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Vorrichtung zur. Herabsetzung der Steifigkeit eines elastischen Bewegungsorgans
oder Bewegungssystems Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herabsetzung
der Steifigkeit eines elastischen Bewegungsorgans .oder Bewegungssystems.
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Die Steifigkeit eines elastischen Bewegungssystems hängt von den aufzunehmenden
oder zu übertragenden Kräften bzw. Momenten ab, da nach ihnen die Festigkeit zu
bemessen ist. Sind die Kräfte groß, so werden die elastischen Teile des Systems
steif. Die Folge hiervon ist, daß kleine Änderungen in den Kräften bzw. Momenten
nur sehr kleine Bewegungen in dem System herbeiführen, mit anderen Worten, die Empfindlichkeit
des Bewegungssystems ist gering.
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Die Erfindung bezweckt nun, diesen Nachteil zu beheben, und besteht
darin, daß das System ein, biegsames, elastisches Organ besitzt, das in seiner Längsrichtung
während eines wesentlichen Teiles seiner Bewegung annähernd mit der dem System entsprechenden
kritischen Knicklast belastet ist.
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Infolge dieser Belastung ist es möglich, in einem anfänglich steifen,
System durch kleine innere oder äußere Kräfte bzw. Momentänderungen verhältnismäßig
große Bewegungen auszulösen, d. h. die Empfindlichkeit des Systems ganz bedeutend
zu steigern. Weiter ist es durch die eigentümlichen Eigenschaften der kritischen
Knicklast möglich; durch kleine Variationen in der angebrachten Knicklast oder durch
Wahl der benutzten Bewegungsstrecken die Bewegung je nach Wunsch allmählich oder
plötzlich verlaufen zu lassen.
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Im ersten Fall wird also mit dem Wachsen der Bewegungsursache (Kraft,
Moment oder innere Spannungen) die Bewegung allmählich verlaufen. Im zweiten Fall
wird, nachdem die Bewegungsursache eine bestimmte sehr kleine Größe erreicht hat,
die Bewegung ausgelöst und zu Ende geführt, ohne daß die Bewegungsursache weiterzuwachsen
braucht.
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Beide Formen der Bewegung kommen zur Verwendung, wie in den nachfolgenden
Beispielen erläutert ist.
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Die Anfangseinstellung des Systems kann zweckmäßig erhalten werden
durch Spannungsvariation eines oder mehrerer der Glieder des Systems (Regulierfeder)
oder durch Anfangsdurchbiegung des elastischen Organs, das die Knicklast aufnimmt.
Die Bewegungsursache kann sowohl äußeren als inneren Ursprungs sein.
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In Fig. i der beiliegenden Zeichnungen ist ein Beispiel der ersten
Gattung erläutert. Es betrifft einen Druckregler. Das System besteht
hier
aus einer Membran 8, einer Feder 13, einem Stab 7, Hebel 6, Stabfeder =, Hebel 4,
Feder 5 und einem festen Gehäuse 2. Die Stabfeder = trägt eine Ventilstange 9. Auf
der Ventilstange 9 ist ein Ventil io befestigt, das auf einem Sitz ii abdichten
kann.
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Die Feder 5 ist nun so einreguliert, daß die Stabfeder i mit einer
Kraft belastet ist, welche annähernd der kritischen Knicklast des Systems 8, 13,
7, 6, i, 4, 5, 2 entspricht.
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Daß tatsächlich hierdurch die Steifigkeit der Membran 8, welche wegen
der erforderlichen Größe sehr fest ist, sehr herabgesetzt wird, geht aus folgendem
hervor: Innerhalb ziemlich weiter Grenzen sind die Durchbiegungen der Stabfeder
i und Membran 8 einander proportional. Man kann also die für die Durchbiegungen
der Stabfeder i und Membran 8 notwendigen Momente, bezogen auf die Mitte der Stabfeder
i, auffassen als eine Konstante, multipliziert mit der Durchbiegung der Stabfeder
i.
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Stellt man nun die Feder 5 so ein, daß die an den Enden der Stabfeder
i ausgeübte Last gleich dieser Konstanten ist, so wird bei jeder Durchbiegung der
Stabfeder i bzw. Membran 8 das durch diese Knicklast ausgeübte Moment gleich dem
Produkt dieser Konstanten und der Durchbiegung von Stabfeder i sein, also genau
für die Durchbiegung der Stabfeder i und Membran 8 genügen. Weil dies für alle Durchbiegungen
von der Membran 8 mit großer Annäherung der Fall ist, sind nur sehr kleine Zusatzkräfte
notwendig, um der Membran große Durchbiegungen zu geben,. mit anderen Worten, die
Steifigkeit der Membran ist sehr herabgesetzt.
