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Anordnung mechanisch schwingender Systeme. Es ist bekannt, daß jede
Kreisbewegung in zwei senkrecht aufeinanderstehende, schwingende Bewegungen, die
nach den Sinusgesetzen verlaufen, zerlegt werden kann; in gleicher Weise kann man
natürlich auch B@ewegungen, die von der Kreisform abweichen, in schwingende Bewegungen
zerlegen. Diese Erkenntnis hat jedoch insofern bloß theoretische Bedeutung, als
im praktischen Maschinenbau nur in einzelnen Fällen - z. B. bei Rotations- und anderen
Benzinmotoren usw. -zwangläufig hin und her gehende und im rechten Winkel aufeinanderwirkende
Bewegungen zu einer Rotationsbewegung zusammengesetzt worden sind. Wenn in diesen
Fällen unbewußt oder zu ganz anderem Zweck gelegentlich ein Zusammenfallen zweier
rechtwinklig aufeinanderstehender zwangläufiger Bewegungen beobachtet werden konnte,
so sind jedoch seither wohl in keinem Fall rechtwinklig aufeinanderstehende, freie
Schwingungen mit veränderlicher Amplitude zur Leistungsübertragung o. dgl. im Maschinen-
und Apparatebau bzw. zur Erzielung rotierender Bewegungen zusammengesetzt worden.
Dagegen sind in letzter Zeit eine ganze Reihe von Konstruktionen angegeben worden,
bei denen abgestimmte, schwingende Systeme zum Zwecke der Leistungsübertragung bzw.
zum Zwecke der Steuerung umlaufender Triebwerke (Uhren usw.) verwendet werden. Der
vorliegenden Erfindung liegt nun die durch Versuche und Untersuchungen gewonnene
neue Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Reihe von maschinellen Arbeiten durch die
Verwendung zweier senkrecht aufeinanderwirkender, mechanisch schwingender Systeme
wesentliche Vorteile erzielt werden. So z. B. wird bei der Verwendung dieser Systeme
als Steuerorgane für umlaufende Mechanismen nicht nur die Umlaufszahl pro Sekunde,
sondern auch die Winkelgeschwindigkeit während einer Umdrehung
konstant
gehalten. Ferner ist es möglich, unter Zuhilfenahme derselben Mittel Antriebsmechanismen
zu schaffen, deren getriebene Welle, bei konstanter oder nahezu konstanter Tourenzahl
der antreibenden Welle, sich automatisch in ihrer Umlaufszahl dem Widerstand anpaßt;
d. h. wird durch die treibende Welle beispielsweise bei 2ooo Touren und einem Umfangsmoment
von etwa 3,5s m/kg eine Leistung von
übertragen und greift an der getriebenen, Welle ein Umfangsmoment von etwa 2q. m/kg
an, so wird sich, wenn man von Reibungsverlusten absehen will, die getriebene Welle
automatisch auf die Tourenzahl
einstellen. In Abb. i bedeuten a1 a2 die Massen, b1 b., die elastischen Mittel zweier
mechanischer, schwingungsfähiger Systeme, k1, k2 die elastischen Kopplungen dieser
Systeme. Beide Systeme sind durch die Kurbelstange hl h. mit einer gemeinsamen Kurbel
g verbunden. Denkt man sich diese Kurbel im Sinne des eingezeichneten Pfeiles oder
auch in umgekehrter Richtung in Umdrehungen versetzt, so verhindern die beiden schwingungsfähigen
Systeme, daß die Kurbel eine andere Umlaufszahl annimmt als der Eigenschwingung
der schwingenden Systeme entspricht, und zwar so lange, als durch die überschießende,
durch Steuerung zu vernichtende Energie eine Überbeanspruchung der beiden schwingenden
Systeme nicht hervorgerufen wird bzw. diese nach Art synchron laufender Systeme
nicht mit der Kurbel außer Tritt gebracht werden.
