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Einrichtung zur Geschwindigkeitsregelung mittels Reibung Die Erfindung
besteht in einer Vorrichtung zur Drehzahlregelung mittels Flüssigkeitsreibung, bei
der die zu regelnde Welle eine Regelscheibe trägt und ihre Drehzahl durch Veränderung
des Abstandes zwischen der Regelscheibe und parallel dazu liegenden Gegenflächen
erfolgt. Die Regel- und Gegenflächen befinden sich in einem mit Flüssigkeit gefüllten
Gehäuse, so daß bei Drehung einer dieser Flächen die Flüssigkeit durch die Oberflächenreibung
mitgenommen wird. Hierbei nimmt die Geschwindigkeit innerhalb der bewegten Schicht
unter dem Einfluß der Flüssigkeitszähigkeit mit. der Entfernung von der ruhenden
Fläche zu.
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Es entsteht daher bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit der bewegten
Fläche durch deren Annäherung an die ruhende Fläche ein zunehmendes Drehmoment oder
bei gleichbleibendem Drehmoment eine abnehmende Drehgeschwindigkeit. Die Regelscheibe
kann daher als Bremsscheibe dienen, die die Drehzahl der zu regelnden, von einem
besonderen Antrieb anzutreibenden Welle je nach dem Grade des Abstandes von der
feststehenden Gegenfläche, die zweckmäßig von einer Wand des Flüssiglseitsgehäuses
gebildet wird, abbremst. Es kann aber auch das Flüssigkeitsgehäuse mit der Gegenfläche
von einer Antriebswelle in Umdrehung versetzt und dadurch die dann als Antriebsscheibe
dienende Regelscheibe mit einer bei deren Annäherung an die Gegenfläche zunehmenden
Geschwindigkeit mitgenommen werden. Noch größere Geschwindiglceitsunterschiede innerhalb
der bewegten Flüssigkeit und daher eine noch schärfere Regelbarkeit wird mit einem
gegebenen Regelspielraum erreicht, wenn die Regelscheibe zwischen einer von außen
angetriebenen und einer ruhenden Gegenfläche angeordnet wird.
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Umdrehungsregeleinrichtungen sind in der Form bekannt, daß das Auslenken
von sich drehenden Fliehkörpern durch die Fliehkraft bei einer bestimmten, durch
Kompensation der Fliehkraft zu regelnden Geschwindigkeit feste Gleitflächen mit
solcher Anpressung in gegenseitige Berührung bringt, daß das erzeugte Bremsmoment
dem Antriebsmoment der Fliehkörperwelle das Gleichgewicht hält.
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Da bei der vorgegebenen Geschwindigkeit nur ein bestimmter Anpressungsdruck
und somit nur ein bestimmtes Bremsmoment erzielt wird, so erfordert diese Regelung
durch feste Gleitflächen die Anwendung eines bei der einzuregelnden Geschwindigkeit
gleichbleibenden Antriebsmoments, z. B. den Antrieb durch ein Gewicht wie bei Laufwerken.
Ein weiterer Mangel dieser Anordnung ist, daß das von den festen Flächen erzeugte
Reibungsmoment seinerseits nur bei gleichbleibendem Zustand der Gleitflächen gleichbleibt
und daß jede
Änderung dieses Zustandes den eingeregelten Geschwindigkeitswert
ändert. Ein Verschleiß der Gleitflächen ändert außerdem nicht nur den wirksamen
Hebelarm der Bremskraft, sondern durch die eintretende Fliehkörperverstellung auch
die Bremskraft selbst und damit den eingeregelten Geschwindigkeitswert. Die Geschwindigkeitsregelung
durch Reibung fester Gleitflächen hat ferner den wesentlichen Nachteil, daß der
zur Erzeugung der Reibkraft erforderliche Anpressungsdruck von den Fliehkräften
ausgeübt werden muß, so daß diese letzteren für andere, z. B. für Meßzwecke, nicht
voll und scharf verfügbar bleiben. Diese Nachteile und Beschränkungen entfallen
bei der erfindungsgemäßen Anwendung der Flüssigkeitsreibung.
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Diese Reibung und besonders die laminare Flüssigkeitsreibung ist
dadurch ausgezeichnet, daß bei geringster Änderung des Reibflächenabstandes äußerst
stark und gesetzmäßig veränderliche Kupplungskräfte und Drehgeschwindigkeitsänderungen
erzeugt werden. Bei turbulenter Reibung ist die Abhängigkeit dieser Faktoren vom
Abstand der Reibflächen dann besonders groß, wenn der Abstand der Rauhigkeitserhebungen
ein bestimmtes Maß besitzt, d. h. wenn die wirksamste Rauhigkeitsverteilung gewählt
wird.
