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Antriebsvorrichtung für eine schrittweise durch einen Motor zu bewegende
Welle, z. P. für Fahrschalter Zur Steuerung von elektrischen Motoren werden Kontakte
benutzt, -die durch Drehung einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle, betätigt
werden. Die Erfindung bezieht sich auf den Antrieb dieser Welle unter Benutzung
eines elektrischen Hilfsmotors. Bei einem solchen Antrieb besteht die Aufgabe, die
die Kontakte betätigende Welle im einen oder anderen Sinne ein oder mehrmals um
einen bestimmten Winkel zu drehen. Diese Drehung muß genau ausgeführt werden, damit
nicht eine unbeabsichtigte Schließung von Kontakten hervorgerufen werden kann, sie
muß ferner schnell vor sich gehen, um die Kontakte mit ihrer höchsten Schaltleistung
beanspruchen zu können. Es ist bekannt, die Nockenwelle durch einen Hilfsmotor unter
Vermittlung eines Getriebes anzutreiben, das, wie z. B. ein Malteserkreuz, nach
jedem Schritt außer Eingriff kommt. Bei Anwendung eines solchen Getriebes führt
die @Tokkenwellejeweils eine Drehung um einen bestimmten Winkel aus, wenn der Hilfsmotor
oder die mit dem Hilfsmotor angetriebene und auf das Malteserkreuz einwirkende Zwischenwelle
eine Umdrehung macht. Die Genauig= keit der Bewegung der Nockenwelle ist dabei in
weitem Maße von der Genauigkeit der Bewegung des Hilfsmotors unabhängig. Es ist
nicht erforderlich, daß der Hilfsmotor in einer ganz genau bestimmten Stellung zum
Stillstand kommt, vielmehr genügt es, wenn er in einer Stellung stehenbleibt, in
der das Malteserkreüz nicht in Eingriff ist. Dennoch gestatten es derartige Antriebsvorrichtungen
nicht, schnelle Schaltungen auszuführen, so wie sie zur Steuerung von starken Elektromotoren,
insbesondere für die Zwecke tler elektrischen Zugförderung, notwendig sind, wo beispielsweise
Schaltfolgen von 8 bis ro Schaltstellungen pro Sekunde vorkommen.
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Die Erfindung betrifft nun eine Antriebsvorrichtung für eine schrittweise
durch einen Motor zu bewegende Welle, die besonders für Schalter mit hoher Schaltgeschwindigkeit,
z. B. für den Fahrschalter eines elektrischen Triebfahrzeuges, geeignet ist und
aus einem zwischen die Motorwelle und die zu bewegende Welle eingefügten Triebwerk,
dessen Teile nach jedem Schritt außer Eingriff kommen, und aus einer von der Mötorwelle
beeinflußten Verriegelungsvorrichtung besteht.
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Erfindungsgemäß ist die Antriebsvorrichtung mit einer auf die Motorwelle
nur innerhalb des Leerganges wirkenden Bremsvorrichtung versehen, welche diese Welle
nach jedem Schaltschritt in derjenigen Stellung anhält, in der die Teile des Getriebes
außer Eingriff sind, wobei eine von der Motorwelle beeinflußte Schalteinrichtung
die
Stromzuführung zum Motor vor Beginn jedes Schaltschrittes herstellt,
während jedes Schaltschrittes aufrechterhält und nach Beendigung desselben unterbricht.
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Die Zeichnung enthält ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und es
zeigt Abb. i in einer Zusammenstellung die Antriebsvorrichtung.
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Abb. 2 ist eine gleichartige Zusammenstellung, in welcher der Deutlichkeit
halber die Vorrichtung zur Übertragung der Bewegung vom Motor auf die Nockenwelle
für sich herausgezeichnet ist.
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Abb. 3 ist der Querschnitt nach der gebrochenen Linie x-y der Abb.
i und 2. Abb.4 stellt in größerem Maßstabe den hauptsächlichen Teil der Antriebsvorrichtung
dar.
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Abb.5 ist ein Schaltungsschema, welches die Art der Stromzuführung
zu dem die Antriebsvorrichtung bewegenden Elektromotor erläutert.
