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Antrieb eines hin und her gehenden Maschinenteils durch Vermittlung
eines mechanischen schwingenden Systems In rotierenden Mechanismen, die zur Kraftübertragung
oder zur Arbeitsleistung bestimmt sind, gleicht man die Umlaufsgesch"vindigkeit
in der Regel so ab, daß in bezug auf den Arbeitsvorgang die günstigste Leistung
erzielt wird. Z. B. wird man eine Kreissäge so schnell laufen lassen, daß die Sägearbeit
einen günstigsten Wert erreicht und sich gleichzeitig die Erwärmung in noch zulässigen
Grenzen hält. Bei Mechanismen, die hin und her bewegt werden, ändert sich jedoch
in jeder Periode die Geschwindigkeit- viermal von Null bis zu einem Höchstwerte.
Wählt man die Periodenzahl einer solchen Vorrichtung so, daß die günstigste Geschwindigkeit
zwischen \ u11 und die erreichte Höchstgeschwindigkeit fällt, so muß sie viermal
pro Periode für ein ganz kurzes Zeitintervall durchschritten werden.
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Bei der hin und her gehenden Bewegung einer durch Kurbelschleife angetriebenen
mechanischen V orriclitung, die nach dem Sinusgesetz verläuft (Abb. i), würde beispielsweise
die günstigste Arbeitsgeschwindigkeit, die den Ordinatcny und j-, entsprechen möge,
in den Punkten AB und CD durch die Kurve geschnitten. Fast genau ebenso liegen
die Verhältnisse beim Kurbeltrieb, der bei unendlich langer Pleuelstange ebenfalls
eine Sinus-Schwingung ergibt. Man erkennt hieraus, daß die vielen 'Mechanismen,
die zum Zwecke der -ArbeitsÜbertragung zwangsläufig hin und' her gehende Bewegungen
ausführen, in bezug auf Ausnutzung der günstigsten Geschwindigkeit außerordentlich
unvorteilhaft wirken.
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Aber auch bei elastisch schwingenden Systeinen verläuft die Schwingung
normalerweise nach dem Sinusgesetz, und dieses bildet überhaupt die Grundlage für
die gesamte Schwingungslehre.
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Nach einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden neuen Erkenntnis
lassen sich nun aber elastisch schwingende mechanische Systeme unter der Voraussetzung,
daß sie lose gekoppelt sind, so durchkonstruieren, daß der Geschwindigkeits- und
Spannungsverlauf eine von der Sinuskurve vollkommen abweichende Kun#e ergibt. Beide
Kurven können in ihrem mittleren Teil eine so starke Abflachung erfahren, daß die
Geschwindigkeit während langer Zeit nahezu konstant gehalten wird und dementsprechend
der günstigsten Arbeitsgeschwindigkeit sehr stark angeglichen werden kann. Ein solches
System strebt nach jedem Richtungswechsel rasch der günstigsten Geschwindigkeit
zu und behält diese bis kurz vor dem nächsten, plötzlich eintretenden Richtungswechsel
nahezu bei. Der Vorgang selbst bedingt natürlich außer den nachfolgend gekennzeichneten
neuen mechanischen Mitteln die Verwendung sogenannter loser Koppelvorrichtungen.
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Eine beispielsweise Ausführung der ge-. samten Anordnung findet sich
in Abb. 2.
ist eine 'lasse, die unter Vermittlung zweier Verbindungsstan,-en
a an der Spitze der Federn b im Punkte e anelenkt ist. Die Federn b sind in feste
Punkterz eingespannt. Parallel zu den Federn b sind je zwei Federn b1 und b., ebenfalls
in m befestigt. An der Masse a ist eizi Hebel t# abgelenkt. der durch eine Pleuelstange
lt und Kurbel g hin und her bewegt werden kann und dabei die beiden Koppelfedern
h spannt. Setzt man die Kurbel a in Umlauf, so wird sich diese Bewegung zunächst
nur zum ganz geringen Teil auf die Masse a übertragen, dafür aber die Koppelfedern
k ziemlich energisch durchbiegen. Im weiteren Verlauf gerät jedoch die lIassea immer
stärker in Schwingung und biegt hierbei die Federn b immer mehr durch, so daß sie
die Federn bi und schließlich die Federn b= berühren und mit durchbiegen. Durch
dieses Einschalten der Federn b1 und b., wird aber das elastische Mittel im Moment
außerordentlich verstärkt, und die nach der -Mittellage hin flach verlaufenden Geschwindigkeits-und
Spannungskurven erfahren nunmehr einen relativ plötzlichen Abfall bz«. Anstieg,
wodurch der im Sinne der Ernndung ei wünschte Kurvenverlauf. wie er in Abb. ; dargestellt
ist, erreicht wird.