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Ferner wird bei der Flüssigkeitsreibung die Änderung des Abstandes
mit geringstem Steuerwiderstand erzielt, da ein Flüssigkeitsvolumen einer Veränderung
seiner Gestalt im allgemeinen keinen Widerstand entgegensetzt.
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Es sind zwar bereits Vorrichtungen zur Drehzahlmessung mit Hilfe
von Flüssigkeitsreibungskräften bekannt, bei denen diese durch mit der Welle sich
drehende Reibflächen und zu ihr parallel liegenden Gegenflächen erzeugt werden.
Die Gegenflächen sitzen auf einer Zeigerwelle und verstellen durch die auf sie übertragenen
Reibungskräfte den Zeiger entgegen der rückwirkenden Kraft von Federn um einen bestimmten
Winkelwert, der ein Maß für die Drehzahl bildet. Die Wirkung dieser Vorrichtung
hat einen konstanten Abstand zwischen Reibflächen und, Gegenflächen zur Voraussetzung.
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Bei einer solchen bekannten Vorrichtung zur Drehzahlmessung ist zwar
dieser Abstand veränderbar, um die Reibungskräfte für die Zwecke der Einjustierung
des Gerätes vor Inbetriebnahme einstellen zu können. Während des Gebrauches für
die Drehzahlmessung muß aber auch hierbei der Abstand zwischen Reibfläche und Gegenfläche
konstant bleiben.
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Gegenüber diesen bekannten Vorrichtungen zur Drehzahlmessung behandelt
die Erfindung ein Gerät, bei dem die Flüssigkeitsreibung nicht zur Drehzahlmessung,
sondern zur Drehzahlregelung ausgenutzt wird und bei dem die Änderung des Reibflächenabstandes,
d. h. ein ständiges Beeinflussen oder Überwachen des Abstandes während des Betriebes,
das Wesen dieser Regelung ist.
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Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung ist anwendbar, wenn die Drehzahl
einer Welle auf einen konstanten Wert gehalten oder auf einen bestimmten Wert eingeregelt
werden soll. Ein wichtigeres Anwendungsgebiet sind die Meßgeräte nach der Kompensationsmethode,
bei denen bekanntlich die eigentliche Meßkraft mit Hilfe einer Steuereinrichtung
durch eine entgegengesetzt wirkende Kraft (die Kompensationskraft) ausgeglichen
wird und diese Kompensationskraft bzw. mit ihr zusammenhängende Größen als Maß für
den gesuchten Meßwert dienen. Bei solchen Kompensationsmeßgeräten kann die erfindungsgemäße
Regelvorrichtung mit Vorteil als Steuereinrichtung für die Nachsteuerung der Kompensationskraft
dienen.
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In den Figuren der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt,
aus deren Beschreibung die genauere Wirkungsweise der Erfindung hervorgeht. Es zeigt
Fig. I eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung, Fig. 2 die Benutzung der Erfindung
als Nachsteuereinrichtung für ein Meßgerät nach der Kompensationsmethode; Fig. 3
und 4 stellen Verbesserungen an der Regelvorrichtung dar, die zur Erhöhung der Genauigkeit
dienen.
