DE3714637C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum automatischen Ausgleich eines vom Winkel zwischen Lastvektor und Lastarm abhängigen Lastmoments für stufenlos sowie räumlich verstell- und positionierbare Lasten eines mechanischen Bewegungssystems durch mittels Federkräfte erzeugte und veränderbare Gegendrehmomente zur Erzielung eines stabilen Gleichgewichts in jeder Lage der Last.

Ein Drehmomentausgleichsystem der oben aufgeführten Art befindet sich beispielsweise in der Aufhängung einer Operationsleuchte. Das Ausgleichsystem sorgt hier dafür, daß die Leuchte in jeder gewünschten Höhenlage sicher positioniert bleibt, in dem das durch die Masse der Leuchte über einen Schwenkarm entstehende Lastmoment in jeder Stellung derselben durch ein Gegenmoment annähernd gleicher Größe ausgeglichen wird, das durch eine auf einen Hebelarm wirkende Feder- oder Gewichtskraft erzeugt wird. Die Differenz zwischen Last- und Gegenmoment wird durch eine vorgesehene Reibungsbremse aufgenommen, welche bei jeder Lageveränderung überwunden werden muß.

Bei allen Winkelstellungen des Lastarms ist die zu kompensierende Massenkraft ausschließlich vertikal ausgerichtet, das Drehmoment der Last wird jedoch von ihrer Tangentialkomponente bestimmt. Somit ergeben sich von diesen Winkelstellungen abhängige Lastmomente jeweils unterschiedlicher Größe und damit nichtlineare, transzendente Lastmomentkennlinien.

Diese physikalische Gesetzmäßigkeit ist bei der Darstellung des Gegenmoments zu beachten und führt dazu, daß ein - bezüglich seiner absoluten Größe dem jeweiligen Lastmoment gleiches - Gegenmoment auf einfache Weise nur durch die Anlenkung eines Gegengewichts erzeugt werden kann, wie dies beispielsweise bei einer Zeichenmaschine der Fall ist.

Die Masse des Gegengewichts gleicht hier wegen der gleichen Wirkfunktion die Masse des Parallelogrammgestänges, der Zeichenstäbe und des Zeichenkopfes in jeder Stellung so gut aus, daß eine geringe Reibwirkung ausreicht, um den Zeichenkopf in jeder Lage sicher zu fixieren.

Bei größeren auszugleichenden Lasten führt diese Maßnahme jedoch zu sperrigen, langen Hebelarmen für das Gegengewicht oder zu großen Werten desselben mit starker Belastung des Drehpunktes.

Es ist ferner bekannt, zur Erzeugung einer erforderlichen Gegenkraft ein Hydraulik- oder Pneumatiksystem oder auch eine Gasfeder, z. B. einen Hydrospeicher, zu verwenden.

Wegen der nichtlinearen und von der Winkelstellung der Last abhängigen Kennlinie des notwendigen Gegenmoments benötigen solche Einrichtungen aber eine Regelung mit entsprechender Lagerückführung und sind daher recht aufwendig, empfindlich und auch teuer.

Zum Ausgleich eines Lastmoments ließen sich Rollhubfedern verwenden. Der wesentliche Vorteil von Rollhubfedern liegt darin, daß sie - nach dem Stand der Technik wohl als einzige Metallfedernart - eine praktisch konstante Federkraft aufweisen und reibungsfrei arbeiten. Ein solcher Vorschlag ist jedoch noch nicht bekannt.

Die Federkraft bei Rollhubfedern ist - im Gegensatz z. B. zu üblichen Schraubenfedern - nicht abhängig von der Vorspannkraft zuzüglich Faktor Arbeitshub × Federrate, sondern ist primär abhängig vom Werkstoff und der verwendeten Bauform. Ein wesentlicher Nachteil der Rollhubfedern besteht in der platzaufwendigen Bauweise, welche damit für viele Anwendungszwecke ausfällt. Weiterhin werden bei mittleren und höheren Lastmomenten zur Darstellung von entsprechenden Gegenmomenten übliche Schraubendruckfedern oder auch Tellerfedernsäulen verwendet, die innerhalb von Kurbeltrieb- oder Kurbelschleifenmechanismen abgelenkt sind.

Weil sich bei solchen Geräten einerseits die Kraftrichtung des Federelements in Abhängigkeit vom Kurbelmechanismus und in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Last ändert, und andererseits die Kennlinien von Teller- und Schraubendruckfedern elementeigenen, bekannten Gesetzmäßigkeiten unterliegen, ist hiermit jedoch die Erzeugung einer Gegenmomentcharakteristik entsprechend der Charakteristik des Lastmoments nicht möglich.