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Eine solche Charakteristik der elastischen Mittel ergibt einen pseudoharmonisch
verlaufenden Schwingungsvorgang. Es soll angenommen werden, daß sich das schwingende
System in seiner äußersten Grenzlage nach einer Seite hin befindet. Die Geschwindigkeit
ist somit in diesem Punkte -Null. Im nächsten lIoment, beim Verlassen der Grenzlage,
steigt dann die Geschwindigkeit der 'lasse a, wie in Kurve I Abb. 3 @t dargestellt,
relativ rasch an, um im Punkte =1 die günstigste Arbeitsgeschwindigkeit zu erreichen,
von der sich nun die Geschwindigkeitskurve nur ganz wenig entfernt. Erst
im. Punkte B sinkt der Wert der Geschwindigkeit unter die günstigste Arbeitsgeschwindigkeit
y und fällt dann rasch nach -Null hin ab, worauf sich bei geänderter Bewegungsrichtung.
wie der negaüve Teil der kurve zeigt, derselbe Vorgang beim Passieren der Punkte
C und D noch einmal abspielt. Die potentielle Kurve I I (Abb.3), die Aufschluß über
die Federspannung gibt, verläuft in ihrem ersten Viertel als Spiegelbild der Geschwindigkeitskurve
I. Sie steigt, von der Mittellage angefasigen, zunächst an, tun dann nach Einschalten
der Federn b1. und b_, sich rasch ihrem Höchstwerte im Punkt E zu nähern.
Von E aus fällt die potentielle Kurve ebenso rasch und vollkommen symmetrisch nach
der nächsten Mittellage ab, von welcher angefangen sie dann einen negativen Wert
unter Beibehaltung derselben äußeren Form annimmt. Die Abb.4 und 5 zeigen praktische
Anwendungsbeispiele desselben Gedankens, und zwar ist in Abb. 4. die Masse a zwischen
zwei Federn b eingespannt, deren äußere Windungen, wie in Abb.6 gezc@igt, schwächer
dimensioniert sind als die `inneren. Wird eine solche Feder zwischen den Flanschen
f (Abb. 6) zusammengedrückt. so biegen sich natürlich in erster Linie die schwach
dimensionierten'Vindungsteile durch und setzen sich auf den Flanschen auf, so daß
mit zunehmender Spannung ein zunehmender Prozentsatz der Federlänge als elastisches
'Mittel ausgeschaltet und damit der Widerstand gegen Durchbiegung erhöht wird. Auch
in diesem Falle erhält man den @--ewünschten Kurvenverlauf und einen pseudoharmonischen
Schwingungsvorgang.
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Die Federn b, b (Abb. 5) stimmen mit denjenigen der Abb. 2
überein. und die Organe Mt, g, k (Abb. .I und 5) sind' die Antriebs- bzw.
