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TECHNISCHER
BEREICH
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Aufzugsysteme und insbesondere Zugelemente
für solche
Aufzugsysteme.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
herkömmliches
Traktionsaufzugsystem weist eine Kabine, ein Gegengewicht, zwei
oder mehr die Kabine und das Gegengewicht miteinander verbindende
Seile, eine Traktionsseilscheibe, um die Seile zu bewegen, und eine
Maschine, um die Traktionsseilscheibe zu drehen, auf. Die Seile
sind aus gelegtem oder verdrilltem Stahldraht gebildet, und die Seilscheibe
ist aus Gusseisen gebildet. Die Maschine kann entweder eine Getriebemaschine
oder eine getriebelose Maschine sein. Eine Getriebemaschine erlaubt
die Verwendung eines Motors höherer
Drehzahl, der kompakter und weniger kostenaufwändig ist, aber zusätzliche
Wartung und Platz benötigt.
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Obwohl
sich herkömmliche,
runde Stahlseile und Gusseisenseilscheiben als sehr zuverlässig und kosteneffektiv
erwiesen haben, gibt es Beschränkungen
bei ihrem Einsatz. Eine solche Beschränkung sind die Traktionskräfte zwischen
den Seilen und der Seilscheibe. Diese Traktionskräfte können durch Steigern
des Windungswinkels der Seile oder durch Unterschneiden der Nuten
in der Seilscheibe erhöht werden.
Beide Techniken reduzieren jedoch die Haltbarkeit der Seile als
Ergebnis der gesteigerten Abnutzung (Windungswinkel) oder des gesteigerten
Seildrucks (Unterschneiden). Eine andere Methode, um die Traktionskräfte zu steigern,
ist, aus einem synthetischen Material gebildete Einsätze in den
Nuten der Seilscheibe zu verwenden. Die Einsätze steigern den Reibungskoeffizienten
zwischen den Seilen und der Seilscheibe, wobei sie gleichzeitig
die Abnutzung der Seile und der Seilscheibe minimieren.
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Eine
weitere Beschränkung
beim Einsatz runder Stahlseile ist die Flexibilität und die
Ermüdungseigenschaften
runder Stahldrahtseile. Aufzugsicherheitsbestimmungen erfordern
heute, dass jedes Stahlseil einen Minimaldurchmesser d (dmin =8 mm für CEN; dmin=9,5
mm (3/8") für ANSI)
hat und dass das D/d-Verhältnis für Traktionsaufzüge größer oder
gleich vierzig ist (D/d ≥ 40),
wobei D der Durchmesser der Seilscheibe ist. Dies führt dazu,
dass der Durchmesser D für
die Seilscheibe mindestens 320 mm ist (380 mm für ANSI). Je größer der
Seilscheibendurchmesser D ist, desto größer ist das von der Maschine
benötigte
Drehmoment, um das Aufzugsystem anzutreiben.
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Ein
weiterer Nachteil herkömmlicher,
runder Seile ist, dass die Lebensdauer des Seils umso kürzer ist,
je höher
der Seildruck ist. Seildruck (Prope) wird erzeugt,
wenn sich das Seil über
die Seilscheibe bewegt und ist direkt proportional zu dem Zug (F)
in dem Seil und umgekehrt proportional zu dem Seilscheibendurchmesser
D und dem Seildurchmesser d (Prope ≈ F/(Dd)).
Außerdem
steigert die Form der Seilscheibennuten einschließlich solche
traktionserhöhender
Techniken wie Unterschneiden der Seilscheibennuten weiter den maximalen
Seildruck, dem das Seil unterzogen wird.
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GB-A-2
134 209 offenbart ein flaches Seil für eine Windungsmaschine, welches
eine Mehrzahl von Stahlseilen aufweist, die in einem gummiartigen
Material eingeschlossen sind.
