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Vorrichtung zur Übertragung von Leistung in mechanisch schwingender
Form Es ist bekannt, daß mechanische, schwingungsfähige Systeme (das Pendel einer
Uhr, die Zungen eines Frequenzmessers usw.), wenn man von elektrischen Antriebsmöglichkeiten
absehen will, durch kleine rhythmisch erfolgende mechanische Stöße bzw. Impulse
in Schwingung versetzt bzw. erhalten werden können. Größere Leistungen lassen sich
auf mechanischem Wege durch Stoß oder Erschütterung schon wegen der Materialbeanspruchung
und des Geräusches nicht übertragen.
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Weiterhin ist ganz allgemein bekannt, durch nachgiebige elastische
Mittel, z. B. Federn, Gas- oder Luftpolster usw., durch träge Massen, z. B. Schwungräder,
hin und her gehende Massen, Unbalance, Massenpendel usw., durch Reibungs-, Flüssigkeits-
oder andere Widerstände Energie von einem bewegten mechanischen Organ zu einem anderen
zu übertragen.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, zwischen
ein treibendes und ein gleichgestimmtes, getriebenes, mechanisch schwingendes Organ
ein nachgiebiges Mittel zu schalten, welches als sogenannte »lose Kopplung« zwischen
beiden '-\Iechanismen pro Halbschwingung ein Energiequantuin zu übertragen vermag,
das nach Größe, Form und Phase den pro Halbschwingung in dem betreffenden schwingungsfähigen
Gebilde auftretenden Verlust ersetzt. " im nachfolgenden bedeutet: A,v. die durch
Kopplung zttgefiilirte Energie, An die durch Nutzdämpfung entzogene Energie,
A:,, die durch Verlustdämpfung entzogene Energie, Am die itn schwingungsfähigen
Gebilde im Bewegungszustand aufgespeicherte Energie, e das logarithmische Dekrement
der Dämpfung, h die maximale Geschwindigkeit der schwingenden Masse, w den Äquivalentwiderstand
des schwingenden Systems, T die Schwingungsdauer, in die schwingende Masse.
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Die Abb. i und 2 sind Ausführungsbeispiele für mechanisch schwingende
Systeme. Die Achse a verkörpert in beiden Fällen die Masse, die Feder b die Elastizität,
die jedes mechanische schwingungsfähige Gebilde aufweist. Durch die festen Punkte
d, d wird in beiden Fällen die an der Achse a befestigte Feder b so gehalten,
daß sie bei einer Verschiebung der Masse a in ihrer Längsachse im einen oder anderen
Sinne gespannt wird.
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Zunächst soll nun das System Abb. i in Schwingungen versetzt werden.
Es entspricht einer neuen der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis, daß ein derartiges
System, das erst mit ganz kleiner Schwingungsamplitude zu schwingen beginnt, sich
dann so lange hinaufschaukelt, bis die zugeführte Energie A" der durch Nutz- und
Verlustdämpfung abgegebenen Energie An + A,, entspricht und damit ein Höchstwert
des Ausschlages erreicht
wird. Ein starrer Kurbeltrieb würde diesen
während des Bewegungsvorganges ansteigenden Ausschlägen natürlich nicht folgen können.
Es muß vielmehr ein neues anpassungsfähiges Element eingeführt werden, und dieses
soll in Anlehnung an das elektrische Schwingungsgebiet >Kopplungsvorrichtung. genannt
werden, und zwar, da in der Mechanik vielfach starre bzw. feste Kopplungsvorrichtungen
verbreitet sind, >lose bzw. elastische Kopplungsvorrichtung<<. In Abb. i bildet
die zwischen dem Kurbeltrieb ä, lt und dem schwingenden System a, b geradegeführte
Stange i in Verbindung mit der Feder h beispielsweise eine solche lose Kopplung.
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Die lose Kopplungsvorrichtung ist somit eine zum Zwecke der Energieübertragung
dienende Verbindungsvorrichtung schwingender Systeme, die auf Grund ihrer Eigenschaft
den Bewegungsvorgängen schwingender Systeme mit veränderlicher Amplitude zu folgen
vermag.
