115, 116, die in der gleichen Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel von
Fig.4 in einer Führungsbahn 117 mit abgestufter Innenwand angeordnet sind. Als stoßdämpfende
Mittel sind Federn 118 angedeutet, die auf den Schultern bzw. der unteren Wand der
FUhrungsbahn 117 angebracht sind. Wie für das oberste Teilgewicht 116 dargestellt
ist, werden diese Federn beim Auftreffen des Teilgewichts zusammengedrückt, wodurch
die kinetische Energie des Teilgewichts 116 aufgenommen wird und das Teilgewicht
elastisch abgefangen wird. Anstelle der Federn können auch andere bekannte stoßdämpfende
Mittel angebracht werden. Entsprechende stoßdämpfende Mittel können auch zwischen
den miteinander in Berührung kommenden Flächen benachbarter Teilgewichte angebracht
werden.
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Allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen war die Eigenschaft
gemeinsam, daß das wirksame Gewicht des Gegengewichts bei seiner Abwärtsbewegung
fortschreitend verringert und bei seiner Aufwärtsbewegung fortschreitend vergrößert
wurde. Durch die Uberlagerung der Wirkungen von zwei oder mehr Gegengewichten ist
es möglich, auch andere Änderungen des Gegengewichts in Abhängigkeit von seiner
Verstellung zu erzielen.
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In Fig.13 ist schematisch eine AusfUhrungsform des Gegengewichtssystems
dargestellt, bei der von diesem Prinzip Gebrauch gemacht wird, so daß das für die
Last wirksame Gewicht des Gegengewichts bei dessen Abwärtsbewegung
fortschreitend
zunimmt und bei der Aufwärtsbewegung des Gegengewichts fortschreitend abnimmt.
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Fig.13 zeigt ein Seil 120, das mit einer nicht dargestellten Last
verbunden ist und über einer Seilscheibe 121 zu einer motorisch angetriebenen Seiltrommel
122 geführt ist. An dem zwischen der Seilscheibe 121 und der Seiltrommel 122 verlaufenden
Abschnitt des Seils 120 ist ein festes Gegengewicht G' befestigt. Mit der Welle
der Seilscheibe 121 ist drehfest eine zweite Seiltrommel 124 verbunden, an deren
Seil 125 ein veränderliches Gegengewicht G aufgehängt ist. Die Seiltrommel 122 und
124 sind so angeordnet, daß das Gegengewicht G nach unten geht, wenn das Gegengewicht
G' angehoben wird und umgekehrt.
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Es ist unmittelbar zu erkennen, daß die beiden Gegengewichte G und
G' bezüglich der Last entgegengesetzt wirken, so daß das für die Last wirksame gesamte
Gegengewicht gleich der Differenz des Gewichts des Gegengewichts G und des wirksamen
Gewichts des Gegengewichts G ist.
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Das Gegengewicht G besteht aus vier Teilgewichten 126, 127, 128, 129
und ist in irgendeiner der zuvor beschriebenen Weisen so ausgebildet, daß bei seiner
Abwärtsbewegung die Teilgewichte der Reihe nach abgefangen werden, so daß in der
tiefsten Stellung (Fig.13b) das wirksame Gewicht des Gegengewichts G allein durch
das unterste Teilgewicht 126 bestimmt ist, während in der höchsten Stellung (Fig.13a)
das wirksame Gewicht des Gegengewichts G
gleich der Summe aller
Teilgewichte 126, 127, 128, 129 ist.
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Die Wirkungsweise dieses Gegengewichtssystems ist aus der Darstellung
unmittelbar erkennbar. Wenn das feste Gegengewicht G' seine tiefste Stellung einnimmt
(Fig.13a) hat das für die Last 120 wirksame Gegengewicht den kleinsten Wert, denn
es entspricht dem Gewicht des Gegengewichts G' vermindert um die Summe der vier
Teilgewichte 126, 127, 128, 129. Wenn sich das feste Gegengewicht G* aufwärts bewegt
und demzufolge das Gegengewicht G nach unten geht , wird an eing Sestimmten Stelle
der Bewegungsbahn das oberste Teilgewicht 129 abgefangen, so daß für das Gegengewicht
G nur noch die drei Teilgewichte 126, 127, 128 wirksam sind. Das für die Last wirksame
Gegengewicht wird somit um das Gewicht des Teilgewichts 129 vergrößert. Bei der
weiteren Abwärtsbewegung des Gegengewichts G werden der Reihe nach auch die Teilgewichte
128 und 127 abgefangen, so daß das für die Last wirksame Gegengewicht Jeweils um
den Betrag dieser Teilgewichte vergrößert wird. Der umgekehrte Vorgang spielt sich
bei der Aufwärtsbewegung des veränderlichen Gegengewichts G, also dgAbwärtsbewegung
des festen Gegengewichts G' ab.
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Fig.13 zeigt den einfachsten Fall einer solchen Überlagerung derWirkung
von mehreren Gegengewichten. Dieses Prinzip ist jedoch sehr vielseitig und anpassungsfähig.
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Beispielsweise können wesentlich kompliziertere Änddrungen des wirksamen
Gegengewichts als Funktion des Weges dadurch erzielt werden, daß die beiden einander
entgegengesetzt
wirkenden Gegengewichte veränderlich gemacht werden;
bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.13 könnte dies dadurch erreicht werden, daß
auch das Gegengewicht G' in mehrere Teilgewichte unterteilt wird, die in einer der
zuvor beschriebenen Weisen der Reihe nach ausgeschaltet werden. Es ist dann beispielsweise
möglich, über einen Teil des Hubs in einer bestimmten Bewegungsrichtung ein abnehmendes
Gegengewicht und fUr den restlichen Hub in der gleichen Bewegungsrichtung ein wieder
zunehmendes Gegengewicht zu erhalten. Da andrerseits die Bemessung der verschiedenen
Teilgewichte und die Punkte, an denen sie wirksam bzw. unwirksam gemacht werden,
völlig frei wählbar sind, läßt sich dadurch eine Anpassung an beliebige Lastkurven
erzielen.