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Ungeachtet
des obigen Stands der Technik arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure
unter der Leitung des Rechtsnachfolgers des Anmelders daran, effizientere
und haltbarere Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, um Aufzugsysteme
anzutreiben.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Zugelement vorgesehen, wie es in Anspruch 1 beansprucht
ist. Dabei hat in Übereinstimmung
mit der Erfindung ein Zugelement für einen Aufzug ein Seitenverhältnis von
größer als
eins, wobei das Seitenverhältnis
definiert ist als das Verhältnis
der Zugelementbreite w zu der Dicke t (Seitenverhältnis =
w/t).
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Ein
prinzipielles Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Flachheit
des Zugelements. Die Steigerung beim Seitenverhältnis führt zu einem Zugelement, das
eine Eingriffoberfläche
hat, definiert durch die Breitendimension, die optimiert ist, um
den Seildruck zu verteilen. Daher ist der Maximaldruck in dem Zugelement
minimiert. Außerdem
kann durch Steigern des Seitenverhältnisses relativ zu einem runden
Seil, das ein Seitenverhältnis
gleich eins hat, die Dicke des Zugelements reduziert werden, wobei eine
konstante Querschnittsfläche
des Zugelements aufrecht erhalten bleibt.
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Ferner
weist gemäß der vorliegenden
Erfindung das Zugelement eine Mehrzahl von einzelnen Lasttragesträngen, Litzen
und/oder Kabeln auf, die in einer gemeinsamen Schicht einer Umhüllung eingeschlossen
sind. Die Umhüllungsschicht
trennt die einzelnen Stränge,
Litzen und/oder Kabel und definiert eine Eingrifffläche zum
Zusammenwirken mit einer Traktionsseilscheibe.
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Aufgrund
der Ausgestaltung des Zugelements kann der Seildruck gleichmäßiger über das Zugelement
verteilt werden. Als Ergebnis ist der maximale Seildruck wesentlich
reduziert, verglichen mit einem in einer herkömmlichen Weise mit einem Seil versehenen
Aufzug mit einer ähnlichen
Lasttragekapazität.
Außerdem
ist der effektive Seildurchmesser "d" (gemessen
in der Biegungsrichtung) für
die äquivalente
Lasttragekapazität
reduziert. Daher können kleinere
Werte für
den Seilscheibendurchmesser "D" ohne eine Reduzierung
beim D/d-Verhältnis erreicht werden.
Außerdem
erlaubt ein Minimieren des Durchmessers D der Seilscheibe die Verwendung weniger
kostenintensiver, kompakterer Motoren hoher Drehzahl als die Antriebsmaschine
ohne die Notwendigkeit eines Getriebes.
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Die
Stränge,
Litzen und/oder Kabel in dem Zugelement der Erfindung sind Stahl-
und organische Fasern und können
in einer Anzahl von Kombinationen vorgesehen sein. Die zwei Materialien
können
getrennt gehalten sein und ein zelne Stahlstränge und Stränge organischer Fasern in einem
gemeinsamen Mantel aufweisen; die zwei Materialien können in
einem einzelnen Strang kombiniert sein, wobei eine Mehrzahl solcher
Stränge
in dem gemeinsamen Mantel verteilt ist; die Materialien können umeinander
in geordneten Anordnungen innerhalb des gemeinsamen Mantels gewunden
sein; und die organischen Fasern können zufällig in dem gemeinsamen Mantel
verteilt sein, wobei Stahlstränge
auch darin verteilt sind.
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Jede
der genannten Kombinationen sorgt für ein flexibles, flaches Hybrid-Zugelement
mit Stärken und
Vorteilen, die bei flachen Zugelementen mit Stahlsträngen oder
flachen Zugelementen mit organischen Fasern nicht verfügbar sind.
Vorteile jedes Materials weisen für Stahl einzeln auf: zerstörungsfreie
Prüfungsmöglichkeiten;
hohe Hitzewiderstandsfähigkeit;
niedrige Dehnung. Und für
organische Fasern: geringes Gewicht und hohe Festigkeit; nicht anfällig auf
Korrosion. Die Schaffung eines Zugelements, das sowohl Stahl als
auch organische Fasern effektiv einsetzt, wobei Last zwischen den
beiden aufgeteilt wird, führt
zu einem Zugelement mit wesentlich verbessserten Eigenschaften.