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Abb. 6 stellt die Stromzuführungsvorrichtung für den Elektromotor
dar.
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In den Abb. i, 2, 3, 4 und 6 sind die die Antriebsvorrichtung bildenden
Bestandteile in der Ruhelage gezeichnet.
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Die im einen oder anderen. Drehsinn schrittweise anzutreibende Nockenwelle
i (Abb. i und 2) möge beispielsweise elf Hauptstellungen haben.
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Auf das Ende der Welle i ist eine Scheibe 2 gekeilt, in deren Kranz
in gleichen radialen Abständen elf Nuten mit radialen Mittellinien und parallelen
Flanken geschnitten sind. (ebb. 3 und 4), so daß von der Scheibe elf gleichgestaltete,
in gleichmäßigen Abständen verteilte Zähne 3 vorspringen.. In eine der Nuten vermag,
ein Riegel 4 einzugreifen, der die Nockenwelle in einer bestimmten Lage feststellt.
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Der Antriebselektromotor 5 trägt auf dem Ende seiner Welle 6 eine
Kurbelscheibe 7, deren Zapfen 8 mit einer Rolle 9 als Triebstock ausgerüstet ist.
Die Anordnung ist so getroffen, daß die Rolle 9 bei ihrer Umlaufbewegung die eine
oder die andere von den Nuten zu beiden Seiten des dem Riegel 4 gegenüberliegenden
Zahnes 3 berührt und in deren Längsrichtung durchläuft.
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Ein Exzenter io, ein Nocken oder ein sonstiges gleichartiges auf die
Welle 6 des Motors 5 gekeiltes Glied treibt den Riegel durch Vermittlung einer Pleuelstange
28 an, die an einen Tauchkolben 29 in solcher Anordnung angelenkt ist, daß der Riegel
4 freikommt, wenn die Rolle 9 in eine Nut greift, und umgekehrt.
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Infolgedessen wird jedesmal, wenn die Welle 6 des Motors 5 einmal
umläuft, die Nockenwelle i von der Rolle 9 erfaßt, vom Riegel freigegeben, um ein
Elftel einer Umdrehung mitgenommen und dann erneut verriegelt. Der Drehsinn der
Nockenwelle ist der nämliche wie der des Motors 5.
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Geht man von der in den Abb. i bis 4 dargestellten Ruhelage aus und
läßt den Motor 5 im Sinne des Pfeiles F laufen, so. nimmt er seine Welle 6, die
Kurbelscheibe 7 und folg lich die Rolle 9. mit. Diese gelangt zuerst aus der Stellung
a in die Stellung b, ohne auf die Scheibe 2 einzuwirken; während dieser Teildrehung
hat indessen das Exzenter durch Vermittlung der Teile 28 und 29 den Riegel 4 angehoben,
und dieser hat sich von den Zähren 3 gelöst, deren Lücke er vorher ausgefüllt hatte.
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Sobald die Rolle 9 die Stellung b erreicht, greift sie berührend an
dem dem Riegel 4 gegenüberliegenden Zahn 3 an und treibt von da ab diesen Zahn und
folglich die Scheibe 2 im Sinne des Pfeiles F an.
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Die der Scheibe 2 aufgezwungene Bewegung beginnt im Augenblick des
Angriffes der Rolle 9 mit der Geschwindigkeit Null und erreicht ihre Höchstgeschwindigkeit,
wenn die Rolle 9 in der Stellung c anlangt. Von diesem Zeitpunkt ab wird die Geschwindigkeit,
die von der Rolle 9 auf die Scheibe 2 durch Einwirkung auf die Flanke des betrachteten
Zahnes 3 übertragen wird, kleiner, bis die Rolle 9 die zur Stellung b symmetrische
Stellung rd einnimmt. In diesem Augenblick wird die Einwirkung der Rolle 9 zu Null.
Während die Rolle den Bogen d a durchläuft, nimmt der Riegel 4 unter der
Einwirkung des Exzenters io seine auf der Zeichnung eingetragene Sperrstellung wieder
ein.