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Bei dem an Hand der Figuren 1 bis 3 erläuterten Anwendungsfall, bei
welchem die Last vertikal gehoben und gesenkt wird, bleibt die von der Last ausgeübte
statische Kraft auf ihrem gesamten Weg konstant; die Änderung des Cegengewichts
dient nur zum Ausgleich der sich ändernden dynamischen Beschleunigungskräfte. Das
beschriebene Gegengewichtssystem eigent sich Jedoch ebensogut für Anwendungsfälle,
bei denen sich die von der Last ausgeübte statische Kraft ändert, so daß sich die
statischen Kraftänderungen den dynamischen Kraftänderungen überlagern.
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an Beispiel hierfür ist in Fig.14dargestellt. Die Last ist in diesem
Fall durch ein Schwenkteil 130 gebildet, tdas an einer Seite mittels eines Scharniers
131 an einer vertikalen Wand 132 schwenkbar gelagert ist, während am
entgegengesetzten
Ende des Schwenkteils 13b ein Seil 133 angreift, mit dem das Schwenkteil 130 und
das Scharnier 131 verschwenkt werden kann. Das Schwenkteil 130 kann eine Platte
sein, beispielsweise eine Falltür oder ein Verschlußdeckel für ein Silo oder einen
bombensicheren Unterstand; das Schwenkteil 130 kann auch ein balkenförmiges Teil
sein, beispielsweise eine Zugbrücke.
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Das Seil 133 ist über eine Seilscheibe 134 zu einer motorisch angetriebenen
Seiltrommel 135 geführt, mit deren Hilfe das Schwenkteil 130 nach oben gezogen werden
kann; bei der entgegengesetzten Drehrichtung der Seiltrommel 135 geht das Schwenkteil
130 unter seinem eigenen Gewicht nach unten.
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Es ist unmittelbar zu erkennen, daß sich die von dem Schwenkteil 130
auf das Seil 133 ausgeübte statische Zugkraft in Abhängigkeit von der Winkelstellung
des Schwenkteils 130 ändert. Dieser sich ändernden statischen Kraft überlagern sich
die dynamischen Kräfte, die durch die positiven und negativen Beschleunigungen am
Anfang und am Ende der Aufwärtsbewegung und der Abwärtsbewegung des Schwenkteils
130 ergeben. Es gibt also in diesem Fall nicht, wie bei dem Beispiel von Fig.1,
nur drei Bereiche mit unterschiedlichen Kräften, sondern die vom Seil 133 auszuübende
Zugkraft ändert sich während des ganzen Verlaufs der Schwenkbewegung des Schwenkteils
130.
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Mit dem zuvor beschriebenen Gegengewichtssystem, bei dem das Gegengewicht
in mehrere Teilgewichte unterteilt ist, kann zwar keine stetig veränderliche Gegenkraft
erzeugt werden, mit der die sich stetig ändernde Zugkraft des Seils 133 in jedem
Punkt genau ausgeglichen ist; durch eine ausreichend feine Unterteilung des Gegengewichts
ist es aber möglich, eine sehr gute stufenweise Anpassung des Gegengewichts an die
sich stetig ändernde Lastkurve zu erzielen. Dies ist bei dem Ausführungsbeispiel
von Fig. 14dadurch erfolgt, daß an dem zwischen der Seilscheibe 134 und der Seiltrommel
135 verlaufenden Seilabschnitt ein veränderliches Gegengewicht G angeordnet ist,
das in sieben Teilgewichte 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142 unterteilt ist. Als
Beispiel ist angenommen, daß das Gegengewichtssystem der Ausführungsform der Figuren
5 und 6 entspricht. Zu beiden Seiten der Teilgewichte sind vertikale Träger angeordnet,
von denen in Fig. 14 der vertikale Träger 143 sichtbar ist. An den Trägern sind
abgestufte Auflager 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150 angebracht, die von oben nach
unten zunehmend weiter in die Bewegungsbahn der Teilgewichte vorspringen und somit
die verschieden breiten Teilgewichte an unterschiedlichen Stellen der Bewegungsbahn
abfangen, wie an lind der Figuren 5 und 6 erläutert wurde. In der Darstellung von
Fig.14 ist angenommen, daß bei der halben Erhöhung des Schwenkteils 130 die oberen
vier Teilgewichte 142, 141, 140 , 139 von den ihnen zugeordneten Auflagern 150,
149, 148, 147 abgefangen sind, so daß das wirksame Gewicht des Gegengewichts nur
noch durch die drei unteren Teilgewichte 136, 137 und 138 gebildet ist. Bei der
weiteren Aufwärtsbewegung des Schwenkteils 130 werden auch die
restlichen
Teilgewichte durch die ihnen zugeordneten Auflager 146, 145, 144 noch aufgefangen,
wodurch das wirksame Gewicht des Gegengewichts fortschreitend verringert wird. Durch
geeignete Bemessung der Teilgewichte und der Stellen, an denen die ihnen zugeordneten
Auflager angebracht sind, kann die Änderung des wirksamen Gewichts des Gegengewichts
G recht gut an die Änderungen der auf das Seil 133 einwirkenden statischen und dynamischen
Kräfte angepaßt werden. Der die Seiltrommel 135 antreibende Motor braucht dann im
wesentlichen nur noch die Energie zu liefern, die infolge derReibungsverluste verlorengeht.
Es ist dadurch möglich, selbst schwere Schwenkteile,wie Zugbrücken oder Panzerplatten,
mit sehr geringer äußerer Energiezufuhr zu heben und zu senken.