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Bisweilen wird nicht von der Kopplungsvorrichtung als dem Mittel,
eine Verbindung herzustellen, sondern kurz von »der Kopplung<.: als der Verbindung
an. sich gesprochen, was auch im nachfolgenden beibehalten werden soll.
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Wird die Kurbel g in Bewegung gesetzt, so wird in dem gewählten Beispiel
Abb. i die Feder k abwechselnd zusammengepreßt und gedehnt. Es entsteht also quasi
ein mechanisches Wechselfeld. Die hierdurch hervorgerufenen Druck- und Zugkräfte
übertragen sich über die Achse a auf die Feder b, so daß beide
(a und b) mit einer entsprechenden Phasenverschiebung zunächst kleine,
dann immer größer werdende Schwingungen ausführen und schließlich beim Eintritt
der Resonanzlage ihren maximalen Ausschlag (größte Amplitude) erreichen. Die Amplitude
des Systems a, b ist also, und dies kennzeichnet die Koppelvorrichtung, zu
Beginn des Vorganges kleiner als die des Systems i, h, in einem späteren
Stadium kann sie gleich und schließlich sogar größer sein. Sie kann aber auch dauernd
unter der letztgenannten bleiben. Ferner eilt das System a, b einer erregenden Kopplung
in der Phase nach, einer Leistung entziehenden dagegen vor. Die Kopplungsvorrichtung
i, h (Abb. i) ist also ein Mechanismus, der auf Grund seiner Eigenschaften
trotz veränderlicher Ausschläge ununterbrochen Leistung vom System g, h auf das
System a, b überträgt.
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Konstante Verhältnisse treten dann ein, wenn die durch das System
i, k zugeführte
| Energie e-leic r1P,- -,-@_@,__- |
durch irgendwelche Verhältnisse, wird also 2-&. das Dämpfungsdekrernent, kleiner,
so vergrößert sich seine Amplitude so lange, bis wiederum die entzogene Energie
Am -:2e gleich der zugeführten Au, ist. Im umgekehrten Falle tritt ein Abfall
der Amplitude des Systems
a, b ein. Da nun sowohl die Größe der Amplitude
als auch die Dämpfung mit Rücksicht auf die zulässige Beanspruchung des schwingungsfähigen
Gebildes bzw. die abzugebende Leistung festgelegt ist, so ist auch damit die Abmessung
der losen Kopplung bestimmt, und zwar mit A", -
AM # 2 b@ wobei -1
A,v
- 1.v2
. ,j und
A":= 112m
- v2 ist. Wird
diese Größe überschritten, so treten für das betreffende System Gefahrenmomente
ein, die Kopplung ist also zu fest. Die Grenze zwischen der losen und der festen
Kopplung ist somit bei vielen Anwendungsgebieten durch eine Gefahrenzone gekennzeichnet,
und zwar kann es sich hierbei sowohl um Material- als auch um Betriebsgefahren handeln.
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Die Gesamtarbeit, welche eine Kopplung i, k (Abb. i) auf ein
schwingendes System pro Halbschwingung zu übertragen vermag, ist
und somit pro Schwingung A,v-P.f' wenn f die Durchbieb ng und P die hierzu erforderliche-
Kraft bedeutet und sinusförmiger Verlauf angenommen wird.
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An einem mechanischen Schwingungsvorgang sind somit ganz allgemein
drei voneinander unterscheidhareV orrichtungen beteiligt, und zwar: i. das erregende
System (der Oszillator) g, h (im vorliegenden Falle als Kurbeltrieb ausgebildet),
2. das sammelnde (akkumulierende) oder erregte System (der Resonator) ca,
b. Und schließlich 3. die lose Kopplung.
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Das Glied i kann ein zwangläufig- schwingendes System mit konstanter
Amplitude oder ein elastisch schwingendes System mit veränderlicher Amplitude sein.
Es stellt den
Das zweite Glied ist das eigentliche schwingungsfähige Gebilde.
Es besteht in allen Fällen aus Masse und elastischen Mitteln und besitzt eine ausgesprochene
Eigenschwingung, womit es dein ganzen Vorgang sein Charakteristikum aufprägt.