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Wenn die Sperrung zustande kommt, hat sich die Scheibe 2 beim dargestellten
Beispiel genau um eine Elfteldrehung weiterbewegt.
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Aus den bisherigen Darlegungen lasse. sich die folgenden wichtigen
Folgerungen ziehen: i. Bei beliebiger Geschwindigkeit der Rolle 9 wird die Scheibe
2 mit der Geschwindigkeit Null erfaßt, dann mit einer anfänglich stetig zunehmenden,
später abnehmenden Geschwindigkeit mitgenommen und schließlich mit der Geschwindigkeit
Null verlassen; die Bewegung wird also ohne Stoß herbeigeführt. Der Riegel 4 hat
keine andere Aufgabe als .die, die Scheibe 2 in der Stellung, in der sie mit der
Geschwindigkeit Null angekommen ist, festzustellen.
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2. Da die Bewegung stoßfrei vor sich geht, kann sie beliebig rasch
herbeigeführt werden. 3. Die Verstellung der Nockenwelle um den Abstand zwischen
je zwei aufeinanderfolgenden Zähnen geschieht auf sehr genaue Weise. 4. Die verschiedenen
Bestandteile dieser Vorrichtung sind leicht in laufender Fertigung genau herzustellen.
Ferner wird die
genaue Herstellung des Triebwerkes dadurch erleichtert,
daß die nämlichen Nuten sowohl für den Antrieb als auch für die Verriegelung dienen.
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Die beschriebene Einrichtung macht also rasche, genaue und stoßfreie
Bewegungen der Nockenwelle möglich. Diese Bedingungen sind für die genaue Bedienung
der Kontaktgeber und die gute Instandhaltung des gesamten Triebwerkes wesentlich.
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Der Elektromotor 5 kann nach einem beliebigen System gebaut sein;
indessen empfiehlt es sich, einen (Gleichstrom- oder Einphasenstrom-) Serienmotor
mit zwei Erregungswicklungen i i und i i' (Abb. 5) zu wählen, die je für sich bei
der Drehung im einen oder anderen Sinn benutzt werden.
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Mit j e einer dieser Induktionswicklungen ii und ii' ist ein Anlaßwiderstand
12, 12' hintereinandergeschaltet. Der Anker 13 ist in Nebenschluß zu einem Widerstand
14 gelegt, der die Aufgabe hat, bei beliebiger Motorlast die Pole gesättigt zu erhalten.
Der 2 otor 5 hat also im wesentlichen eine N ebenschlußkennlinie.
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Er könnte übrigens durch einen Nebenschlußmotor ersetzt werden, aber
die beschriebene Reihenschaltung ermöglicht bemerkenswert einfache Verbindungen.
In der Tat genügt es, den Motor 5 über die eine oder die andere von den Wicklungen
i i, i i' bei 15
oder 16 einzuschalten, um die Drehung im einen oder anderen
Sinn zu erhalten.
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Diese Einschaltung wird grundsätzlich durch den Handschalter mittels
eines Fahrschalters herbeigeführt, der den Speisestrom unterbricht, wenn die Nockenwelle
die vom Handschalter bezeichnete Lage- erreicht hat. Dies geschieht auf bekannte
Weise.
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Es ist aber doch wichtig, darauf aufmerksam zu machen, daß die Stromunterbrechung
durch' den Fahrschalter nicht beim Auslaufen der N ockenwelle i stattfindet, sondern
beim vollen Gang, also wenn die Rolle 9 die Stelhing c {Abb. 3 und 4.) einnimmt.
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Die Stromzuleitung zum Motor 5 durch den Handschalter wird durch eine
unmittelbare Selbsteinschaltung bei 17 oder 18 nochmals bewirkt, die durch zwei
von der Welle des Motors 5 angetriebene Kontaktgeber herbeigeführt wird. Je nach
dem Drehsinn tritt der eine oder der andere von diesen Kontaktgebern in Tätigkeit,
um unmittelbar die Wicklung ii oder i i' zu speisen, sobald die Rolle 9 in eine
Nut eintritt, und abzuschalten, wenn die Rolle 9 aus der Nut herauskommt.