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In Fig. I ist die zu regelnde Welle mit I bezeichnet, die in dem
Lager 2 gelagert ist und mittels des auf ihr aufgekeilten Stirnrades 3 angetrieben
wird. Mit der als Hohlwelle ausgebildeten Welle 1 dreht sich die Innenwelle 4, die
relativ zur Welle 1 axial verschiebbar ist. Am unteren Ende der Innenwelle 4 sitzt
die Regelscheibe 5, die in diesem Ausführungsbeispiel die Bremsscheibe eines Flüssigkeitsreibungsgerätes
bildet. Zu dem Flüssigkeitsreibungsgerät gehört das Gehäuse 6, das die Bremsscheibe
5 umschließt und mit Flüssigkeit gefüllt ist. Die zum Regeln der Drehgeschwindigkeit
dienende Reibung wird zwischen der nach unten gekehrten Fläche der Bremsscheibe,
der Regelreibfläche R und der dieser parallel gegenüberliegenden Gegenfläche B des
Gehäuses 6 erzeugt. Die Größe der Reibungskraft ist im wesentlichen durch den Abstand
v der beiden Flächen R und B bestimmt. Wird die Innenwelle 4 axial nach unten verschoben,
so wird die Reibungskraft größer, und die Drehgeschwindigkeit der Welle 4, also
auch der Welle I, fällt ab. Bei größer werdendem Abstand v tritt die entgegengesetzte
Wirkung
ein. Die Steuerung des Reibflächenabstandes v zum Zwecke
der Geschwindigkeitsregelung geschieht nun so, daß durch Steuern der Innenwelle
4 die Regelreibfläche R der ruhenden Gegenfläche B so weit genähert wird, daß das
Antriebsmoment der zu regelnden Welle I durch das entstehende Bremsmoment der Einrichtung
kompensiert ist. Die Regel- und Gegenreibflächen können glatt ausgebildet sein,
damit laminare Reibung mit Reibkräften erhalten wird, deren Größe mit der Abstandsänderung
der Reibflächen besonders stark veränderlich ist. Soll die Bremskraft durch turbulente
Reibung erzielt werden, so werden die Flächen mit günstigster Rauhigkeitsverteilung
ausgebildet, damit die der Iiauhigkeitserhebung zugeordnete Reibungskraft möglichst
groß wird.
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Der Vorteil dieser Regelung durch die Flüssigkeitsreibung besteht
besonders darin, daß sie ohne Anpressungsdruck, d. h. ohne merkliche Verstellkräfte,
erzeugt wird. Die zur Steuerung der Regelreibfiächen erforderlichen Verstellkräfte
sind selbst bei zähen Flüssigkeiten verschwindend gering, wenn nicht zu schnelle
Steuerbewegungen ausgeführt werden.
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Die Steuerung der Innenwelle 4 erfolgt gemäß weiterer Ausbildung
der Erfindung durch einen Fliehkraftregler, der auf der zu regelnden Welle I sitzt.
Er besteht aus dem Hebelarm 7 und den beiden Gewichten 8 und 9 und wirkt durch eingreifende
Nasen 10 so auf die Innenwelle 4 ein, daß der bei der Drehung oder Drehzahlsteigerung
eintretende Fliehkörperausschlag die Regelfläche R der Bremsfläche B nähert. Andererseits
hat die Druck feder II, die sich gegen einen auf der Welle I angeordneten Bund I2
und einen auf der Welle 4 angeordneten Bund 13 abstützt, das Bestreben, den Abstand
v zwischen der Regelfläche und der Bremsfläche zu vergrößern.
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Die nach oben wirkende Kraft der Feder II wird durch die nach unten
wirkende Kraft des Fliehkraftreglers kompensiert, und zwar wird durch diese Anordnung
erreicht, daß die Regelreibfläche auf die der kompensierten Fliehkraft zugehörigen
Drehgeschwindigkeit abgebremst wird, so daß die letztere oder die Fliehkraft selbst
auf einen bestimmten Wert eingeregelt wird, der durch die Druckkraft der Feder II
bestimmt ist. Durch diese Anordnung wird also erreicht, daß die Drehzahl der Welle
I auf einen bestimmten Wert gehalten wird, auch wenn sich die auf die Welle I zu
übertragenden Drehmomente ändern. Will man eine Änderung der Drehzahl vornehmen,
so müßte die Anordnung so getroffen werden, daß die Spannkraft der Feder geändert
werden kann. Entsprechend der eingestellten Spannkraft wird dann die Drehzahl der
Welle 1 auf den zugehörigen Wert eingeregelt.
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Die Wirksamkeit der Vorrichtung ist abhängig von der verfügbaren
Reibungskraft.
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Da die erzeugten Reibungskräfte immer gering sein werden, ist der
Drehzahlregler nach Fig. I nur da anwendbar, wo es sich um geringe Drehmomente handelt.
Mit Rücksicht auf die durch die Reibung entstehenden Verluste wird man die Anordnung
vorteilhaft nur dann anwenden, wenn der Wirkungsgrad keine Rolle spielt.
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Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung ist aber in hervorragendem
Maße geeignet als Nachsteuereinrichtung für Meßgeräte nach der Kompensationsmethode.
Energieverluste fallen hierbei infolge der geringen Größe der zu übertragenden Leistungen
nicht ins Gewicht; dagegen ist außerordentlich vorteilhaft die Eigenschaft der Vorrichtung,
die Regelwirkung mit geringen Verstellkräften und geringen Verstellwegen zu erzielen.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für dieses Anwendungsgebiet.