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Durch Versuche und Untersuchungen wurde des wei.tcren festgestellt,
daß einzelne Elemente der beiden rechtwinklig aufeinanderwirkenden, schwingenden
Systeme vereinigt werden können, so z. B. kann, wie in Abb. 2 gezeigt, die Masse
a1 und a, zur Masse a
zusammengefaßt und die elastischen Mittel b, und b2
symmetrisch und rechtwinklig aufeinanderstehend um die zentral gelegene Masse a
gruppiert werden. Ein schwingendes System dieser Art besteht dann aus der schon
erwähnten Masse a und den elastischen Mitteln b1 b1 und b2 b2. Denkt man sich in
der Mittelachse der genannten Anordnung, und zwar in einem Hohlraum der Masse a,
eine Kurbel g angeordnet und diese durch eine Kurbelstange h mit einem im Mittelpun#u
der Masse angebrachten Zapfen gelenkig verbunden, so kann beim Umlauf der Kurbel
g die Masse a zunächst, z. B. in Richtung des eingezeichneten Pfeils, ausweichen.
Der veränderliche Ausschlag x der Masse a, der mit der Kurbel umläuft,
kann in jedem Augenblick als die resultierende Amplitude der beiden rechtwinklig
aufeinanderstehenden, schwingenden Systeme b1 a b1 und b, a b; aufgefaßt
werden und wirkt auf die umlaufende Kurb°1 g in demselben Sinne steuernd, wie dies
bei Abb. i beschrieben worden ist. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß an dem beschriebeneu
Vorgang nichts geändert wird, wenn die Federn bi und bi durch eine weitere Gruppe
von Federn b3 und bi oder durch noch weitere Federn vermehrt werden.
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j Das in Abb.2 dargestellte, Kreisschwingungen ausführende System
leistet aber nicht nur Steuerarbeit, sondern es wirkt auch wie ein Schwungrad Energie
akkumulierend, wobei zwischen dem Ausschlag x und der akkumulierten Energie ein
Abhängigkeitsverhältnis besteht.
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Wie in Abb.3 dargestellt, kann ein derartiges, Energie akkumulierendes
Organ als Viereck oder als Vieleck symmetrisch um die Mittelachse herum ausgebildet
sein.
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Bei Beschreibung der in Abb. 2 dargestellten Anordnung wurde vorläufig
angenommen, daß die Befestigungspunkte der elastischen Mittel m2 m2 n2 nl
usw. sich dem bewegten (rotierenden) System gegenüber in Ruhe befinden. Denkt man
sich nach Abb. ¢ die Befestigungspunkte in und zz auf einem gemeinsamen Rotationskörpcr
L angeordnet und diesen etwa unter Beseitigung der Kurbel g und der Kurbelstange
h in Umlauf gesetzt, so wird auch in diesem Fall durch das aus Masse a und den Federn
b1 b1 und b2 1#, bestehende schwingende System eine Kreisschwingung erzeugt, die
bei langsamer Tourenzahl der umlaufenden Scheibe voraus- und bei gewaltsam herbeigeführter,
rascherer Touren-und Schwingungszahl dieser nacheilt. Bei Übereinstimmung der Touren-
und Schwingungszahl verhält sich die Masse a wie ein nach der Peripherie gedrängtes,
elastisch gehaltenes, exzentrisches Gewicht. Systeme dieser Art wurden auf ihre
Steuerfähigkeit hin untersucht, und es stellte sich heraus, daß'im Resonanzfalle,
d. h. bei Übereinstimmung der Periodenzahl des schwingenden Systems a b und
der Tourenzahl des umlaufenden Systems m n, ein Schwingungsvorgang zwischen
den beiden genannten Systemen nicht mehr zu beobachten ist. Die Schwingung und damit
die Steuerwirkung setzt sofort wieder ein, wenn durch eine äußere Störung die Tourenzahl
des umlaufenden Systems geändert werden soll. Würde man im Mittelpunkt der Masse
a einen Drehzapfen anbringen,
so würde dieser Zapfen nach Art eines
Kurbelzapfens, jedoch je nach der dem schwingenden System innewohnenden Energie,
mit veränderlichem Kurbelradius umlaufen.