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Das beschriebene Gegengewichtssystem ist keineswegs auf Anwendungsfälle
beschränkt, bei denen die Verbindung zwischen dem Gegengewicht und der Last durch
ein Seil erfolgt. Als Beispiel ist in Fig.15 ein Anwendungsfall dargetellt, bei
dem das Verbindungsglied zwischen einer Last 151, einer Antriebsvorrichtung 152
und dem veränderlichen Gegengewicht G ein starrer Balken 153 ist, der als zweiarmiger
Hebel um eine horizontale Achse 154 schwenkbar gelagert ist.
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Die Last 151 kann eine Arbeitsmaschine beliebiger Art sein, der eine
hin- und hergehende Bewegung erteilt werden muß, beispielsweise eine Pumpe, wie
sie an Ölbohrlöchern verwendet wird. Die Last 151 ist mit dem einen Ende des Balkens
153 durch eine starre Verbindungsstange 155 verbunden, welche die auftretenden Kräfte
überträgt. Als Beispiel für die Antriebsvorrichtung 152
ist eine
motorisch angetriebene Kurbelscheibe dargestellt, die Uber eine Pleuelstange 156
mit dem anderen Ende des Balkens 153 verbunden ist. Die Drehbewegung der Kurbelscheibe
152 wird somit über die Pleuelstange 156 in eine hin- und hergehende Schwenkbewegung
des Balkens 153 umgewandelt, durch die wiederum die Verbindungsstange 155 in eine
Auf- und Abbewegung versetzt wird.
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Das Gegengewicht G besteht aus vier Teilgewichten 157, 158, 159, 160,
die an verschiedenen Stellen des mit der Pleuelstange 156 verbundenen Hebelarms
des Balkens 153 an diesem so aufgehängt sind, daß sie nach oben abgehoben werden
können. Zu diesem Zweck kann jedes Teilgewicht aus zwei Hälften bestehen, die zu
beiden Seiten des Balkens 153 angeordnet und durch eine Stange 161, 162, 163 bzw.
164 miteinander verbunden sind.Auf der Oberseite des Balkens 153 sind Halterungen
mit nach oben offenen Aufnahmeschlitzen vorgesehen, welche die Stangen 161, 162,
163 bzw. 164 aufnehmen können; in Fig.15b sind die den beiden Teilgewichten 157
und 158 zugeordneten Halterungen 165, 166 sichtbar.
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Bei der Schwenkbewegung des Balkens 153 beschreibt somit jedes Teilgewicht
eine Bewegungsbahn in Form eines Kreisbogens, dessen Mittelpunkt auf der Achse 154
liegt.
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In der kreisbogenförmigen Bewegungsbahn jedes Teilgewichts ist an
einer vorbestimmten Stelle ein Widerlager 167, 168, 169 bzw. 170 angeordnet. Wenn
das betreffende Teilgewicht bei der Abwärtsbewegung auf das betreffende Widerlager
stößt, wird es von dem Widerlager abgefangen, so daß es aus seinerHalterung
gehoben
wird und an der weiteren Schwenkbewegung des Balkens 153 nicht mehr teilnimmt. Bei
der entgegengesetzten Bewegung des Balkens 153 wird jedes Teilgewicht wieder von
der zugeordneten Halterung mitgenommen, wenn diese die Höhe des auf dem Widerlager
ruhenden Teilgewichts erreicht.Das wirksame Gewicht des Gegengewichts G und somit
auch das vom Gegengewicht auf den Balken 153 ausgeübte Drehmoment wird somit bei
der gegen den Uhrzeigersinn erfolgenden Schwenkbewegung des Balkens 153 stufenweise
verringert und bei der entgegengesetzten Schwenkbewegung stufenweise vergrößert.
In Fig.15 sind die Stellungen des Balkens 153, bei denen jeweils eine Änderung des
Gegengewichts stattfindet, durch radiale Linien angedeutet. Für die Änderung des
Drehmoments ist nicht nur das Gewicht Jedes Teilgewichts maßgeblich, sondern auch
dessen Abstand von der Achse 154. Durch geeignete Bemessung der Anzahl und der Größe
der Teilgewichte* ihrer Abstände von der Achse 154 und der Lage der Widerlager,
durch welche die Teilgewichte abgefangen werden, ist somit eine Anpassung an jeden
beliebigen Verlauf der von der Last ausgeübten statischen und dynamischen Kräfte
möglich, soweit dieser Verlauf eine sich in Jedem Zyklus in gleicher Weise wiederholende,
bekannte Funktion der Verstellung der Last und somit des Balkens 153 ist.
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Wie bereits mehrfach erläutert wurde, ermöglicht das beschriebene
Gegengewichtssystem mit veränderlichem Gegengewicht eine weitgehende Verringerung
der von außen zuzuftihrenden Energie, weil die im beweglichen System
auftretenden
kinetischen und potentiellen Energien zum größten Teil wiedergewonnen werden. Abgesehen
von einer eventuell von der Last geleisteten Arbeit, wie im Fall der Pumpe von Fig.15,
kann die von außen zuzuführende Energie in erster Linie auf die Deckung der durch
Reibung, Luftwiderstand usw. bedingten Verluste beschränkt werden. Infolge gewisser
Toleranzbedingungen geht bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen jedoch auch
ein Teil der kinetischen und/oder potentiellen Energie verloren, die gleichfalls
durch Zuführung von außen ersetzt werden muf. Beispielsweise ist bei allen Systemen,
bei denen die Last mit dem Gegengewicht und der Antriebsvorrichtung durch ein Seil
verbunden ist, ein vollständiger Gewichtsausgleich nicht möglich, weil sich dann
die Last nicht unter dem eigenen Gewicht wieder nach unten bewegen könnte. Ferner
kann das System nicht so abgeglichen werden, daß die Last gerade mit der Geschwindigkeit
Null in die Endstellung einläuft, weil dann 3ede kleine Störung der Kräfte- oder
Energiebilanz die Folge hätte, daß die Last die Endstellung nicht mehr erreicht;
die bei der Endgeschwindigkeit noch vorhandene kinetische Energie geht dann durch
Abbremsung verloren.