Die vorliegende Erfindung sieht mehrere Ausführungsformen vor, die den zwei
Materialien erlauben, die "Last
zu teilen", was
eine Betrachtung der Lasttragefähigkeit
jedes der Typen von Materialien erfordert; die Langzeit-Biegungsermüdungswiderstandsfähigkeit
der einzelnen Materialien; die Dehnung jedes Materials und Seilnachführstabilität erreichen
solch synergistischen Nutzen.
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Die
vorangehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden im Licht der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung,
deren beispielhafter Ausführungsformen,
wie sie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind, ersichtlicher.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
wird nun Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei ähnliche
Elemente in den mehreren Figuren gleich nummeriert sind:
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1 ist eine perspektivische
Ansicht eines Aufzugsystems mit einem Traktionsantrieb, in dem das
Zugelement der Erfindung funktioniert;
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2 ist ein schematischer
Querschnitt einer ersten Ausführungsform
eines flexiblen, flachen Hybrid-Zugelements der Erfindung;
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3 ist ein schematischer
Querschnitt einer zweiten Ausführungsform
eines flexiblen, flachen Hybrid-Zugelements der Erfindung;
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4 ist ein schematischer
Querschnitt einer dritten Ausführungsform
eines flexiblen, flachen Hybrid-Zugelements der Erfindung;
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5 ist ein schematischer
Querschnitt einer vierten Ausführungsform
eines gemischten, flexiblen, flachen Zugelements der Erfindung;
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6 ist eine grafische Wiedergabe
eines Elastizitätsmoduls
eines Zugelements der Erfindung; und
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7 ist eine grafische Wiedergabe
der Festigkeit eines Zugelements der Erfindung.
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BESTER MODUS
ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
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In 1 ist ein Traktionsaufzugsystem 12 veranschaulicht.
Das Aufzugsystem 12 weist eine Kabine 14, ein
Gegengewicht 16, einen Traktionsantrieb 18 und
eine Maschine 20 auf. Der Traktionsantrieb 18 weist
ein Zugelement 22, das die Kabine 14 und das Gegengewicht 16 verbindet,
und eine Traktionsseilscheibe 24 auf. Das Zugelement 22 wirkt
mit der Seilscheibe 24 zusammen, so dass eine Drehung der
Seilscheibe 24 das Zugelement 22 und dadurch die
Kabine 14 und das Gegengewicht 16 bewegt. Die Maschine 22 wirkt
mit der Seilscheibe 24 zusammen, um die Seilscheibe 24 zu
drohen. Obwohl als eine Getriebemaschine 20 veranschaulicht,
sollte angemerkt werden, dass diese Konfigura tion nur zu veranschaulichenden
Zwecken dient und die vorliegende Erfindung mit Getriebemaschinen
oder getriebelosen Maschinen verwendet werden kann.
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Die
Erfindung stellt ein flexibles, flaches Hybridmaterial-Zugelement
mit besseren Eigenschaften als flexible, flache Einzelmaterial-Zugelemente
bereit. Es sollte angemerkt werden, dass nicht alle möglichen
Mischungen von Lasttragematerialien ein synergistisches Ergebnis
bei dem geschaffenen Zugelement liefern. Vielmehr ist eine sorgfältige Analyse struktureller
Lasttrageeigenschaften nötig,
um die zwischen den Typen von Lasttragematerialien ausgeübte Last
auszubalancieren und bessere Eigenschaften sowie exzellente Zugelementnachführstabilität zu erhalten.
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Bezugnehmend
auf 2 ist eine ersten Ausführungsform
eines flexiblen, flachen Hybrid-Zugelements der Erfindung schematisch
im Querschnitt veranschaulicht. Das Zugelement 22 weist
einen gemeinsamen Urethan- oder anderen Polymermantel 26 auf.