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Zu diesem Zweck trägt die Welle 6 des Motors 5 eine Kurvenscheibe
i9 (Abb. 6), die auf einen Hebel 2o einwirkt, der um eine Achse 21 schwingt und
durch eine Feder 22 in seiner Mittelstellung zurückgehalten wird. Der Hebel 2o trägt
zwei bewegliche Kontakte 23 und 24, denen die festen Kontaktstücke a5 und 26 der
Kontaktgeber 17 und 18 gegenüberstehen.
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Je nach dem Drehsinn des Motors 5 wirkt also der eine oder andere
von den Kontaktgebern i7 und 18.
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Die Rölle dieser selbsttätigen Speisung ist die folgende: i. Es wird
die Beendigung jeder begonnenen Schaltbewegung gesichert, welches auch die mit dem
Fahrschalter durchgeführte richtige oder falsche Schaltbewegung sein mag.
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2. Der Anlaßwiderstand 1.2 oder 1.2' wird kurzgeschlossen, wenn die
Rolle g Arbeit zu leisten beginnt.
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3. Die Speisung des Motors wird an einer genau bestimmten Stelle seines
Umlaufs unterbrochen, nachdem die Verstellung der Nockenwelle i vollständig durchgeführt
worden ist, was durch den mit der Nockenwelle fest verbundenen Fahrschalter nicht
erreichbar sein würde.
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4. Die Speisung des Motors 5 während des Teiles seines Umlaufs, in
welchem er die ockenwelle antreibt, wird wirklich gewähr-N N
leistet; -dabei
haben der Handschalter und der Fahrschalter nur die Aufgabe, die Bewegung des Motors
nach ganzzahligen Umdrehungen zu begrenzen, greifen hingegen nicht während der Dauer
einer Umdrehung ein, insbesondere nicht beim Abstellen.
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Sämtliche Stromunterbrechungen werden durch die Selbstspeisungskontaktgeber
17 und 18 herbeigeführt. Weder der Handschalter noch der Fahrschalter unterbrechen
den Strom. Diese Besonderheit macht es möglich, die Bauart dieser Schalter zu vereinfachen.
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Infolge von plötzlichen Verstellungen des Handschalters kann es vorkommen,
daß gleichzeitig, z. B. bei 16, durch den Handschalter und bei z7 durch den Selbstspeisungskontaktgeber
eingeschaltet wird. Ein solches Vorkommnis hat keine schädlichen Folgen, weil der
Widerstand i2' dafür sorgt, d2,ß der Strom in der Wicklung i i' gegenüber dem Strom
in der Wicklung ii in seiner Wirkung auf das Feld vernachlässigbar bleibt.
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Sobald die Verstellung der Nockenwelle i beendigt ist, muß der Motor
5 für so lange angehalten werden, bis die Speisung durch den Fahrschalter bei 15
und 16 unterbrochen ist. Zu diesem Zweck wird eine Bremse vorgesehen, die während
des Laufes 'der Rolle 9 über den Bogen d a b wirksam ist, der ihrer Bahn
außerhalb der Nuten der Scheibe 2 (Abb. 3 und 4) entspricht. Es kommt wenig darauf
an, an welcher Stelle die Rolle 9 zum Stillstand kommt, falls es überhaupt auf diesem
Bogen geschieht.
Daher ist es nicht notwendig, den Motor genau in
einer bestimmten Stellung anzuhalten. Dieser Spielraum ermöglicht es, das Anhalten
durch allmählich fortschreitend;. Bremsung, also ohne Stoß und ohne übermäßige Beanspruchung
der Bestandteile, herbeizuführen.