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Die Verbindung zwischen dem erregenden und dem erregten System wird
durch das dritte Glied, die lose Kopplung, hergestellt. Die lose Kopplung, die aus
konstruktiven Gründen finit Geradeführungsvorrichtungen und anderen Masse verkörpernden
Elementen versehen sein kann, besteht ihrem Wesen nach aus einem verbfindende Energie
übertragenden Mittel. Sie hat demnach vorteilhafterweise auch keine Eigenschwingung,
sondern schwingt aperiodisch. Selbstverständlich wird aber am Wesen der Erfindung
nichts geändert, wenn die Kopplung ebenfalls als schwingungsfähiges, aus Masse und
elastischen Mitteln bestehendes System ausgebildet und eventuell mit anderen Systemen
abgestimmt wird.
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Verbindet man das System Abb. i und das System Abb. a durch ein starres
Zwischenstück miteinander, so wirken beide Systeme wie ein einziges. Die resultierende
Schwingungsdauer dieses Systems berechnet sich aus:
wenn ci die Direktionskraft und in, die Masse des Systems Abb. i, c. bzw. fit= die
entsprechenden Größen für Abb. a darstellen. Verbindet man dagegen die beiden Systeme
durch eine lose Kopplung, so behält jedes seine Eigenschwingung bei, und beide verhalten
sich wie zwei sogenannte gekoppelte Systeme in der Elektrotechnik.
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Stellt man sich vor, daß zwei gekoppelte mechanische Systeme zwar
gleiche Periodenzahl, aber verschiedene Amplituden aufweisen, so entsteht eine Transformierung,
beispielsweise von großer Kraftwirkung bei kleinem Weg, auf kleine Kraftwirkung
bei großem Weg oder umgekehrt.
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Die elastische Kopplung ermöglicht somit, schwingenden elastischen
- Systemen Energie zuzuführen oder zu entziehen und diese damit in weitem Umfange
zur Energieübertragung und Umformung heranzuziehen.
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In Abb. 3 ist ein Ausführungsbeispiel zur Darstellung gebracht, bei
dem als elastische Mittel beim Koppeln Luft verwendet ist.-- Das erregende System
g, h ist ein Kurbeltrieb. Die Kopplung besteht aus dem Kolben z und den beiden mit
Luft gefüllten Zylindern k und k, Beim Umlaufen der Kurbel g wird in diesen Räumen
abwechselnd über- und Unterdruck erzeugt und auf diese Weise dem schwingungsfähigen
System d, b Energie zugeführt. Man kann sich natürlich auch vorstellen, daß
im System i, k, k, Federkraft und im Svstem a, b L uftkompression angewendet
wird.
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Abb. 4 zeigt ein. Ausführungsbeispiel, bei welchem beide Systeme mit
komprimierter Luft arbeiten. Die Koppelvorrichtung ist auch in diesem Falle mit
i, k, ki und das Saininelsvstein mit a, '), b, bezeichnet. Die beiden Kolben sind
hier ineinandergeschachtelt. Sie können natürlich auch hintereinander angeordnet
werden. Dasselbe gilt von federnden und kombinierten Sv_ steinen.
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Es ist selbstverständlich, daß auch alle diejenigen Mechanismen, die
seither mit Stoß-- erregung in Bewegung gehalten wurden (Uhren), mit loser elastischer
Kopplung betrieben werden können und daß in allen Fällen die zugeführte Energie
durch geeignete Einstellung der Kopplung variiert und dosiert werden kann. Es entstehen
auf diese Weise z. B. Uhren, die vollkommen lautlos gehen.
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Man kann sich auch vorstellen, daß das koppelnde elastische kledium
gar nicht in Zylindern eingeschlossen wird, sondern daß beispielsweise eine schwingende
Fläche in der umgebenden atmosphärischen Luft Schwingungen erzeugt, die sich auf
eine benachbarte Fläche übertragen und auf diese Weise Energie übertragen.
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Die Energieübertragung durch lose Kopplung im Sinne der Erfindung
beruht somit darauf, daß in dein die schwingenden Svsteme verbindenden Zwischengliede
Spannungen hervorgerufen und von diesem weitergegeben werden. Dieser Vorgang kann
sich sowohl bei der Hin- und Rückbewegung als auch nur bei einer von -beiden abspielen.
Im letzteren Falle kann man von einer Art Ventilwirkung sprechen.