Stahllasttragematerial befindet sich in mit 28 markierten
Bereichen, wohingegen organisches Lasttragematerial als 30 identifiziert
ist. Wie ein durchschnittlicher Fachmann erkennen wird, ist das Lasttragematerial
relativ gleichmäßig über die
Breite des Zugelements 22 beabstandet. Es ist bevorzugbar,
zwei Stahlstränge 28 Seite
an Seite an einer zentralen Stelle des Zugelements 22 vorzusehen,
um die Nachführung
(tracking) Seite zu Seite auszubalancieren. Symmetrie ist an beiden
Seiten einer longitudinalen Mittellinie des Zugelements wichtig,
um stabiles Nachführen
des Zugelements an einer Seilscheibe zu gewährleisten.
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Die
organischen Fasern 30 sind derart veranschaulicht, dass
sie einen größeren Querschnitt haben
als die Stahlstränge 28,
dies ist aber nicht notwendig. Es ist vielmehr die Frage, welche
Gewichtauslegung gewünscht
ist und welche Hitzewiderstandsfähigkeit
gewünscht
ist, sowie ähnliche
Parameter. Es wird dann eine mathematische Berechnung, die im Bereich
der Fähigkeiten
eines gewöhnlichen
Fachmanns durchführbar
ist, ausgeführt,
um den Betrag zu verwendender organischer Faser und den Betrag zu
verwendender Stahlstränge
zu bestimmen. Die Berechnungen werden eingesetzt, um zu gewährleisten,
dass die Last zwischen den verschiedenen Strängen in dem flachen Zugelement
ge teilt wird, was erlaubt, dass die Vorteile und Eigenschaften eines
jeden genutzt werden. Es ist auch wichtig, dass die axiale Steifigkeit
des Zugelements derart ist, dass bei jeder gegebenen ausgeübten Last
beide Typen von Strängen
sich die elastische Reaktion des Zugelements teilen. Die Verdrillung
und der Aufbau dieser zwei Strangtypen kann derart gewählt werden, dass
diese Lastverteilung ermöglicht
wird. Die Stränge
ihrerseits sind nicht in der Größe, Anzahl
oder Verteilung (abgesehen von der Nachführung) beschränkt, um
dieses Ergebnis zu ermöglichen,
noch ist es nötig,
dass eine gleiche Anzahl von Strängen organischer
Faser und Stahlsträngen
verwendet wird. Was wichtig ist, ist, dass die Eigenschaften der zwei
Strangtypen hinsichtlich der gewünschten
Eigenschaften des Zugelements ausgeglichen sind, so dass diese gewünschten
Eigenschaften erreicht werden können.
Für jedes
gewünschte
Ergebnis ist mehr als eine Art des Auslegens der Stränge und
Dimensionen, etc., möglich.
Es wird angemerkt, dass eine Verteilung wichtig ist, um einen Nachführaspekt
des Zugelements zu vereinfachen, und eines der einfacher erreichbaren
Verteilungsschemata zum geeigneten Nachführen ist eine gleichmäßige Verteilung von
Strangtypen über
eine axiale Mittellinie des Zugelements.
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Ein
Parameter, der vorzugsweise zu kontrollieren ist, ist ein Verbiegen.