Die relativ großen Unterschiede zwischen Lastmoment- und Gegenmomentcharakteristik müssen durch entsprechend starke Reibungsbremsen aufgenommen werden, die ihrerseits die Handhabung des Gegenmomentausgleichsystems sehr beeinträchtigen.

Durch die bekannten Federkraft-Einstelleinrichtungen bei den o. g. Kurbelmechanismen (Beilegescheiben bzw. Einstellgewinde an den Federauflagern) können die nicht anpaßbaren Gegenmomentcharakteristiken nur größenmäßig verschoben, aber keinesfalls im Verlauf geändert werden. Darüber hinaus ist es hier üblicherweise nötig, die Einstellung der Federkraft stufenweise bei abgehängter Last und/oder bei einer erheblichen Teil-Demontage der Mechanismen durchzuführen.

Aus der EP 0 110 520 A2 ist eine Vorrichtung mit einer veränderbaren Drehmomentarmlänge für eine synchronisierte Übertragung einer Kraft bekannt, welche jedoch nur zwei wirksame Längen dieses Hebelarms aufweist und zuläßt, während die notwendigerweise beim Schaltvorgang auftretenden Zwischenlängen als reine Übergangsstellungen zu betrachten sind, die bei dem Schaltvorgang durchfahren werden müssen. Beim Erreichen der Endstellung des Hebelarms ist bei dieser bekannten Vorrichtung dafür zu sorgen, daß das Stützmoment stets größer als das Lastmoment sein muß, um kein selbsttätiges Schalten zu erlauben. Ein Gleichgewicht darf daher nicht vorhanden sein. Das Lastmoment wird ferner von außen aufgeprägt und weist eine unbestimmte und nicht vorhersehbare und somit auch nicht berechenbare Größe auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs aufgeführten Art ein in jeder Winkelstellung zwischen Lastrichtung und Lastarm gleich großes Ausgleichs-Drehmoment zur Verfügung zu stellen, dessen Größe automatisch und mechanisch mittels Federkräften dem jeweiligen Lastmoment anpaßbar ist. Damit entfällt eine sonst erforderliche und zusätzliche Reibungsbremse mit ihren vielfältigen Nachteilen, wie ihre richtungslose Kraftwirkung und ihre Wirkung durch Haftreibung. Da die Haftreibung stets größer als die Bewegungsreibung ist, wird für eine Positionsänderung der Last bei den bekannten Vorrichtungen eine größere Anfangskraft zur Überwindung der Haftreibung benötigt, als für die Überwindung der umittelbar einsetzenden Bewegungsreibung zur Fortbewegung der Last.

Die erfinderische Aufgabe beinhaltet damit die Darstellung eines Gegenmoments, dessen Charakteristik exakt der Lastmomentcharakteristik entspricht, sowie einer Einrichtung für die Justierung (d. h. einer größenmäßigen Verschiebung der Gegenmomentcharakteristik) des voll betriebsbereiten Drehmomentausgleichsystems bei frei pendelnder Last und ohne Demontage irgendwelcher - gegebenenfalls das Gleichgewicht beeinflussender - Bauteile.

Die Lösung der gestellten Aufgabe soll mehreren Bedingungen genügen.

• a) Es soll eine leichte Höhenverstellbarkeit der auszugleichenden Last von Hand in vertikaler Richtung ohne Zuhilfenahme irgendwelcher Vorrichtungen oder Werkzeuge bzw. Fremdkräfte möglich sein;
• b) die jeweilige Höhenlage der Last soll durch geringe innere Reibungskräfte aufrechterhalten werden. Es wird dabei davon ausgegangen, daß das zu erzeugende Gegenmoment dem Lastmoment gemäß der Erfindung im gesamten Schwenkbereich größenmäßig weitgehend angeglichen werden kann und die Justierung bei voll betriebsfähigem Drehmomentausgleichsystem und im gesamten Schwenkbereich frei pendelnder Last erfolgt;
• c) die Vorrichtung soll wenig aufwendig, aus einfachen, konventionellen Bauelementen darstellbar und der Betrieb soll ohne zusätzliche, äußere Antriebsaggregate sowie kostengünstig durchführbar sein; und
• d) schließlich wird eine kompakte Bauweise angestrebt und die Federelemente sollen innerhalb der normalen Aufhängung unterzubringen sein.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt nach der Erfindung dadurch, daß ein der Last F(m) in bezug auf seine Dimensionierung angepaßtes Federsystem über eine mit der Feder oder ihrer Federstange verbundene Schubstange an eine Kurbel angelenkt ist, welche unter einem definierten Winkel zum Lastarm l(m) auf seinen Drehpunkt P (1) einwirkt und die Länge (r) der Kurbel vom Anlenkungspunkt P (2) der Federschubstange am Lastarm l(m) bis zum Drehpunkt P (1) des Lastarmes stufenlos veränderbar ausgebildet ist.