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Schließlich gibt es auch gewisse verbotene Betriebszustände; so darf
bei der Ausführungsform von Fig.14 das Schwenkteil 130 nicht bis in die vertikale
Stellung angehoben werden oder gar über die vertikale Stellung hinausgehen, weil
es dann ebenfalls nicht mehr abgesenkt werden könnte. Aus diesen Gründen ist bei
den bisher beschriebenen Ausführungsformen eine zusätzliche Antriebsvorrichtung,
z.B. in Form einer motorisch
angetriebenen Seiltrommel, vorgesehen,
welche die für den einwandfreien Betrieb erforderlichen Bedingungen sicherstellt;
infolge des veränderlichen Gegengewiehts kann diese Antriebsvorrichtung allerdings
für eine geringe Leistung ausgelegt sein.
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Mit den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des Gegengewichtssystems
ist es möglich, die im System vorhandene kinetische und potentielle Energie praktisch
vollständig auszunutzen, so daß das System, abgesehen von der Deckung der Reibungsverluste,
vollkommen autonom ist. Ein solches System ist besonders für das Heben und Senken
schwerer Teile * wie Panzerplatten, oder Zugbrükken, von Vorteil, die nur in größeren
Zeitabständen bewegt zu werden brauchen, dann aber in möglichst kurzer Zeit von
einer Endstellung in die andere bewegt werden sollen.
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Es ist unerwünscht, für das Bewegen solcher Lasten Antriebsmaschinen
mit verhältnismässig großer Leistung zu installieren, weil diese Maschinen bei der
geringen Betätigungshäufigkeit schlecht ausgenutzt sind.
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Fig.16 zeigt als Beispiel für diese Ausgestaltung des Gegengewichtssystems
ein System der zuvor in Fig.14 dargestellten Art, bei dem die Last ein Schwenkteil
180 ist, das an einem Ende um eine horizontale Achse 181 schwenkbar an einer vertikalen
Wand 182 gelagert ist. Das Schwenkteil 180 kann mittels eines Seils 183 aus der
in vollen Linien dargestellten horizontalen Lage, in der es auf einem Auflager 184
aufliegt, in die gestrichelt dargestellte vertikale Lage hochgezogen werden. Das
Seil 183 ist über zwei Seilscheiben 185, 186 geführt und trägt am anderen Ende ein
veränderliches Gegengewicht G das in irgendeiner der zuvor
beschriebenen
Weisen ausgebildet sein kann. Zur Vereinfachung ist das dargestellte Gegengewicht
G nur in drei Teilgewichte 187, 188, 189 unterteilt, von denen das unterste Teilgewicht
187 fest mit dem Seil 183 verbunden iPt, während die beiden oberen Teilgewichte
188, 189 relativ zum Seil gleitbar sind; Vorsprünge 190 und 191 sind in geeigneter
Höhe derart fest angebracht, daß sie die Teilgewichte 188 bzw. 189 bei der Abwärtsbewegung
abfangen und dadurch das wirksame Gegengewicht verändern.
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Das Gegengewicht G könnte natürlich, wie bei der AusfUhrungsform von
Fig.14 in eine größere Anzahl von Teilgewichten unterteilt sein.
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Am Auflager 184 ist eine Verriegelungsvorrichtung 192 angebracht,
die das Schwenkteil 180 in der horizontalen Lage festhält; diese Verriegelungsvorrichtung
ist zur Vereinfachung als schWenkbar gelagerte Sperrklinke dargestellt, in welche
das Schwenkteil 180 bei seiner Abwärtsbewegung von selbst einrastet und die durch
nicht dargestellte Mittel zur Freigabe des Schwenkteils 180 zurückgezogen werden
kann. Auf dem Auflager 184 ist eine Feder 193 so angeordnet, daß sie von dem Schwenkteil
180 zusammengedrückt ist, wenn das Schwenkteil in die Sperrklinke 192 eingerastet
ist. An der Wand 182 ist eine zweite Verriegelungsvorrichtung 194 in Form einer
zurückziehbaren schwenkbaren Sperrklinke so angebracht, daß sie das Schwenkteil
180 in der vertikalen Stellung festhält, und eine zweite Feder 185 ist derart an
der Wand 182 befestigt* daß sie vom Schwenkteil 180 zusammengedrückt ist, wenn dieses
in die Sperrklinke 194 eingerastet ist.
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Dieses Gegengewichtssystem arbeitet in der folgenden Weise: Es sei
angenommen, daß die Teile die in Fig.16 in vollen Linien dargestellten Stellungen
einnehmen. Das Schwenkteil 180 steht horizontal, liegt auf der zusammengedrückten
Feder 193 auf und ist in die Sperrklinke 192 eingerastet; das Gegengewicht G befindet
sich in der höchsten Stellung, in der die beiden oberen Teilgewichte 188, 189 auf
dem untersten Teilgewicht 187 aufliegen, so daß auf das Seil 183 die Summe der drei
Teilgewichte 187, 188, 189 als Gegengewicht wirkt. Diese Summe ist so bemessen,
daß die von iht auf das Seil ausgeübte Zugkraft größer als die vom Schwenkteil 180
in der horizontalen Stellung ausgeübte Gegenkraft ist.
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Zum Heben des Schwenkteils 180 wird die Sperrklinke 192 zurückgezogen.