Koppelorgane: Je nach Wahl und Dimensionierung der einzelnen Federn und Zusatzfedeni
b1 und b= kann man, wie leicht einzusehen ist, erreichen; daß die G eschwindigkeitskun-e
flacher oder weniger flach ausfällt. Dasselbe Ziel wird erreicht, wenn man Fe-,
dern nach Abb. ;, 3 und 9 zur An;vendung bringt. Eine Feder nach Abb. 8 oder 9,
die in ihrem der Einspannstelle nahe liegenden Teile stark überdimensioniert ist,
biegt sich zunächst hauptsächlich in ihrem oberen Teile, und zwar so lange, »bis
die Biegungsbeanspruchung des oberen Teiles allmählich in eine Zugbeanspruchung
übergeht,, wodurch der untere Teil stärker belastet wird und bei relativ kleinem
Ausschlag relativ große potentielle Energiequantitätenaufzunehmen vermag. 'Man kann
sich natürlich vorstellen, daß mit noch anderen Federkonstruktionen der gewünschte
Effekt erzielt wird, ohne daß an dem Wesen der Erfindung etwas geändert wird. Bei
allen einseitig eingespannten Federn kann man schon an der elastischen Linie erkennen,
ob die betreffende Feder für den vorliegenden Zweck geeignet ist oder nicht. Federn,
deren elastische Linie nach Kurve I (Abb. i o) verläuft, eignen sich für den gedachten
Zweck nicht, während eine Feder von dreieckiger Form, die sich nach einem Kreisbogen
(Kurve II) durchbiegt, bereits einen günstiger en , ert ergibt. der bei Federn,
die 2 an der Einspannstelle überdimensioniert sind und sich nach Kurve III
durchbiegen, noch wesentlich erhöht werden kann.
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Außer dem angeführten Vorteil einer besseren Anpassung der Schwingungskurve
an die günstigste Arbeitsgeschwindigkeit ermöglicht die beschriebene Einrichtung
noch die Anwendung größerer Schwingungsausschläge (Amplituden) bei relativ hohen
Geschwindigkeiten. Denn es ist ohne weiteres einzusehen,
daß eine
relativ größere 'Masse durch die sich nach Kurve I (Abb. to) durchbiegenden Federn
nur dann. mit höherer Geschwindigkeit hin und her bewegt werden kann, wenn die Federn
im ganzen sehr stark dimensioniert werden. Mit Federn, die in ihrer Mittellage,
wie oben beschrieben, bei relativ großer Durchbiegung nur verliältnism;ißig geringe
Kräfte aufnehmen, nahe ihrer Grenzlage dagegen große potentielle Energiequantitäten
zu akkumulieren vermü -en, lassen sich natürlich bei relativ großem Weg und großer
Masse hohe Periodenzahlen erzielen, d. h. Federn dieser Art vereinigen in sich die
Vorzüge großer Elastizität und großer Energieaufnahme.
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Aber auch unter Anwendung von Gas- und Luftkissen kann man in Verbindung
mit losen Kopplungen den gewünschten Effekt, d. h. schwingende Systeme mit relativ
flach verlaufenden Geschwindigkeits- und Spannungskurven in der 'Mittellage und
steil ansteigenden Kurven in den Grenzlagen, also einen pseudoharmonischen Schwingungsverlauf,
erzielen, und zwar geschieht dies dadurch, daß das Volumen, welches die Gase in
komprimiertem Zustand einnehmen (der sogenannte schädliche Raum), in ein bestimmtes
Verhältnis zum Gesamtvolumen des Zylinders, der das elastische Mittel enthält, gesetzt
wird. Dieses Verhältnis ist außer von der Zusammendrückbarkeit des betreffenden
Gases von der Größe der schwingenden Masse abhängig. Die empirische Ermittlung kann
mit Leichtigkeit bei Verwendung eines Kompressionszylinders erfolgen, dessen Deckel
in axialer Richtung verschiebbar sind.