Der Winkel Phi(A) zwischen der Kurbel und dem Lastarm l(m) ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung Null, wobei die Kurbel einen Teil des Lastarmes bildet. Hierdurch ergibt sich eine maximale Einwirkung des Gegendrehmomentes und eine bereits weitgehende Anpassung an das Lastmoment.

Das der Last in bezug auf seine Dimensionierung angepaßte Federsystem ist in vorteilhafter Weise als Druckfedersystem ausgebildet. Zweckmäßig ist es, hierfür eine Schraubenfeder oder eine Tellerfedernsäule zu verwenden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Entfernung der oberen Federanlenkung P (3) zum zentralen Drehpunkt P (1) ein Minimum ist.

In konsequenter Durchführung dieses Merkmals ist es anzustreben, daß die senkrechte Projektion des oberen Federanlenkpunktes P (3) auf den Drehpunkt P (1) fällt.

Die Veränderbarkeit der Kurbellänge erfolgt nach der Erfindung bei einer Ausführungsform derselben mittels eines abtastbaren Kurvenkörpers, wobei der Kurvenkörper gemäß einer vorgegebenen Funktion ausgebildet ist. Die vorgegebene Funktion ist vorteilhaft in einer Datentabelle niedergelegt, die ihrerseits durch die numerische Iteration von vorgegebenen Funktionen gebildet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kurbel vom Anlenkungspunkt P (2) der Federschubstange über den Drehpunkt P (1) des Lastarmes hinaus verlängert, wobei sich am Ende der verlängerten Kurbel eine Führungsrolle befindet, welche den Kurvenkörper abtastet und damit die wirksame Länge der Kurbel bestimmt.

Die Durchführung der Kurbel durch den Drehpunkt P (1) des Lastarmes ist in vorteilhafter Weise als Kugelbüchse ausgebildet.

Bei der eingangs aufgeführten Vorrichtung ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Stutzen eines den Lastdrehpunkt aufnehmenden Gehäuses gegenüber einem die Feder zur Erzeugung des Gegendrehmomentes mit einer Federstange aufnehmenden Federgehäuse radial verdrehbar und gegen axiale Verschiebung gesichert, wobei der Stutzen ein Innengewinde aufweist, in das eine gegen Drehung mit dem Federgehäuse gesicherte und gegen Längsverschiebung feststellbare Mutter mit Außengewinde eingreift und die Mutter das feste Auflager für die Feder bildet, während das bewegliche Federauflager mit der Federstange verbunden ist, auf die die Last einwirkt.

Das Federgehäuse und der Stutzen weisen in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung jeweils eine mit einem Draht zusammenwirkende Rille auf, derart, daß zwischen Federgehäuse und Stutzen eine sichere Verbindung gegeben und eine relative Drehbewegung zugelassen ist. Der Stutzen weist nach der Erfindung an seinem oberen Ende ein Innengewinde auf, welches mit einem Außengewinde der Mutter zusammenwirkt, wobei im oberen Bereich der Mutter Außenlängsnuten angeordnet sind, in die mindestens ein mit dem Federgehäuse befestigbarer Gewindestift eingreift, so daß bei Drehung des Gehäuses gegen das Federgehäuse bei gelockertem Gewindestift eine Auf- oder Abwärtsbewegung des unteren Auflagers mit seiner Distanzscheibe der Feder zur Austarierung der Last F(m) durchführbar ist, und bei angezogenem Gewindestift die relative Drehbewegung zwischen Federgehäuse und Stutzen blockiert ist.

Im Bereich der Rillenführungen sind im Federgehäuse eine erste Montageöffnung für die Ein- und Ausführung des Drahtes, im Stutzen eine zweite Montageöffnung für den Eingriff des Werkzeuges zur Herausführung des Drahtes durch die erste Montageöffnung, und im Stutzen eine Arretierbohrung für die Aufnahme des Hakens am Ende des Drahtes vorhanden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Draht als Federdraht an seinem Ende einen Haken auf. Außerhalb des Bereichs seines Hakens ist der Draht über seine übrige Länge unterschiedlich vorgeformt, wobei mindestens sein anderes hakenloses Ende eine Verformung mit einem Krümmungsradius, der etwa gleich dem Krümmungsradius seines aus den Rillen bestehenden Bettes ist, aufweist, deren Länge mindestens dem Durchmesser der ersten Montageöffnung entspricht, wodurch ein unbeabsichtigtes Entweichen des Drahtes aus seinem Bett oder ein Anstoßen eines seiner Enden an die Wandung der ersten Montageöffnung bei Justierbewegungen verhindert wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Anordnung,