Dem Schwenkteil 180 wird dann einerseits durch die Entspannung der Feder 193 und
andrerseits durch den Ueberschuß der vom Gegengewicht G ausgeübten Zugkraft eine
positive Beschleunigung erteilt.Das Schwenkteil 180 bewegt sich somit über den Winkelbereich
C mit zunehmender Geschwindigkeit nach oben, und das Gegengewicht G geht um eine
entsprechende Strecke C nach unten.
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Nach Durchlaufen des Bereichs C trifft das oberste Teilgewicht 189
auf den Vorsprung 191, vom dem es festgehalten wird. In dem sich anschliessenden
Bereich B sind dann nur noch die beiden Teilgewichte 187 und 188 als Gegengewicht
wirksam. Diese beiden Teilgewichte sind so bemessen, daß sich das Schwenkteil 180
im Bereich B annähernd mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Wie zuvor im Zusammenhang
mit
Fig.14 erläutert wurde* läßt sich diese Bedingung bei einem
Schwenkteil mit einem gleichbleibenden Gegengewicht nicht exakt erfüllen, weil sich
die vom Schwenkteil ausgeübte statische Kraft stetig ändert; es kommt aber auf eine
genaue Einhaltung einer konstanten Geschwindigkeit in diesem mittleren Bereich überhaupt
nicht an, und außerdem ließe sich, falls erwünscht, eine beliebig genaue Annäherung
durch eine weitere Unterteilung des Gegengewichts G in eine größere Anzahl von Teilgewichten
erreichen.
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Am Ende des Bereichs B wird auch das Teilgewicht 188 von dem Vorsprung
190 abgefangen, so daß ndr noch das Teilgewicht 187 als Gegengewicht wirkt. Dieses
Teilgewicht ist so bemessen, daß die von ihm auf das Seil 183 ausgeübte Zugkraft
kleiner als die vom Schwenkteil 180 im oberen Winkelbereich A ausgeübte Gegenkraft
ist; dem Schwenkteil 180 wird somit im oberen Winkelbereich A eine negative (d.h.
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nach unten gerichtete)Beschleunigung erteilt, so daß es sich der vertikalen
Stellung mit abnehmender Geschwindigkeit nähert. Die negative Beschleunigung ist
aber so bemessen, daß das Schwenkteil 180 beim Erreichen der Feder 195 noch eine
beträchtliche Geschwindigkeit hat, so daß die verbliebene kinetische Energie ausreicht,
um die Feder 195 so weit zusammenzudrücken, daß das Schwenkteil 180 in die Sperrklinke
194 einrasten kann.
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Das Schwenkteil 180 ist somit ausschließlich durch die Wirkung des
Gegengewichts G gehoben worden ; die Aufwärtsbewegung kann in sehr kurzer Zeit erfolgen,
denn bei geeigneter Bemessung der Teilgewichte kann die positive Beschleunigung
im Abschnitt C beträchtlich groß sein, so daß die Bewegung im Abschnitt B mit großer
Geschwindigkeit erfolgt.
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Infolge der negativen Beschleunigung im Bereich A läuft das Schwenkteil
180 dennoch sanft in die obere Endstellung ein.
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Die dem Schwenkteil 180 im Bereich C erteilte kinetische Energie ist
in der oberen Endstellung zum größten Teil als potentielle Energie imSchwenkteil
selbst gespeichert; ein kleiner Teil der kinetischen Energie ist als Federenergie
in der Feder 195 gespeichert, die somit als Energiespeicher wirkt.
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Damit das Schwenkteil 180 aus der vertikalen oberen Endstellupg wieder
in die horizontale untere Endstellung gebracht wird, braucht nur die obere Sperrklinke
194 gelöst zu werden. Die in der Feder 195 gespeicherte Federenergie reicht aus,
um dem Schwenkteil 180 eine Anfangsbeschleunigung zu erteilen. Sobald das Schwenkteil
180 die vertikale Stellung verlassen hat, entsteht eine nach unten gerichtete Gewichtskomponente,
welche das Gewicht des untersten Teil.
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gewichts 187 überwiegt, so daß dem Schwenkteil 180 im Bereich A eine
nach unten gerichtete (oder negative) Beschleunigung erteilt wird. Das Schwenkteil
180 bewegt sich also im Bereich A mit zunehmender Geschwindigkeit nach unten. Am
Ende des Bereichs A wird das Teilgewicht 188 vom Vorsprung 190 abgehoben und mitgenommen,
so daß wieder die beiden Teilgewichte 187 und 188 als Gegengewicht wirken. Das Schwenkteil
180 bewegt sich daher mit annähernd konstanter Geschwindigkeit durch den Bereich
B nach unten. Am Ende des Bereichs B wird schließlich auch das oberste Teilgewicht
189 erfaßt, so daß wiederdas volle Gegengewicht wirksam ist und dem Schwenkteil
180 im Bereich C eine Verzögerung (d.h. eine nach oben gerichtete oder positive)
Beschleunigung erteilt. Das Schwenkteil 180 läuft daher sanft in die untere Endstellung
ein, jedoch
ist die Geschwindigkeit beim Erreichen der Feder 193
noch so groß, daß durch die restliche kinetische Energie die Feder 193 soweit zusammengedrückt
wird, daß das Schwenkteil 180 in die Sperrklinke 192 einrasten kann.
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Die Teile nehmen dann wieder die in Fig.16 gezeigte Stellung ein,
und die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich, wenn die Sperrklinke 192 gelöst
wird.
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Wenn das beschriebene System verlustfrei wäre, könnten die beschriebenen
Vorgänge ohne Zufuhr äußerer Energie beliebig oft wiederholt werden. In Wirklichkeit
treten Jedoch Verluste auf, insbesondere durch Reibung, Luftwiderstand usw., die
durch Zufuhr äußerer Energie gedeckt werden müssen.