Es ist bevorzugbar, dass Stahlstränge vor organischen Strängen beim
Biegen versagen, so dass zerstörungsfreie
Prüfverfahren eingesetzt
werden können,
um die Integrität
des Zugelements zu bestimmen. Solche Verfahren umfassen einen elektrischen
Widerstand oder eine Magnetflussleckage.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, bezugnehmend auf 3,
ist jeder Strang des Zugelements 22 von Hybrid-Natur. Dargestellt
ist ein Zugelement im Querschnitt, wobei ein organisches Fasermaterial
sich in einem Ring 32 um einen Kern 34 aus Stahl
befindet. Obwohl das Zugelement mit Materialtypen in nur einer Art
veranschaulicht ist, ist es verständlich, dass das organische
Fasermaterial den Kern ausmachen kann, wobei Stahl für den ring
verwendet wird. Es sollte auch angemerkt werden, dass nicht alle
der in der Ausführungsform
verwendeten Stränge
das gleiche Kernmaterial verwenden müssen. Ein oder mehrere der
Stränge
können Stahl
als Kern 34 verwenden, während ein oder mehrere der
Stränge
organische Fasern als Kern verwenden können. Die Verdrillung und der
Aufbau jedes Strangs im Bereich des Rings und im Bereich des Kerns
beeinflussen die Eigenschaften des gesamten Zugelements, und dies
muss in Betracht gezogen werden. Einem gewöhnlichen Fachmann ist bewusst, wie
die verschiedenen möglichen
Verdrillungen und der Aufbau zu berechnen sind, um zu den gewünschten
Eigenschaften des gesamten Zugelements zu gelangen. Der Grad, bis
zu dem Elastomerpenetration in die einzelnen Stränge gewünscht ist, sollte auch in Bezug
auf die Position und die Größe der verwendeten
Stränge
beachtet werden. Wenn die für
die Stränge
ausgewählten
Positionen Strang-zu-Strang-Kontakt aufweisen, muss auch Reibverschleiß beachtet
werden. In einem bevorzugten Aufbau für die Ausführungsform werden "s"- und "z"-Strangkonstruktionen
in gleicher Anzahl über
die axiale Mittellinie des Zugelements verwendet.
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In 4 der Erfindung ist eine
weitere, alternative Ausführungsform
veranschaulicht. Die Figur ist eine vergrößerte Ansicht von nur zwei
Strängen 38,
um den Aufbau jedes Strangs zu veranschaulichen. In dieser Ausführungsform
ist jeder Strang 38 aus mehreren Litzen aufgebaut, z.B.
neun (acht um eine), und jeder Strang ist von Hybrid-Natur. Die Stränge 40 in
der Zeichnung sind derart dargestellt, dass sie einen organischen
Zentraldraht 42 und acht Stahldrähte 44, die darum
herum positioniert sind, haben. Sechs dieser Stränge werden dann um einen Zentralstrang 46 herum
positioniert, um einen Hybrid-Strang 38 zu bilden. Es ist
verständlich,
dass die Anordnung der Stahldrähte 44 und
der organischen Fasern 42 umgekehrt sein kann. Ähnliche
Berechnungen, wie sie in den vorangehenden Ausführungsformen genannt sind,
müssen
für diese
Ausführungsform
gemacht werden, wobei solche Berechnungen im Bereich der Fähigkeiten
des gewöhnlichen
Fachmanns liegen. Hybrid-Stränge
sind auch dahingehend vorteilhaft, dass der spezielle Aufbau der
Stränge
für spezifische
Zwecke variieren kann. Beispielsweise werden, wenn eine Kronseilscheibe
(nicht gezeigt) bei einem speziellen Aufzugsystem verwendet wird,
bei dem das Zugelement verwendet wird, um ein Nachführen zu
verbessern, die Stränge,
die nahe oder direkt über
der Krone verlaufen, höher
belastet als andere Stränge
in dem Zugelement. Die Hybrid-Stränge können dahingehend zugeschnitten
werden, dass sie die höhere
Belastung bewältigen.
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Nun
bezugnehmend auf 5 wird
noch eine weitere Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht. 5 ist
eine vergrößerte Ansicht,
die nur zwei Stränge
zeigt. Es ist verständlich,
dass die Ausführungsform
mehr Stränge
enthalten kann. In dieser Ausführungsform
sind Stahlstränge 50 mit
vorzugsweise sieben Drähten
jeweils in einem Muster von sechs um einen vorgesehen und sind nicht
direkt Hybrid-Stränge.