Fig. 2 eine typische Charakteristik idealer Federkennlinien bei unterschiedlichen Ausgangswinkeln Phi(A),

Fig. 3 ideale Federkennlinien bei unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen des Kurbeltriebs,

Fig. 4 ideale Federkennlinien bei Variationen des horizontalen Abstandes zwischen zentralem Drehpunkt und oberer Federanlenkung P (3),

Fig. 5 ideale Federkennlinien bei der Wahl verschiedener Verhältnisse Y/r,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Druckfeder mit Kurbelschleife,

Fig. 7 den Verlauf der Drehmomente in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel in Grad,

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Kurbelradius-Korrektur,

Fig. 9 eine konstruktive Darstellung einer Ausführungsform der Drehmoment-Ausgleichsvorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 10 eine Sperrvorrichtung gegen axiale Verschiebung eines Anschlußrohres gegenüber einem Gehäuse, und

Fig. 11 eine konstruktive Darstellung einer Ausführungsform der Drehmoment-Ausgleichsvorrichtung im Längsschnitt nach Fig. 9, um 90° geschwenkt.

Die Fig. 1 verdeutlicht den physikalischen Effekt der Vorrichtung nach der Erfindung anhand eines schematisch dargestellten Funktionsprinzips, ergänzt durch die Anlenkung einer Feder.

Durch die Verknüpfung des auf einer Geraden hin- und hergehenden Punktes P (3) und des rotierenden Punktes P (2) der Kurbel durch die Schubstange 1 ist der Bewegungsablauf beider Punkte fest miteinander gekoppelt.

Bei der Drehbewegung des Punktes P (2) um den Punkt P (1) wird eine bei P (0) befestigte Feder, welche schematisch als Federkraft durch den Doppelpfeil F(F) dargestellt ist, gespannt bzw. entspannt, wobei die jeweilige Federkraft über die Schubstange 1 auf den Kurbelradius r wirkt und somit ein Drehmoment M(F) erzeugt.

Dieses Drehmoment soll idealerweise bei jedem Schwenkwinkel Phi(S) dem hier nicht dargestellten Lastmoment M(L) bezüglich seiner absoluten Größe weitgehend entsprechen.

Die Grenzen für den als Parameter eingesetzten Ausgangswinkel Phi(A) (s. Fig. 6) werden mit 0° bzw. 65° angesetzt, weil bei einem angenommenen maximalen Schwenkwinkel Phi(S _max) von 110°

• a) durch Probediagramme ermittelt wurde, daß bei negativen Ausgangswinkeln Phi(A) in unerwünschter Weise sowohl die Ausgangspunkte als auch die Steigungen der idealen Federcharakteristiken stark ansteigen, und
• b) ab einem Ausgangswinkel Phi(A) von 70° der Kurbelwinkel in seinen negativen Bereich eintritt und damit die Richtung des Gegenmoments M(G) (bzw. des Federmoments M(F)) umgekehrt wird. Die Differenz 70°-65° soll sicherstellen, daß der Wendepunkt bei Phi(S _max) + Phi(A) = 180° mit Abstand außerhalb des betrachteten Bereichs bleibt.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen als Diagramme die "idealen" Federkennlinien, (d. h. theoretische, praktisch zum Teil nicht nachvollziehbare Kennlinien, bei deren Vorhandensein die absolute Größe der Gegenmomente bei jedem Schwenkwinkel Phi(s) der jeweiligen Lastmomentgröße entsprechen würde) von Kurbeltrieb- bzw. Kurbelschleifenmechanismen bei verschiedenen geometrischen Zusammenhängen.

Die Fig. 2 zeigt einen Auszug der ermittelten Kurvenscharen bei Wahl des Ausgangswinkels Phi(A) als Parameter, und zwar der Deutlichkeit halber die beiden Grenzkurven bei Phi(A) = 0° und Phi (A) = 65° sowie eine mittlere Kurve bei Phi(A) = 35°.

Die Fig. 2 zeigt deutlich, daß der günstigtes Ausganswinkel mit Phi(A) = 0° gewählt werden sollte, weil hierbei einerseits in vorteilhafter Weise eine übliche Schraubenfeder mit ihrer Charakteristik F(F) = c × S(F) als am besten anpaßbar erscheint und andererseits ggf. auch eine Tellerfedernsäule anwendbar ist.

Wird die "innere Übersetzung" (das Verhältnis r/l) des Kurbeltriebs nach Fig. 1 geändert, so resultiert hieraus ebenfalls eine Veränderung der Charakteristik der "idealen" Federkennlinie. Weil nach der Erfindung eine möglichst lineare Federkennlinie angestrebt wird, nämlich die einer üblichen Schraubenfeder ohne besondere Korrekturen, werden die entsprechenden Auswirkungen im folgenden anhand der Fig. 3 beschrieben.