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In Wirklichkeit kann das Triebwerk so eingerichtet sein, daß die Bremsung
ungefähr 6o° nach einem halben Unilauf der Rolle 9 bei f beginnt, wenn der Fall
einer Drehung nach rechts betrachtet wird (bei einer Drehung nach links in der symmetrischen
Stellung), und daß sie in der Mitte des Bogens d b bei a (Abb. 3)
aufhört. Von f
bis d wirken das Bremsmoment und das Motordrehmoment einander
entgegen, da der Strom ja erst bei d unterbrochen wird; jedoch ist in diesem Zeitpunkt
das Bremsmoment gegenüber dem Motordrehmoment groß, so daß der Bogen f
d in Wirklichkeit von der überlegenen Bremsleistung abhängt und die. Rolle
9 bei d mit stark heruntergesetzter Geschwindigkeit ankommt. Bei d fällt das Motordrehmoment
weg; das Bremsmoment bleibt allein übrig und gewährleistet den Stillstand der Rolle
zwischen d und a wegen ihrer kleinen Geschwindigkeit mit voller Gewißheit.
. Die Bremsung wird mittels eines eingestellten Durchlasses für Öl oder eine sonstige
praktisch nicht zusammendrückbare Flüssigkeit auf die folgende Weise erzielt: Die
Welle 6 des Motors 5 (Abb. i) trägt ein Exzenter io, das durch eine Pleuelstange
:2$ einen Tauchkolben 29 antreibt, der den Riegel 4 tragen. kann. Das Exzenter ist
so aufgelceilt, daß der Tauchkolben sich am unteren Ende seines Hubes befindet,
wenn die Rolle 9 auf der Mitte ihrer Bahn außerhalb der Nuten der Scheibe 2 bei
a steht (Abb. 3 und 4). Der Tauchkolben 29 läuft in einem Zylinder 30 und
dringt mit sanfter Reibung bei seiner Abwärtsbewegung in ein Ölbecken 31 ein. Ein
oberhalb des Beckens angeordneter Behälter 32 enthält den Ölvorrat. Der Boden des
Beckens ist mit einer Bohrung 33 versehen, welche den unteren Teil des Bekkens 3
i durch Kanäle 27 mit dem Behälter 32 in Verbindung setzt. Diese Bohrung wird -durch
einen als Ventil dienenden Zylinder 34 verschlossen, den eine Feder 35 in der Verschlußstellung
zu erhalten strebt.
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Ist bei einer Drehung der Welle 6 des Motors 5 die Rolle 9 auf ihrer
Bahn nach unten gekommen, so befindet sich infolge des beschriebenen Antriebes der
Tauchkolben 29 auf dem unteren Ende seines Hubes; bei der Weiterdrehung der Welle
6 geht der Tauchkolben 29 wieder empor und erzeugt unter sich eine Luftleere. Sobald
der Tauchkolben die obere Mündung des Beckens 31 freilegt, stürzt das C51 aus dem
Behälter 32 hinein und füllt das Becken. Alsdann erreichen die Rolle 9 und der Tauchkolben
29 das obere Ende ihres Hubes und gehen hierauf wieder nach unten. Sobald der Tauchkolben
29 in das Becken 31 tritt, wächst der Öldruck unter dein Tauchkolben an; bis das
Ventil 34 zurückgedrückt wird und dadurch während des gesamten weiteren Abwärtshubes
des Tauchkolbens 29 in unveränderlicher Lage verbleibt. Der erzeugte gleichbleibende
Öldruck erzeugt die Bremskraft. Durch Einstellen der Feder 35 kann man ihr eine
gewünschte Größe geben, damit in allen Fällen die Bewegungsenergie des Motors 5
fast vollständig aufgebraucht ist, wenn die Rolle 9 in der Stellung d (Abb. 3 und
4) ankommt.
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Während der Wegstrecke f d der Rolle wirkten das Bremsmoment
und das Motordrehmoment einander entgegen; auf dem Bogen f d kommt aber die
Bremse mit ihrer größten Leistung zur Geltung. Dies macht es notwendig, daß das
Motordrehmoment gegenüber dem Bremsmoment klein ist.
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Nun ist das Motormoment eine Funktion der Motorgeschwindigkeit. Hätte
der Motor eine streng gleichbleibende Kraftlinienzahl, so würde das Motordrehmoment
bei Abnahme der Geschwindigkeit nach einem linearen Gesetz zunehmen und bei der
Geschwindigkeit Null seinen Höchstbetrag erreichen. Da aber die Kraftlinienzahl
mit der aufgenommenen Stromstärke ein wenig wächst, ferner wegen der Verluste durch
Hy steresis und Foucault-Strom wird dieses lineare Gesetz ein wenig abgeändert;
aber nichtsdestoweniger wächst das Moment bei abnehmender Geschwindiglseit ungefähr
linear an.