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Ein besonderer Vorteil des in Fig.16 dargestellten Systems besteht
darin* das die zur Deckung der Verluste benötigte Energie nicht notwendigerweise
während des Hebens oder Senkens der Last zugeführt werden muß, sondern in den Betriebspausen
zugeführt und gespeichert werden kann. Da die Betriebspausen im allgemeinen sehr
viel länger als die Betriebszeiten sind, kann die Energiezufuhr über einen großen
Zeitraum verteilt werden, so daß eine verhältnismässig kleine Leistung aufzuwenden
ist.Es genügen also kleine und billige Vorrichtungen, um die Energiebilanz zu decken,
die dann das Bewegen einer schweren Last in kurzer Zeit, also unter beträchtlichem
Leistungsaufwand ermöglicht.
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Für die Zuführung und Speicherung der zusätzlichen Energie gibt es
verschiedene Möglichkeiten.
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Bei einer ersten Ausfllhrungsform wird die Tatsache ausgenutzt, daß
in Form der Federn 193 und 195 Energiespeicher vorhanden sind. Es genUgt dann, in
eine dieser Federn zusätzliche Energie dadurch einzuspeichern, daß der Feder eine
zusätzliche Spannung erteilt wird.
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Zu diesem Zweck kann beispielsweise unter der Feder 193 eine kraftbetriebene
Vorrichtung 196,z.B. ein Hydraulikkolben, angebracht sein, mit der das untere Ende
der Feder 193 angehoben werden kann. Wenn somit die Teile die in Fig.16 gezeigte
Stellung einnehmen und dann das untere Ende der Feder 193 angehoben wird, wird die
Feder 193 zusätzlich gespannt, wodurch die gespeicherte Federenergie vergrößert
wird. Bei der Freigabe des Schwenkteils 180 durchZurückziehen der Sperrklinke 192
wird durch diese zusätzliche gespeicherte Energie dem Schwenkteil 180 eine entsprechend
größere Anfangsbeschleunigung erteilt* so daß die zusätzliche Energie in kinetische
Energie umgewandelt wird. Ein Teil dieser zusätzlichen Energie kann für die Deckung
der Verluste bei der Aufwärtsbewegung verbraucht werden. Der Rest steht in Form
von zusätzlicher kinetischer Energie am Ende der Aufwärtsbewegung zur Verfügung
und erlaubt die Verwendung einer entsprechend kräftigeren Feder 195, in der mehr
Federenergie gespeichert wird, so daß der Überschuß zur Dekkung der Verluste bei
der Abwärtsbewegung zur Verfügung echt. Nach dem Entspannen der Feder 192 wird der
Hydraulikkolben wieder in die Ruhestellung zurückgestellt, damit eine erneute Einspeicherung
von zusätzlicher Energie im nächsten Betriebszyklus erfolgen kann. Wahlweise ist
es auch möglich, die Feder 195 ebenfalls mit einem Hydraulikkolben
zur
Einspeicherung zusätzlicher Energie auszustatten.
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Da das veränderliche Gegengewicht G selbst ein Energiespeicher ist,
kann die für die Deckung der Verluste erforderliche zusätzliche Energie auch auf
das Gegengewicht aufgebracht werden. Dies kann dadurch erfolgen, daß das Gewicht
des Gegengewichts in seiner höchsten Stellung (die der tiefsten Stellung der Last
entspricht) vorübergehend vergrößert wird und/oder das Gewicht des Gegengewichts
in seiner tiefsten Stellung (die der höchsten Stellung der Last entspricht) vorübergehend
verkleinert wird.
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Die erste Maßnahme ist gleichbedeutend mit einer Vergrößerung der
im Gegengewicht gespeicherten potentiellen Energie; die zusätzliche potentielle
Energie wird nach der Freigabe der Last in kinetische Energie umgewandelt, weil
der Last durch das größere Gegengewicht am Beginn der Aufwärtsbewegung eine größere
Anfangsbeschleunigung erteilt wird. Die zweite Maßnahme ist gleichbedeutend mit
einer Vergrößerung der in der Last gespeicherten potentiellen Energie, die eine
erhöhte Anfangsbeschleunigung am Beginn der Abwärtsbewegung und somit eine zusätzliche
kinetische Energie zur Folge hat. Die auf diese Weise in das System eingebrachte
zusätzliche Energie kann dann Jeweils zur Deckung der Verluste verbraucht werden.
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In den Figuren 17 und 18 ist ein Gegengewichtssystem dargestellt,
das diese Wirkung ergibt.
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Fig.17 zeigt ein Gegengewichtssystem des an Hand von Fig.5 und Fig.6
erläuterten Konstruktionsprinzipein schematischer Seitenansicht in drei Betriebsstellungen.
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Das auf ein Seil 100 wirkende Gegengewicht G ist in fünf Teilgewichte
201, 202, 203, 204, 205 unterteilt, die am besten in Fig.17b erkennbar sind, wo
sie deutlich voneinander getrennt sind. Wie bei der Ausführungsform von Fig.5 und
6 haben die Teilgewichte unterschiedliche Querabmessungen, so daß Jedes obere Teilgewicht
205, 204, 203, 202 auf beiden Seiten etwas über das unmittelbar darunter befindliche
Teilgewicht 204, 203, 202 bzw. 201 übersteht.
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Das unterste Teilgewicht 201 ist am Seil 200 aufgehängt, während die
anderen Teilgewichte 202, 203, 204, 205 relativ zum Seil 200 gleitbar sind.