Eine Verkürzung der Kurbel (r) ergibt eine Abflachung der idealen Federcharakteristik, (siehe hierzu die Kurve r/l = 0,1). Damit weist die entsprechende Tendenz in Richtung einer erwünschten linearen Federkennlinie. Dies kommt einer anzustrebenden Optimierung der Baugröße zugute, so daß die Kurbel so weit verkürzt werden kann, wie es die konstruktiven Gesichtspunkte überhaupt zulassen.

Eine Verlängerung der Schubstange (1) führt zu einer Verringerung der Charakteristik-Krümmung, jedoch auch zu einer Vergrößerung des nötigen Bauraums.

Nach der Erfindung ergeben sich somit die günstigsten Verhältnisse zur Lösung der gestellten Aufgaben bei einem Ausgangswinkel Phi(A) = 0° (die Lage des Lastarmes entspricht der Lage der Kurbel bei jedem Schwenkwinkel Phi(S)) und bei einer Minimierung der Kurbel-Länge (r).

Eine streng lineare Charakteristik der "idealen" Federkennlinie ist jedoch durch alleinige Änderung der geometrischen Verhältnisse (r/l) im Rahmen der konstruktiven Grenzen nicht erreichbar (unendlich lange Schubstange oder unendlich kurze Kurbel) und es müssen somit entsprechende Nebenfunktionen zur weiteren Abstimmung "ideale Federcharakteristik/technisch darstellbare Federcharakteristik" herangezogen werden.

Zur konstruktiven Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Frage der Position des Aufhängepunktes des oberen Endes der Feder von Bedeutung. Die Verhältnisse werden durch die Fig. 4 und 5 veranschaulicht. Hierbei bedeutet die Größe X den horizontalen Abstand der oberen Federaufhängung zum Drehpunkt P (1) des Lastarmes und Y den entsprechenden vertikalen Abstand (s. Fig. 6).

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, ergibt sich eine günstige, durch übliche Schrauben- bzw. Tellerfedern erreichbare Kennlinie nur bei Minimierung des Abstands X. Aus diesen Gründen wird daher dieser Abstand mit X = 0 festgelegt.

Aus Fig. 5 sind die "idealen" Federkennlinien bei einem geometrischen Zusammenhang nach Fig. 6 bei X = 0 und Phi(A) = 0° ersichtlich. Es zeigt sich, daß in einem weiten Bereich der Verhältnisse Y/r die idealen, anzustrebenden Federcharakteristiken annähernd linear bleiben, so daß hierdurch an sich gute Voraussetzungen für den Einsatz von üblichen Schraubendruckfedern oder ggf. auch Tellerfedernsäulen gegeben wären.

Der Versuch einer Federauslegung scheitert jedoch schon bei der Annahme recht geringer Lastmomente bzw. recht kleiner Schwenkbereiche, weil bei Y/r-Verhältnissen über 4,5 die benötigte Feder so weich (und damit der Vorspannweg so groß) sein muß, daß der Einsatz von Tellerfedern ausgeschlossen ist, und Schraubendruckfedern nicht mehr knicksicher bzw. dauerfest gestaltet werden können.

Die Fig. 6 veranschaulicht die gesamten geometrischen Verhältnisse zwischen Feder, Federaufhängung, Last, Lastarm und Kurbel.

Aus der bisherigen Betrachtung über die geometrischen Beziehungen bei Kurbeltrieb- bzw. Kurbelschleifenmechanismen und den anzustrebenden Federkennlinien ergeben sich die folgenden Randbedingungen:

• 1) Die günstigsten Verhältnisse ergeben sich dann, wenn die Lage des Lastarms bei jedem Schwenkwinkel der Lage der Kurbel entspricht.
• 2) Eine annähernd lineare, wenig gekrümmte Charakteristik der "idealen" Federkennlinie ist dann erreichbar, wenn der horizontale Abstand zwischen oberer Federanlenkung und zentralem Drehpunkt minimiert wird.
• 3) Werden die geometrischen Verhältnisse so gewählt, daß sich annähernd lineare bzw. streng lineare "ideale" Federkennlinien ergeben, so muß wegen der sich dann einstellenden flachen Federcharakteristik eine erhebliche Einschränkung der Vorspannkraft und damit des Lastmoments und/oder eine starke Einengung des Schwenkbereichs in Kauf genommen werden.