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Eine interessante Eigenschaft der beschriebenen pseudoharmonisch schisingenden
Systeme besteht darin, daß sie bei kleiner Amplitude eine langsame, bei immer größer
werdender Amplitude eine immer größer werdende Eigenperiode aufweiset'. Wird also
ein System, wie oben beschrieben, mit einer ganz kleinen Amplitude hin und her bewegt,
so können quasi die Zusatzfedern als abgeschaltet angesehen werden, wodurch die
Eigenperiode des Systems entsprechend heruntergesetzt wird. In dieser Form muß das
System also bereits bei einer relativ geringen Eigenperiode sich dem Resonanzfall
nähern. Ehe es jedoch in Resonanz zu kommen vermag, werden durch den daraus folgenden
vergrößerten Ausschlag die Zusatzfedern eingeschaltet und damit die Eigenperiode
hinaufgesetzt, was je nach der Anzahl der verwendeten Zusatzmittel mehrmals eintreten
bzw., wie beschrieben, auch kontinuierlich erfolgen kann, d. h. also, ein derartiges
System befindet sich, von einer relativ niedrigen Tourenzahl angefangen bis hinauf
zu einer relativ hohen, immer unmittelbar vor dem Resonanzfall. Systeme dieser Art
sind somit insofern abstimmbaren schwin-"enden Systemen, die nur unmittelbar vor
der Fcsonaüzla@e ihren günsti#,steii jVirkungsgrad aufweisen, überlegen, als sie
sich über große Bereiche unmittelbar vor der Resonanzlage befinden und dementsprechend
innerhalb dieses ganzen Bereiches einen vorzüglichen Wirkungsgrad aufweisen. In
der Praxis können Systeme der beschriebenen Art innerhalb des genannten Bereiches
mit jeder beliebigen Tourenzahl betrieben werden, bzw. sie sind gegen Tourenschwankungen
unempfindlich und besitzen innerhalb der genannten Unempfindlichkeitsgrenze immer
denselben guten 'Wirkungsgrad.
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Ist die Höchstgeschwindigkeit und damit das «Maximum der Leistungsübertragung
erreicht, so kann eine geringe Leistungsänderung auch nur eine geringe Amplitudenänderung
herbeiführen, da bei den so überdimensionierten elastischen «Mitteln im letzten
Moment nur ganz geringe Durchbiegungen geniigen, um relativ hohe Kräfte zu akkumulieren.
Besondere Vorteile bieten Systeme dieser Art in Kombination mit Vorschaltwerken,
da sich die flache Geschwindigkeitskurve dem Schaltvorgang besonders günstig anp,aßt
und ein lautloses, relativ weiches Einschalten des Fortschaltwerkes namentlich dann
herbeiführt, wenn mehrere Schaltmechanismen gleichzeitig verwendet werden. Bei Verwendung
der beschriebenen schwingenden Systeme in Arbeitsmaschinen, z. B. Sägegattern, 3Iähmaschinen
und anderen Mechanismen, bietet die beschriebene Vorrichtung insofern Vorteile,
als die günstigste Arbeitsgeschwindigkeit während eines relativ langen Zeitintervalls
beibehalten wird.
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Ein weiterer wichtiger Vorzug der beschriebenen Systeme besteht darin,
daß die für große Energieaufnahme überdimensionierten Federn auch bei hohen Schwingungszahlen
nicht ohne weiteres ermüden und zerstört werden können. Natürlich eignen sich Federn
der beschriebenen Art auch ganz vorzüglich für Koppelfedern, da gerade bei diesen
Federn hohe Leistungsübertragung bei großer Durchbiegung möglich ist. Hierbei erweist
sich die t#berdimensionierung der Federn insofern als besonders günstig, als dadurch
angesichts der hohen Periodenzahlen und starken Beanspruchung die Lebensdauer der
Federn wesentlich verlängert wird. _ Die Entfernung der einzelnen Federlamellen
kann größer oder kleiner sein, und die einzelnen Lamellen können an ihrem freien
Ende mit Rollen oder Kugeln zur Verminderung der Dämpfung versehen sein. Sämtliche
elastischen Mittel können durch Verschieben der Befestigungsstellen (Verlängern
oder
Verkürzen), durch Änderung des Gas-, Luft- oder Dampfvolumens, Steuerung von Ventilen.
Änderung des Anpressungsdruckes der Ventile oder durch Änderung des Gasgemisches.
des Luft-, Gas- oder Dampfdrukkes variiert und das zugehörige System kann auf diesem
Wege in seiner Charakteristik geändert «-erden. Dieselben Mittel können zur Variierung
des Kopplungsgrades, d. h. zur Erzielung einer festeren oder loseren Kopplung, zur
Anwendung gelangen. Ebenso ist es möglich, eine Abstimmung der schwingenden Systeme
oder der Kopplung durch Vergrößerung oder Verkleinerung der verwendeten Hebel und
-lassen herbeizuführen.