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Die FUhrungsbahn besteht, wie im Fall von Fig.5 und 6 aus zwei vertikalen
seitlichen Stützen 206, 207, an denen in verschiedenen Höhen Vorsprung. 208, 209,
210, 211 angebracht sind, die unterschiedlich weit in die Bewegungsbahnen der Teilgewichte
ragen, so daß die Vorsprünge 211 das oberste Teilgewicht 205 abfangen, die Vorsprünge
210 das Teilgewicht 204, die Vorsprünge 209 das Teilgewicht 203 und die Vorsprünge
208 das Teilgewicht 202 tFig.17b).
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Die bisher beschriebene Ausbildung des Gegengewichtssystems von Fig.17
entspricht der Ausführungsform von Fig.5 und 6 und würde für sich allein die im
Zusammenhang mit diesen Figuren geschilderte Wirkungsweise ergeben.
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Die Besonderheit des Gegengewichtssystems von Fig.17 besteht darin,
daß das unterste Teilgewicht und das oberste Teilgewicht Jeweils in zwei Teile unterteilt
sind, die relativ zueinander vertikal verstellbar sind, und daß Einrichtungen vorgesehen
sind, mit denen der obere Teil
gegenüber dem unteren Teil um eine
begrenzte Strecke angehoben werden kann.
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Das unterste Teilgewicht 201 besteht aus zwei Teilen 201a und 201b,
von denen der untere Teil 201a fest mit dem Seil 200 verbunden ist, während der
obere Teil 201b auf dem unteren Teil 201aaufliegt und relativ zum Seil 200 gleitbar
ist. Der obere Teil 201b hat einen etwas größeren Querschnitt als der untere Teil
201a, so daß er an allen Seiten etwas über den unteren Teil 201a übersteht; die
Querabmessung des Teils 201b ist aber kleiner als der Abstand zwischen den Vorsprüngen,
208, so daß das ganze Teilgewicht 201 zwischen diesen Vorsprüngen hindurchgehen
kann.
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Im unteren Bereich der Führungsbahn ist ein Hubrahmen 212 in zwei
Führungsschächten 213, 214 um eine begrenzte Strecke auf- und abwärtsbeweglich gelagert.
Der Hubrahmen 212 hängt an zwei entlang den Stützen 206, 207 verlaufenden Hubseilen
215, 216, die über Umlenkrollen 217, 218, 219 zu einer Winde 220 geführt sind, so
daß der Hubrahmen 212 mittels der Winde 220 gehoben und gesenkt werden kann.
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Wie die vergrößerte perspektivische Teilansicht von Fig.18 erkennen
läßt, hat der Hubrahmen 212 eine Öffnung 212a, die kleiner als der Querschnitt des
oberen Teils 201b des Teilgewichts 201 ist, so daß dieser Teil 201b auf dem Hubrahmen
212 aufliegt, wenn er auf die Höhe des Hubrahmens abgesenkt wird. Die Öffnung 212a
ist an den Querschnitt des unteren Teils 201a angeoaßt und so bemessen, daß der
untere
Teil 201a frei durch die Öffnung 212a gleiten kann. Der Hubrahmen 212 ist an jeder
Seite mit Führungsrollen 221 versehen, mit denen er in den Führungsschächten 213,
214 geführt ist.
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Zusätzliche Maßnahmen sind getroffen, um die beiden Teile 201a und
201b des untersten Teilgewichts 201 stets in der richtigen gegenseitigen Lage zu
halten.Zu diesem Zweck sind im oberen Teil 201b zwei vertikal nach unten ragende
Führungsstangen 222, 223 befestigt, die gleitbar durch Führungsöffnungen im unteren
Teil 201a geführt sind. Ferner ist an der Unterseite des oberen Teils 201b eine
flache Ausnehmung 224 gebildet, in die der untere Teil 201a paßt. Entsprechende
flache Ausnehmungen können auch an den übrigen Teilgewichten angebracht sein, wie
die abgebrochene Darstellung von Fig.17a erkennen läßt.
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Das oberste Teilgewicht 205 ist in gleicher Weise in zwei Teile 205a,
205b unterteilt, die beide relativ zueinander und zum Seil 200 vertikal beweglich
sind. Der obere Teil 205b steht an allen Seiten etwas über den unteren Teil 205a
über. Im oberen Abschnitt der Führungsbahn ist ein weiterer Hubrahmen 225 oberhalb
der Vorsprünge 211 zwischen den vertikalen Stützen 206, 207 um eine begrenzte Strecke
auf- und abwärts beweglich gelagert. Der Hubrahmen 225 hat eine Öffnung, die etwas
kleiner als der Querschnitt des oberen Teils 205b des Teilgewichts 205 ist, während
der untere Teil 205a frei durch die Öffnung des Hubrahmens 225 gleiten kann. Der
Hubrahmen 225 ist ebenfalls an den Hubseilen 215, 216 befestigt, so daß er bei Betätigung
der Winde 220 gemeinsam mit dem Hubrahmen 212 gehoben bzw.
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gesenkt wird.
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Wenn angenommen wird, daß das Seil 200 anstelle des Seils 183 in Fig.16
mit dem dort dargestellten Schwenkteil 160 verbunden ist, so ergibt das Gegengewichtssystem
von Fig.17 die folgende Wirkungsweise: Das Schwenkteil 180 befindet sich in der
in vollen Linien gezeichneten horizontalen Stellung, in der es in die Sperrklinke
192 eingerastet ist. Das Gegengewicht G nimmt die höchste Stellung ein (Fig.17a),
in der alle oberen Teilgewichte 202, 203, 204, 205 auf dem mit dem Seil 200 verbundenen
untersten Teilgewicht 201 aufliegen, so daß die Summe aller Teilgewichte als Gegengewicht
wirksam ist.
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Der untere Hubrahmen 212 ist in dieser Stellung entlastet, so daß
es bedeutungslos ist, ob er gehoben oder gesenkt ist. Wenn dagegen der-obere Hubrahmen
225, wie in Fig.17a, dargestellt ist, angehoben ist, trägt er den oberen Teil 205b
des obersten Teilgewichts 205, so daß dieser Teil nicht zum wirksamen Gewicht des
Gegengewichts beiträgt.