Anhand weiterer Untersuchungen läßt sich zeigen, daß sich mittels Kurbeltrieb- bzw. Kurbelschleifenmechanismen und Druckfeder allein die Wirkung der Massenkraft nur ungenügend ausgleichen läßt. Hierzu wird auf Fig. 7 verwiesen, aus der ersichtlich ist, daß sich der Verlauf des Lastmoments M(L) und der nichtkorrigierte Verlauf des Gegenmoments M(G) nicht decken. Es sind daher weitere Korrekturen vorzunehmen, um eine Übereinstimmung der Momenten-Kurven zu erreichen. Hierzu ist daher ein schwenkwinkelabhängiges, korrigiertes Gegenmoment M(GN) zu erzeugen.

Eine solche Korrektur-Funktion ergibt sich nach der Erfindung aus einer Kurbelradius-Korrektur, wie sie in Fig. 8 als Prinzipskizze dargestellt ist.

Die Veränderbarkeit der Kurbellänge (r) erfolgt mittels eines abtastbaren Kurvenkörpers 24, dessen Radius nicht konstant ist. Die Kurbel 20′ ist vom Anlenkungspunkt P (2) über den Drehpunkt P (1) des Lastarms hinaus verlängert und weist am Ende eine Rolle 22′ auf, die in einer Rollenführung läuft, welche als Kurvenkörper 24 einer definierten Funktion ausgebildet ist. Durch eine solche Anordnung ergibt sich - in erster Näherung - die Möglichkeit, das im Schwenkbereich unterschiedlich überhöhte Gegenmoment (s. Fig. 7) unter Berücksichtigung der Tangentialkraft durch Verkleinerung der wirksamen Kurbelradius-Länge zu reduzieren.

Hierbei ergibt sich zusätzlich ein Selbstverstärkungseffekt, da die Kurbel-Verkleinerung Delta r bei spezifischer Anordnung auch gleichzeitig zu einer schwenkwinkelabhängigen Entlastung der Druckfeder mit entsprechender Kraftreduzierung führt.

Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Im folgenden wird daher auf diese Figuren Bezug genommen.

Das Gehäuse 1 der Vorrichtung, welches seitlich durch die Deckel 2 und 3 verschlossen ist und die auf einer Drehachse P′ liegenden Lastdrehpunkte P (1) und P′ (1) aufnimmt, weist ein oberes Gehäuseteil auf, welches als Stutzen 4 ausgebildet ist. Der Stutzen 4 ist von einem unteren des Federgehäuses 5 umgeben. In dem Federgehäuse 5 befindet sich die das Gegenmoment erzeugende Druckfeder 6, welche gegen das obere Auflager 9 stößt. Das Auflager 9 ist mit der Federstange 7 fest verbunden und diese ist bis zum Drehpunkt P (3) bzw. der Drechachse im Gehäuse 1 geführt. Das obere Ende des Stutzens 4 ist mit einem Innengewinde versehen, in das eine gegen Drehung mit dem Federgehäuse 5 gesicherte und gegen Längsverschiebung feststellbare Mutter 8 mit Außengewinde eingreift.

Der Stutzen 4 und das Federgehäuse 5 sind gegeneinander radial verdrehbar und gegen axiale Verschiebung durch einen Federdraht 10 gesichert. Diese Sicherung ist in Fig. 10 näher dargestellt und wird später erläutert.

Die Mutter 8 bildet das untere, höhenveränderbare Auflager für die Feder 6, während das bewegliche Federauflager 9 mit der Federstange 7 verbunden ist, auf die die Last über verschiedene Gestänge einwirkt. Die Mutter 8 ist durch Gewindestifte 15 mit dem Federgehäuse 5 im Betriebszustand fixiert. Am Außenumfang der Mutter 8 sind Längsnuten vorgesehen, in denen die Gewindestifte 15 geführt sind, sobald sie zur Justage gelockert werden und der Stutzen 4 relativ zum Federgehäuse 5 gedreht wird.

Zwischen dem unteren Federauflager der Mutter 8 und der Feder 6 ist eine Distanzscheibe 16 vorgesehen.

Die Federstange 7 führt in das Innere des Gehäuses 1 und ist mit der Drehachse bzw. dem Drehpunkt P (3) gelenkig verbunden. Zwischen den Drehpunkten P (3) und P (2) liegt die Schubstange 18, welche mit einer Verbindungswelle 19 verbunden ist. An den äußeren Enden der Verbindungswelle 19 greifen die beiden Kurbeln 20 und 21 an, welche über die Drehpunkte P (1) und P′ (1) des Lastarmes geführt sind. Die Durchführungen der Kurbeln 20 und 21 durch die Drehachse P′ des Lastarms erfolgen mittels Kugelbüchsen 26 und 27 nahezu reibungslos. Am Ende der parallel verlaufenden Kurbeln 20 und 21 befinden sich Rillenkugellager 22 bzw. 23, welche auf den gleichartigen Kurvenkörpern 24 bzw. 25 ablaufen und damit je nach Winkelstellung den Abstand der Kurbeln 20 und 21 zwischen den Drehpunkten P (1) und P (2) bestimmen.