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Diese Eigenschaften der beschriebenen Vorrichtung können insbesondere
dort zur Leistungsübertragung mit Vorteil verwendet werden, wo ein veränderliches
Drehmoment oder wo bei veränderlichem Drehmoment ein konstanter Steucreffekt erstrebt
wird. Man könnte das schwingende, aus Masse a und den verschiedenen Federn b bestehende
System seinem Verhalten nach als ein Analogon zum elektrischen Drehfeld auffassen
und es als mechanisches Drehfeld bezeichnen. Geht man nun von diesem Gesichtspunkt
aus und berücksichtigt, daß dieses Drehfeld gleichsam an einer unsichtbaren, ideellen
Kurbel Steuerarbeit und somit auch andere Arbeit zu übertragen imstande ist, so
ist ohne weiteres einzusehen, daß bei umlaufendem Kurbeltrieb g h und dadurch hervorgerufenen
Kreisschwingungen des genannten Systems ein Drehmoment erzeugt wird, welches an
den Befestigungspunkten m n wirksam ist. Setzt man durch Umdrehung der Kurbel
(rh das schwingende System in Bewegung, so kann man zwei Grenzfälle beobachten,
z. B. wenn man in einem Fall die Befestigungspunkte m und n
in Ruhe
hält und im anderen Fall sie mitrotieren läßt. Im ersterwähn;en Fall entsteht eine
regelrechte Kreisschwingung zwischen den Haltepunkten m it und dem schwingungsfähigen
System a b; im zweiten Fall tritt zwischen den umlaufenden Befestigungspunkten
m n und dem schwingungsfähigen System der schon beschriebene Ruhezustand
ein, bei dem das schwingende System nach Art einer elastisch aufgehängten, exzentrischen
Masse nach der Peripherie gedrängt wird. Das schwingende System a b führt
also in beiden Fällen relativ zu seiner ruhenden Umgebung eine Kreisschwingung aus,
die durch die umlaufende Kurbel bzw. Welle unterhalten wird. Gehören die Befestigungspunkte
zur ruhenden Umgebung, so erfolgt die Kreisschwingung auch relativ zu den Befestigungspunkten
m n, laufen dieselben jedoch mit um, so entsteht je nach ihrer Umlaufszahl eine
Relativbewegung zwischen den beiden Systemen, die bei Synchronismus zwischen Umlaufszahl
und Schwingungszahl Null wird.
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Versetzt man ein System ;13r beschriebenen Art in Umlauf, so daß dis
Tourenzahl der Kurbel, Schwingungszahl des schwingenden Systems und Umlaufszahl
der Haltepunkte zunächst übereinstimmen, so kann man durch Abbremsen des Rotationskörpers,
an dem die Befestigungspunkte angebracht sind, die den genannten Systemen zugeführte
Leistung abzüglich der inneren Verluste entnehmen. Umgeehrt kann man der Kurbel
Leistung entnehmen, wenn man von dem mit den Befestigungspunkten umlaufenden Rotationskörper
aus Energie zuführt.
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Eine besonders interessante Eigenschaft der beschriebenen Vorrichtung
besteht darin, daß sie, wie bereits oben angedeutet, automatisch ihre t bersetzung
dem Bremswiderstand an dem bezeichneten Rotationskörper anpaßt; d. h. je mehr man
den Bremswiderstand an dem bezeichneten Rotationskörper vergrößert, desto mehr geht
die Umlaufszahl der Befestigungspunkte m n zurück, bis schließlich bei unendlichem
Widerstand die Befestigungspunkte wieder den Ruhestand der Umgebung des rotierenden
Systems annehmen. Die beschriebene Vorrichtung verhält sich daher in allen Einzelheiten
wie ein durch ein Drehfeld erregter Elektromotor. Je mehr dem äußeren Ring Energie
entzogen wird, desto mehr fällt er selbst in seiner Tourenzahl ab, ohne daß die
Drehfeldwirkung an sich unterbrochen werden könnte.
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Die praktische Anwendung des letztbeschriebenen Ausführungsbeispieles
liegt natürlich auf der Hand, denn überall bei Transportmitteln (z. B. bei Automobilen
usw.), wo gelegentlich durch Steigungen der Widerstand geändert wird, ändert sich
automatisch und ohne Zutun des Führers die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges derart,
daß die abgegebene Leistung konstant bleibt, ihre Kraftkomponente sich dagegen der
Widerstandskomponente anpaßt und automatisch eine Änderung der Wegkomponente herbeiführt.
Es geht also hieraus hervor, daß die Leistung des Antriebsmotors konstant oder nahezu
konstant gehalten und diese voll ausgenutzt werden kann.