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Die Wirkung der Einrichtung ist nun folgende: Durch eine Öffnung 12
tritt z. B. Flüssigkeit ein, welche durch eine andere Öffnung 12' austritt und in
eine Leitung fließt, welche an den Raum unter der Membran 8 angeschlossen ist. Ist
ein bestimmter Druck erreicht, so biegt die Membran nach oben durch und betätigt
das Ventil io, wodurch die Öffnung 12 verschlossen wird. Sinkt der Druck um ein
sehr geringes Maß, so biegt die Membran nach unten durch, und das Ventil io öffnet
wieder USW.
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Mittels der Feder 13 wird die Anfangseinstellung eingestellt.
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Als Beispiele der zweiten Gattung, bei der die Bewegungsursache durch
innere Spannungen hervorgerufen wird, seien einige Ausführungen beschrieben, bei
denen das biegsame, elastische Organ aus Bimetall besteht.
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Die inneren Spannungen,werden hierbei durch Temperaturänderungen erreicht.
Die Möglichkeiten sind hiermit aber in keiner Weise erschöpft. So kann z. B. ein
elastischer, biete samer Hohlstab mit unrundem, elastischem Querschnitt zur Verwendung
kommen. Dieser hat die Eigenschaft, sich unter dem Einfluß von Druckänderungen zu
krümmen.
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Die Fig. 2 bis 4 beziehen sich auf ein Beispiel der zweiten Gattung,
wobei also die Bewegungsursache einen inneren Ursprung hat. Sie stellen einen empfindlichen
elektrischen Temperaturregler dar. Das System besteht bei dieser Ausführung aus
einer Bimetallfeder i5, Jochen 28, 29, Zugfedern 27, Winkel 15' und Feder 3i. Die
Bimetallfeder 15 ist auf einem isolierenden Fuß 22 befestigt, und die Spannung der
Zugfeder (Regulierfeder) 31 ist mittels einer Trommel und eines Knopfes
30 zu regulieren.
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Die Bimetallfeder 15 trägt einen Kontakt 23, während ein Gegenkontakt
25 in dem Gehäuse 25' befestigt ist. Ein Anschlag 26 begrenzt den Hub der Bimetallfeder
nach der anderen Seite hin.
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Die Federn 27 sind so gespannt, daß sie auf dem System eine etwas
über der Knicklast liegende Kraft ausüben.
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Die Wirkung der beschriebenen Ausführung ist folgende: Der Apparat
ist in einem Raum angebracht, dessen Temperatur geregelt werden soll und welcher
z: B. durch einen über die Kontakte 23, 25 fließenden Strom geheizt wird. Erreicht
die Temperatur die eingestellte Grenze, so erreichen die inneren Spannungen in der
Bimetallfeder den kritischen Wert. Die Feder schlägt nach rechts aus und unterbricht
den Strom. Der Hub bei dieser Unterbrechung ist infolge der kritischen Knickbelastung
des Systems verhältnismäßig groß. Sobald die Temperatur etwas gesunken ist (z. B.
o,oi ° C), erreichen die inneren Spannungen in der Bimetallfeder 15 den kritischen
Wert für die umgekehrte Bewegung, und der Strom wird wieder geschlossen. Durch die
sehr gesteigerte Empfindlichkeit ist mit diesem Regler ein Kontaktabstand von 2
mm zu erreichen bei einer Temperaturvariation von o,oi ° C.
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Fig. 5 stellt einen Gastemperaturregler nach der Erfindung dar.
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Das System besteht hier aus einem Rahmen 2, Hebel 4, Feder 5, Feder
39, Winkel 39' und Bimetallfeder 15. Die Bimetallfeder 15 ist zwischen dem
Rahmen 2 und dem Hebel 4 mittels der Feder 5 eingeklemmt oder gespannt. Die Spannung
der Feder 5 ist mittels einer Schraube 33 regelbar. Die Bimetallfeder 15 bewegt
eine Ventilstange 34 und ein Ventil 35. Das Ganze wird in einer Flüssigkeitskammer
des zu regelnden Gefäßes untergetaucht, derart, daß die Röhre 36 etwas mehr, als
dem Gasdruck entspricht, unterhalb des Flüssigkeitsspiegels reicht. Auf diese Weise
wird eine reibungslose Abdichtung erhalten. Die Feder ist in diesem Fall derart
eingestellt, daß der
erste Teil der Schließperiode bei erreichter
Einstelltemperatur sehr schnell und der letzte Teil allmählich verläuft, so daß
die Absperrung in der Hauptsache sehr schnell erfolgt und weiter die Temperatur
mit kleiner Flamme, in Abhängigkeit des Wärmeverlustes nach außen, genau geregelt
wird.