Die Fig. 10 verdeutlicht in vergrößerter Darstellung das Sperrelement, welches dazu dient, eine axiale oder vertikale Bewegung des Stutzens 4 gegen das Federgehäuse 5 zu verhindern, während es eine Kreisbewegung zuläßt.

Hierbei befindet sich ein Federdraht 10, welcher einen Haken 28 aufweist, mit etwa jeweils einer seiner Querschnittshälften in einer Rillenführung 30 des Stutzens 4 und in einer Rillenführung 29 des Federgehäuses 5 und bildet damit eine axial (d. h. hier vertikal) fixierte, jedoch eine Drehbewegung zwischen Stutzen 4 und Federgehäuse 5 zulassende Verbindung zwischen diesen beiden Teilen.

Mit dieser Befestigungs- und Justiervorrichtung nach der Erfindung ist eine Anpassung und Einstellmöglichkeit unter Last gegeben, wie im folgenden beschrieben wird. Weil bei Betätigung der Justiervorrichtung der charakteristische Verlauf der Gegenmomentkurve nicht beeinflußt, sondern diese Kurve nur lage- bzw. größenmäßig verschoben wird, können damit auch unterschiedliche Lasten auf einfache Weise austariert werden.

Ist vor der Justierung der Vorrichtung ein Ungleichgewicht zwischen Last- und Gegenmoment vorhanden, so werden die Gewindestifte 15 gelockert und die Last um das Federgehäuse 5 so lange gedreht, bis sich ein ausreichendes Gleichgewicht einstellt. Durch die Drehung der Last relativ zum Federgehäuse 5 erfolgt eine Veränderung des Abstandes des unteren vom oberen Auflager der Feder 6 und damit eine Veränderung der Federkraft. Ist das Gleichgewicht erreicht, werden die Gewindestifte 15 wieder angezogen und damit eine weitere radiale Bewegung zwischen Federgehäuse 5 und Stutzen 4 verhindert. Diese Justierung gilt für alle Winkelstellungen des Lastarmes, welcher seine weitere Anpassung des Gegenmomentes durch den Ablauf der Rillenkugellager 22 und 23 auf den Kurvenkörpern 24 und 25 erhält.

Mit diesen Anpassungen verschiedener Grade gelingt es, das Gegenmoment dem Lastmoment unabhängig von der Winkelstellung der Last zum Lastarm derartig anzupassen, daß stets ein vollständiges Gleichgewicht vorhanden ist, wobei keine zusätzliche Reibungsmasse erforderlich ist.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum automatischen Ausgleich eines vom Winkel zwischen Lastvektor und Lastarm abhängigen Lastmoments für stufenlos sowie räumlich verstell- und positionierbare Lasten eines mechanischen Bewegungssystems durch mittels Federkräfte erzeugte und veränderbare Gegendrehmomente zur Erzielung eines stabilen Gleichgewichts in jeder Lage der Last, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Last (F(m)) in bezug auf seine Dimensionierung angepaßtes Federsystem über eine mit der Feder oder ihrer Federstange verbundene Schubstange an eine Kurbel angelenkt ist, welche unter einem definierten Winkel zum Lastarm (l(m)) auf seinen Drehpunkt (P (1)) einwirkt und die Länge (r) der Kurbel (20′) vom Anlenkungspunkt (P (2)) der Federschubstange bis zum Drehpunkt (P (1)) des Lastarmes stufenlos veränderbar ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel PhiA zwischen der Kurbel (20′) und dem Lastarm (l(m)) Null ist und die Kurbel einen Teil des Lastarmes (l(m)) bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das der Last (F(m)) in bezug auf seine Dimensionierung angepaßte Federsystem als Druckfedersystem ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfedersystem als Schraubenfeder oder als Tellerfedernsäule ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der oberen Federanlenkung (P (3)) bzw. (P (0)) zum zentralen Drehpunkt (P (1)) ein Minimum ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Projektion des oberen Federanlenkpunkts (P (3)) bzw. (P (0)) auf den Drehpunkt (P (1)) fällt (X = 0).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderbarkeit der Länge (r) der Kurbel (20′) mitttels eines abtastbaren Kurvenkörpers (24, 25) erfolgt und der Kurvenkörper (24, 25) gemäß einer vorgegebenen Funktion ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Funktion in einer Datentabelle niedergelegt ist, die ihrerseits durch die numerische Iteration von vorgegebenen Funktionen gebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbel (20′) vom Anlenkungspunkt (P (2)) über den Drehpunkt (P (1)) des Lastarms (l(m)) hinaus verlängert ist und am Ende eine Rolle (22′) oder ein Rillenkugellager (22, 23) aufweist, die auf einer Rollenführung läuft, welche als Kurvenkörper (24, 25) einer definierten Funktion ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbel (20′) vom Anlenkungspunkt (P (2)) über den Drehpunkt (P (1)) bzw. die Drehachse (P′) des Lastarms (l(m)) hinaus verlängert ist und die Durchführung der Kurbel (20′) durch den Drehpunkt (P (1)) bzw. die Drehachse (P′) des Lastarmes (l(m)) als Längsführung mit Kugelbüchse (26, 27) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über den gesamtem Schwenkwinkelbereich Phi(s) der Last (F(m)) auf das Rillenkugellager (22) bzw. die Rolle (22′) stets eine Kraftkomponente in Richtung zum Kurvenkörper (24, 25) wirkt, der als einseitige Abstützung als Teil des Gehäuses ausgebildet ist.