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Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet der beschriebenen Anordnung
bilden alle jene Apparaturen oder Maschinen und Vorrichtungen, deren Touren- oder
Schwingungszahl konstant gehalten, d. h. gesteuert werden soll.
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Die Vorrichtung (Abb. 4.) kann als umlaufendes Steuerorgan für Uhren,
Grammophonwerke und andere Einrichtungen verwendet werden.
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Es ist ohne weiteres möglich, auch andere Kombinationen von Steuerorganen,
die dem= selben Zwecke dienen, aus Masse und elastischen Mitteln zusammenzusetzen.
In Abb.5, 6 und 7 ist eine Reihe derartiger Ausführungsbeispiele angegeben, die
sich wie folgt unterscheiden: In Abb. 5 sind die beiden senkrecht aufeinanderstehenden,
aus den Massen a1 und a. und den elastischen Mitteln b1 und b, bestehenden, schwingenden
Systeme an der zwei Kurbeln verbindenden Kuppelstange befestigt. In diesem Fall
können, da die Systeme als
Ganzes zu Schwingungen erregt werden,
die elastischen Kopplungen fortfallen.
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In Abb. 6 sind zwei Paare von rechtwinklig aufeinanderstehenden, schwingenden
Systemen an einer Kurbel vereinigt. Die zweite Kurbel und die Kuppelstange sind
in diesem Fall nur dazu notwendig, um die kombinierten, schwingenden Systeme parallel
zu führen und am Umlaufen zu verhindern.
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In Abb. 7 ist die Masse a des einen schwingenden Systems gleichzeitig
auch als die Masse des anderen rechtwinklig zum ersten stehenden, schwingenden Systems
benutzt. Die Federn des ersten Systems sind fest; die Masse des zweiten Systems
wird von der Kurbel betätigt.
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Die beschriebene Einrichtung für einzelne Systeme üben natürlich auf
ihre Rotationsachse nach Art einer umlaufenden, exzentrischen Masse einen einseitigen
Druck aus; um dies zu verhindern, kann man sich zweieir solcher Systeme bedienen,
die um i8o° gegeneinander versetzt sind. Hierbei kann man sich je nach Bedarf mit
einem Massenausgleich in verschiedenen, übereinanderliegenden Ebenen begnügen, wobei
ein Drehmoment zurückbleibt. Man kann aber auch die schwingenden, um i8o° versetzten
Massen durch Ineinanderschachteln nach Abb.8 so ausführen, daß sie eine gemeinsame
Schwerebene besitzen. Um in diesem Fall oder auch aus anderen Gründen die Ausschwingung
der Massen in einer ganz bestimmten Richtung zu beeinflussen bzw. vorzubestimmen,
kann man künstlich einen Massendefekt einführen oder bei Verwendung von Kurbeln
und Pleuelstange durch Kürzung der Pleuelstange den gewünschten Effekt herbeiführen.
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In Abb.9 ist ein Kreisschwingungen ausführendes System zur Anwendung
gebracht, bei dem sowohl die Masse als auch die elastischen Mittel der einzelnen
kombinierten Systeme unabhängig voneinander ausgebildet sind, sich aber in einem
gemeinsamen Punkte zum Zwecke der Erregung durch eine Kurbel vereinigen. Je nachdem
die. Massen nach innen oder außen verschoben oder untereinander vereinigt werden,
entsteht das eine oder das andere der beschriebenen Systeme.
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Das einfachste schwingungsfähige System, welches Kreisschwingungen
ausführen kann, ist in Abb. io dargestellt. Es besteht aus einer. Masse a, die an
einem elastischen Mittel b (Stahldraht) in der Verlängerung einer vertikalen Welle
angebracht ist und beim Rotieren dieser Welle in der eingezeichneten Pfeilrichtung
oder entgegengesetzt der Pfeilrichtung seitlich ausschwingend die Rotation der Welle
mitmacht, in bezug auf die mit konstanter Winkelgesch,#vnndigkeit rotierende Welle
aber in Ruhe bleibt. Wird die Drehzahl der Welle dagegen verzögert oder gar angehalten,
so bleibt das System ab, indem es Kreisschwingungen ausführt, in Bewegung und leistet
Steuerarbeit.