Vielmehr ist das Zugelement 22 hybrid, da es in dem gemeinsamen
Umhüllungsmaterial 28, welches
die Stränge
umgibt, einzelne organische Fasern 52 aufweist. Die Fasern 52 sind
vorzugsweise parallel zu der Hauptachse des Zugelements orientiert
und über
das Material 28 verteilt. Die Steifigkeit der Stahlstränge 50 dieser
Ausführungsform
ist durch die Steifigkeit der Stahldrähte gesteuert, wobei die organischen
Fasern für
ihre eigene Steifigkeit sorgen. Das Material 28 in dieser
Ausführungsform
ist, wie in den vorangehenden Ausführungsformen, vorzugsweise
aus Polyurethan aufgebaut.
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Für alle hierin
zuvor beschriebenen Ausführungsformen
kann das Elastizitätsmodul
des Zugelements gesteigert werden durch Steigern des darin verwendeten
Volumenprozentanteils von Stahl. Wie der Fachmann erkennt, basieren
Modulberechnungen auf der "Regel
der Mischungen",
d.h.: E11 =
Uf1E11f1 + Vf2E11f2 + VmEm wobei:
- E11 = longitudinales FFR-Modul
- E11f1 = longitudinales Modul von Faser
1
- E11f2 = longitudinales Modul von Faser
2
- Em = Matrixmodul
- Vf1 = Volumenprozent von Faser 1
- Vf2 = Volumenprozent von Faser 2
- Vm = Volumenprozent von Matrix 3
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Die Änderung
beim Elastizitätsmodul
ist in 6 grafisch zu
sehen.
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Eine
Berechnung einer Zugfestigkeit eines beispielhaften Zugelements
der Erfindung als Funktion des Stahl/organische Faser- (z.B. Kevlar)
Anteils innerhalb der gemeinsamen Umhüllung des Zugelements, d.h.
der Polyurethanbeschichtung in einer bevorzugten Ausführungsform,
ist in 7 grafisch veranschaulicht,
wobei der Volumenprozentanteil von Stahl/Kevlar zu dem gemeinsamen
Umhüllungsmaterial
bei 60 Vol.-% gehalten wird, aber der Prozentanteil von Stahl und
Kevlar relativ zueinander variiert wird.
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Der
genaue Kurvenänderungspunkt
in dem Grafen ist bei 24% Stahl und 16% Kevlar 29. (Der Wert
würde für Kevlar 49 variieren.)
Rechts des 24/16-Punkts dominiert Kevlar die Festigkeitskurve, und
links dominiert Stahl die Festigkeitskurve. Stahl versagt bei 2,0%
Dehnung, wohingegen Kevlar bei 3,6% Dehnung versagt. Wenn Stahl
dominiert, bewirkt ein Versagen des Stahls aufgrund von Dehnung,
dass auch das Kevlar überlastet
wird und versagt. Wenn Kevlar dominiert, beeinflusst jedoch ein Stahlversagen
bei 2,0% Dehnung nicht das Versagen des Kevlars, welches bis 3,6%
Dehnung hält.
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An
dem Übergangspunkt
von 24/16 behält der
Stahl ausreichend Festigkeit in dem Zugelement für einen Betriebseinsatz eines
Aufzugsystems, welches ein solches Zugelement einsetzt, nachdem
das Kevlarmaterial sich verschlechtert hat, versagt hat oder zerstört wurde.
Um dieses Ergebnis für
verschiedene Volumenprozentanteile von Strangmaterial zu Unhüllungsmaterial
zu erhalten, dient die Gleichung: VS ≥ (σk/σs)
Vk wobei
- VS = Volumenprozentanteil von Stahldrähte
- Vk = Volumenprozentanteil von Kevlar
- σs = Zugfestigkeit von Stahl
- σk = Zugfestigkeit von Kevlar
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen
und Ersetzungen daran durchgeführt werden,
ohne von dem Gedanken und dem Umfang der Erfindung abzuwei chen.
Dementsprechend ist verständlich,
dass die vorliegende Erfindung im Wege von Veranschaulichungen und
nicht von Beschränkungen
beschrieben wurde.