12. Vorrichtung zum automatischen Ausgleich eines vom Winkel zwischen Lastvektor und Lastarm abhängigen Lastmoments für stufenlos sowie räumlich verstell- und positionierbare Lasten eines mechanischen Bewegungssystems durch mittels Federkräfte erzeugte und veränderbare Gegendrehmomente zur Erzielung eines stabilen Gleichgewichts in jeder Lage der Last, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stutzen (4) eines die Drehachse (P′) aufnehmenden Gehäuses (1) gegenüber einem das die Feder (6) zur Erzeugung des Gegendrehmoments mit einer Federstange (7) aufnehmenden Federgehäuse (5) radial verdrehbar und gegen axiale Verschiebung gesichert ist, wobei der Stutzen (4) ein Innengewinde aufweist, in das eine gegen Drehung mit dem Federgehäuse (5) gesicherte und gegen Längsverschiebung feststellbare Mutter (8) mit Außengewinde eingreift und die Mutter das feste Auflager für die Feder (6) bildet, während das bewegliche Federauflager (9) mit der Federstange (7) verbunden ist, auf die die Last einwirkt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Federgehäuse (5) mittels eines Stahldrahts (10) gegen eine axiale Verschiebung gegenüber dem Stutzen (4) gesichert ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Federgehäuse (5) und der Stutzen (4) jeweils eine mit dem Draht (10) zusammenwirkende Rille (29, 30) aufweist, derart, daß zwischen Federgehäuse (5) und Stutzen (4) eine sichere Verbindung gegeben und eine relative Drehbewegung zugelassen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stutzen (4) an seinem oberen Ende ein Innengewinde aufweist, welches mit einem Außengewinde der Mutter (8) zusammenwirkt, wobei im oberen Bereich der Mutter Außenlängsnuten angeordnet sind, in die mindestens ein mit dem Federgehäuse (5) befestigbarer Gewindestift (15) eingreift, so daß bei Drehung des Gehäuses (1) gegen das Federgehäuse (5) bei gelockertem Gewindestift eine Auf- oder Abwärtsbewegung des unteren Auflagers mit seiner Distanzscheibe (16) der Feder (6) zur Austarierung der Last (F(m)) durchführbar ist, und bei angezogenem Gewindestift (15) die relative Drehbewegung zwischen Federgehäuse (5) und Stutzen (4) blockiert ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Rillenführungen (29, 30) im Federgehäuse (5) eine erste Montageöffnung (31) für die Ein- und Ausführung des Drahts (10), im Stutzen (4) eine zweite Montageöffnung (32) für den Eingriff des Werkzeugs zur Herausführung des Drahts (10) durch die erste Montageöffnung (31), und im Stutzen (4) eine Arretierbohrung (33) für die Aufnahme des Hakens (28) am Ende des Drahtes (10), vorhanden sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (10) als Federdraht an seinem Ende einen Haken (28) aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (10) außerhalb des Bereichs seines Hakens (28) über seine übrige Länge unterschiedlich vorgeformt ist, wobei mindestens sein anderes hakenloses Ende eine Vorformung mit einem Krümmungsradius, der etwa gleich dem Krümmungsradius seines aus den Rillen (29, 30) bestehenden Bettes ist, aufweist, deren Länge mindestens dem Durchmesser der ersten Montageöffnung (31) entspricht, wodurch ein unbeabsichtigtes Entweichen des Drahtes aus seinem Bett oder ein Anstoßen seines hakenlosen Endes an die Wandung der ersten Montageöffnung (31) bei Justierbewegungen verhindert wird.