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In der Betriebspause vor dem Lösen der Sperrklinke 192 werden die
Hubrahmen 212 und 225 in ihre untere Stellung abgesenkt, so daß das wirksame Gewicht
des Cegengewichts G um das Gewicht des Teils 205b vergrößert wird.
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Wenn nun die Sperrklinike 192 gelöst wird, wird dem Schwenkteil 180
eine Anfangsbeschleunigung erteilt, die der Summe aller vollständigen Teilgewichte
201, 202, 203, 204, 205 einschließlich des oberen Teils 205b des Teilgewichts 205
entspricht.
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Die weiteren Vorgän bei der Aufwärtsbewegung des Schwenkteils 180
laufen in der zuvor erläuterten Weise ab; das wirksame Gewicht des Gegengewichts
G wird dadurch stufenweise verringert, daß die Teilgewichte 205, 204, 203, 202 der
Reihe nach durch die Vorsprünge 211, 210, 209, 208 abgefangen werden.
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In der letzten Bewegungsphase (Abschnitt A von Fig.16) nach dem Abfangen
des Teilgewichts 202 können sich die beiden Teile 20laund 201b des untersten Teilgewichts
201 gemeinsam nach unten bewegen, weil der Hubrahmen 212 seine tiefste Stellung
einnimmt (Fig.17b). In dieser Bewegungsphase ist somit das volle Gewicht der beiden
Teile 201a und 201b des untersten Teilgewichts 201 als Gegengewicht wirksam.
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Wenn das Schwenkteil 180 schließlich in die obere Sperrklinke 194
eingerastet ist (gestrichelte Stellung in Fig.16), nehmen die Teile des Gegengewichtssystems
die in Fig.17b dargestellten Lagen ein.
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In der sich anschließenden Betriebspause vor dem Lösen der Sperrklinke
194 werden die beiden Hubrahmen 212 und 225 mittels der Winde 220 in ihre oberen
Stellungen angehoben. Da das Teil 201b auf dem Hubrahmen 212 aufliegt und das Teil
205b auf dem Hubrahmen 225 aufliegt, werden diese beiden Teile beim Heben der Hubrahmen
mitgenommen (Fig.17c). Die zum Heben der Teile 201b und 205b erforderliche Energie
muß von der Winde 220 aufgebracht werden.
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Beim Lösen der Sperrklinike 194 nehmen somit die Teile des Gegengewichtssystems
die in Fig.17c dargestelle Lage ein. Im Anfangsteil der Abwärtsbewegung (Abschnitt
A in Fig.16) ist somit nur der untere Teil 201a des Teilgewichts 201 als Gegengewicht
wirksam. Dem Schwenkteil 180 wird somit in dieser Bewegungsphase eine gröBere Beschleunigung
und demzufolge auch eine größere kinetische Energie erteilt als wenn das volle Teilgewicht
201 als Gegengewicht wirksam wäre.
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Wenn der untere Teil 20ladie Höhe des Hubrahmens 212 erreicht, nimmt
er den oberen Teil 201b mit, so daß nunmehr das volle Teilgewicht 201 wirksam ist.
Von da an verlaufen die weiteren Vorgänge beim Absenken des Schwenkteils 180 in
der zuvor beschriebenen Weise. Insbesondere wird das wirksame Gewicht des Gegengewichts
dadurch stufenweise erhöht, daß die Teilgewichte 202, 203, 204, 205 der Reihe nach
von den Vorsprüngen 208, 209, 210, 211 abgehoben und mitgenommen werden.
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In der letzten Bewegungsphase (Abschnitt C von Fig.16) trägt Jedoch
vom Teilgewicht 205 nur der untere Teil 205a zum wirksamen Gewicht des Gegengewichts
bei, weil der obere Teil 205b bereits in die obere Endstellung angehoben ist.
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Wenn schließlich das Schwenkteil 180 wieder die horizontale Lage erreicht
hat und in die Sperrklinke 192 eingerastet ist, nehmen die Bestandteile des Gegengewichtssystems
wieder die in Fig.17adargestellte Ausgangslage ein. Der beschriebene Zyklus kann
beliebig oft wiederholt werden.
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Es ist unmittelbar zu erkennen, daß in jedem Zyklus in das System
die Energie eingebracht wird, die zum Heben der Cewichtsteile 201b und 205b um die
dem Hub der Hubrahmen 212 und 225 entsprechende Höhe erforderlich ist. Diese zusätzliche
Energie steht zur Deckung der durch Reibung, Luftwiderstand usw. entstehenden Verluste
zur Verfügung.
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Abgesehen von dieser mittels der Winde 220 eingebrachten Energie arbeitet
das beschriebene System völlig autonom.
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Insbesondere erfolgt das Heben und Senken der Last allein durch den
Energieaustausch zwischen der Last und dem Gegengewichtssystem. Infolge des veränderlichen
wirksamen Gewichts des Gegengewichts können erhebliche Beschleunigungen angewendet
werden, so daß selbst schwere Lasten in kurzer Zeit gehoben und gesenkt werden können.
Die hierfür erfordarliche beträchtliche Leistung bleibt jedoch innerhalb des Systems
und braucht nicht von außen aufgewendet zu werden. Die zum Aufbringen der zusätzlichen
Energie erforderliche Leistung kann dagegen sehr klein sein, weil in den Betriebspausen
eine ausreichende Zeit zur Verfügung steht. Mit anderen Worten: Das Anheben der
Gewichtsteile 201b und 205b mittels der Winde 220 kann sehr langsam erfolgen, so
daß für den Antrieb der Winde 220 ein schwacher Motor genügt.
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