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Dies gilt indessen nur bei langsamer Abnahme der Motordrehzahl. Nimmt
hingegen die Geschwindigkeit plötzlich ab, wie dies auf dein Bogen f d der
Fall ist, so nimmt das Motordrehmoment langsamer zu als nach obigem Gesetz, und
zwar wegen der Selbstinduktion der Stromkreise. Durch sorgfältige Wahl dieser Selbstinduktion
läßt sich erreichen, daß während der Bremsdauer f d das Motormoment praktisch den
Wert beibehält, der der Geschwindigkeit des Motors bei f entspricht, d. h. seinen
kleinsten Wert.
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Somit gelangt man wegen der Selbstinduktion der Motorkreise oder genauer
dadurch, daß man die Zeitkonstante dieser Kreise nach der Zeit des Durchlaufens
des Bogens f d einrichtet, dazu, auf diesem Bogen die erforderliche Verlangsamung
des Motors zu erzielen, obgleich die Motorleistung immer noch der Bremsleistung
entgegenwirkt.
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Auf die Zeitkonstante kann man in der Weise einwirken, daß mit dem
Motor eine Selbstinduktion in Reihe geschaltet wird. Viel
einfacher
erhält man eine passende Zeitkonstante dadurch, ddß man den Widerstand des Nebenschlusses
des Ankers 14 so wählt, daß bei großer Geschwindigkeit des Motors an der Stelle
f die Wicklungen nicht gesättigt sind.
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Die Benutzung dieser Erscheinung ermöglicht es, auf dein Bogen
f d eine wirksame Bremsung mit einem Bremsmoment zu erzielen, das unterhalb
des größten Motormomentes liegt. Infolgedessen ist es möglich, ohne jeden sonstigen
Kunstgriff den Motor nach seinem Stillstand auf dem Bogen d a anzulassen.
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Der Tauchkolben 29 ist auf seinem Aufwärtshub einer Bremskraft unterworfen,
die vom atmosphärischen Druck herrührt. Diese Kraft ist offensichtlich schädlich,
da sie ja dein raschen Anlauf des Triebwerkes widerstrebt. Man kann sie aber so
klein machen, wie man will, also gegenüber der Motorkraft vernachlässigbar, indem
man den Querschnitt des Tauchkolbens verkleinert, was darauf hinausläuft, daß für
den Öldruck im Becken während der Bremsung ein hinreichend hoher Betrag gewählt
wird, nämlich praktisch 20 bis 4o kg/cm=.
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Die Nuten im Kranz der Scheibe 2 können statt mit geradlinigen radialen
Mittellinien auch anders ausgeführt sein. Wesentlich ist, daß die Rolle 9 tangential
einläuft.
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Die Rolle g kann durch einen anderen Körper, z. B. durch ein Gleitstück,
einen Nocken o. dgl. ersetzt werden.
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Die Selbstspeisung des Motors kann auch anderswie als durch zwei von
der Motorwelle betriebene Kontaktgeber erzielt werden; wesentlich ist, daß sie von
der Stellung und dem Drehsinn dieser Welle abhängt.
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Die Bremse braucht nicht mit Ü1 und einem Tauchkolben betrieben zu
werden; insbesondere könnte eine Backenbremse oder eine Bandbremse benutzt werden,
die mechanisch oder elektrisch von der Motorwelle angestellt wird; man könnte den
Motor sogar bremsen, indem man ihn als Stromerzeuger laufen läßt.
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Außer zum Antrieb von Fahrschaltern kann die erfundene Antriebsvorrichtung
auch für sonstige Zwecke verwendet werden. Sie ist überall da anwendbar, wo eine
Welle genau und rasch um einen gegebenen Winkel in beliebigem Sinn, und
zwar ein oder mehrere Schnitte in einem gegebenen Sinn, verstellt «erden
soll.