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Fig. 6 und 7 sind zwei Längsschnitte eines anderen Gasreglers rohrförmiger
Ausbildung. Die Wirkung ist derjenigen des Reglers nach Fig. 5 ähnlich, nur wird
die axiale Belastung bei der Ausführung nach Fig. 6 und 7 dadurch erhalten, daß
eine Feder 41 auf ein Joch 42, 43 einwirkt. Der am einen Ende unterstützte Bimetallstreifen
15 wird am anderen Ende von einer Feder 44 mit Spannungsregelvorrichtung
45 zur Bestimmung des auf den Streifen wirkenden Momentes beeinflußt. Weiter trägt
der .Streifen hier unmittelbar das Ventil 46, das mit dem einer Gasdurchtrittsöffnung
48 gegenüberliegenden Sitz 47 zusammenarbeitet. Das Ganze befindet sich in einem
rohrförmigen Gehäuse 49, wodurch ein Gasregler sehr gedrungener Bauart entsteht.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Energie, welche ein Bimetallstreifen
bei einer kleinen Temperaturänderung bei Anwendung der Erfindung erzeugen kann,
sehr viel größer ist als ohne axiale Belastung. Hierauf beruht die Ausführung eines
thermischen Motors nach der Erfindung. Man kann z. B. in Abhängigkeit einer periodischen
Erhitzung und Abkühlung des Streifens durch den letzteren ein oder mehrere Ventile
umschalten lassen. Falls nun die Umschaltung die Ursache derselben aufhören läßt
(in casu Erhitzung oder Abkühlung), so arbeitet die Maschine selbsttätig. Man kann
dies z. B. auf eine Flüssigkeitsrückströmvorrichtung zu Verdampfern anwenden.
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In Fig. 8 bis io ist dieser Gedanke bei einem Kondensationstopf verwirk-licht.
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Fig. 8 ist ein vertikaler Schnitt, Fig. 9 ein horizontaler Schnitt
und Fig. io ein Querschnitt.
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Der Bimetallstreifen 15 ist mittels der daran befestigten Joche 5o
und der Federn 51 im Rahmen 52 eingespannt mit einer etwas über der kritischen Knickspannung
des Systems liegenden Kraft. Der Streifen 15 trägt eine Ventilstange mit Ventil
53, das auf einem Sitz 54 abdichten kann. Letzterer ist einstellbar in einem
Körper 55 befestigt, der seitlich durch die den Rahmen 52 tragenden Flanschen 56
abgedichtet wird. Die Ventilstange 53 hebt während des letzten Teiles ihres Öffnungshubes
den Federteller 57 entgegen der Kraft der gespannten Feder 58. Diese Feder drückt
anderseits gegen einen Federteller 59, mit dem mittels eines Stellbolzens 6o in
einem Gehäuse 61 die Federspannung einstellbar ist.
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Falls- nun durch eine Öffnung 62 Dampf eintritt, wird der Streifen
15 erhitzt und biegt bei einer bestinunten Temperatur, z. B. ioo ° C, nach. unten
durch und drückt mit einem Schlag das Ventil 53 auf den Sitz 54. Es kann also kein
Dampf entweichen. Sammelt sich nun Kondensationswasser an, so kühlt sich das Ganze
ab, und es wird bei einer bestimmten Temperatur das Ventil gegen den Druck geöffnet
werden. Infolge der Empfindlichkeit des Systems genügt eine kleine Temperatursenkung
schon. Das Wasser entweicht, und das Ventil schlägt wieder zu, sobald der Dampf
den Streifen 15 erreicht und erhitzt.
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Der große Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß das Ventil
bei sehr kleinen Temperaturänderungen entweder ganz offen oder ganz geschlossen
ist und nicht, wie bei den meisten Kondensationstöpfen, in einer Grenzlage steht.
Im letzteren Fall ist das Ventil bald undicht. Die Feder 58 hat den Zweck, die Querbelastung,
welche im Augenblick -des Öffnens durch den Dampfdruck ausgeübt wird, zu übernehmen,
wodurch eine noch empfindlichere Wirkung erhalten wird. Weiter kann noch eine Einstellvorrichtung
darin bestehen, daß ein veränderliches Anfangsmoment auf den Streifen ausgeübt wird,
wie z. B. bei ' den Reglern nach Abb. 2 (Feder 3i), Abb. 5 (Feder 39) und Abb. 7
(Feder 44).