Um die Empfindlichkeit der Regelwirkung zu vergrößern und mit Rücksidit auf die
Verwendung für Meßzwecke ist hier die Regelfläche zwischen einer von außen angetriebenen
Gegenfläche =4 und einer ruhenden Gegenfläche B angeordnet. Die Welle I ist wieder
hohl ausgebildet und enthält axial verschiebbar die Innenwelle 4, auf der die Regelscheibe
5 sitzt. Letztere dient in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Antriebsscheibe
für die auf die Welle 1 zu übertragenden Kompensationsdrehmomente.
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Zu diesem Zwecke sitzt das mit Flüssigkeit gefüllte Gehäuse 6 jetzt
fest auf einer besonderen Antriebswelle I6. Die der unteren ReibflächeR2 der Regelscheibe
5 gegenüberliegende Fläche 24 des Gehäuses dient als Antriebsfläche, die der oberen
Reibfläche Rt dieser Scheibe gegenüberliegende feststehende Fläche B einer Scheibe
14 als Bremsfläche.
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Die Scheibe 14 ist auf einem in das Gehäuse 6 hineinragendetn Rohr
Ißa befestigt, das in dem Tragbock 15 gehaltert ist.
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Die Geschwindigkeit der beim Antriebe von Fläche A in Drehung versetzten,
zwischen A und B befindlichen Flüssigkeitsschicht nimmt innerhalb der Schicht von
der Antriebsgeschwindigkeit der Fläche =4 auf die Geschwindigkeit O an der BremsflächeB
ab.
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Entsprechend ändert sich auch die Drehgeschwindigkeit der von der
Flüssigkeitsreibung an den Oberflächen Ri und R2 mitgenommenen Regelscheibe 5 je
nach deren Stellung zwischen den Flächen A und B, also in Abhängigkeit von den von
Welle 4 gesteuerten Abständen v2 und vt von diesen Flächen.
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Durch Steuerung dieser Abstände wird andererseits für eine gegebene
Drehgeschwindigkeit
das durch die Flüssigkeitsreibung übertragene
Drehmoment weitgehend verändert, da sich Flüssigkeitsreibungskräfte im umgekehrten
Verhältnis wie die Abstände der reibenden Fläche ändern. Diese Änderung ist um so
größer, als mit der Zunahme der Antriebsreibungskräfte an der Regeifläche R2 eine
Abnahme der Reibungswiderstände an der Regeifläche R1 verbunden ist, und umgekehrt.
Die Welle I6 kann dabei mit wechselnder Drehzahl angetrieben werden, soweit nur
diese so hoch bleibt, daß ihr Unterschied gegenüber der einzuregelnden Drehzahl
groß genug ist, um die für das Antriebsdrehmoment erforderliche Flüssigkeitsreibung
zu erzeugen. Unter dieser Bedingung ist eine genaue Einregelung der Drehzahl der
Welle I bzw. 4 auf den der zu messenden Kraft zugehörigen Wert möglich.
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Während im Beispiel der Fig. I die Fliehkraft zur Kompensation eines
konstanten Federdruckes dient, soll bei der ion Fig. 2 gezeigten Anordnung die Fliehkraft
zur Kompensation einer zu messenden veränderlichen Kraft P dienen. Zu diesem Zweck
wirkt die Kraft P über den im Drehpunkte I8 gelagerten Hebel 17 auf die Steuerwelle
4 nach unten. Die durch den Fliehkraftregler 7, 8, 9 erzeugte Kraft soll diesen
nach unten gehenden Druck kompensieren, muß also das Bestreben haben, die Steuerwelle
4 anzuheben.
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Demgemäß ist die Anordnung des Fliehkraftreglers mit nach oben weisenden
Gewichten getroffen worden, so daß eine nach oben gerichtete Steuerkraft erzeugt
wird. Wirkt nun auf den Hebel 17 eine zu messende Kraft P ein, so nimmt die Drehzahl
der Welle 4 bzw. I einen solchen Wert ein, daß dieser Druck gerade ausgeglichen
wird. Die Drehzahl der Welle 4 ist dann immer ein eindeutiges Maß für die zu messende
Kraft P. Ist die Kraft P der auf eine Meßdose wirkende Staudruck einer bewegten
Flüssigkeit, so ist, da zwischen dem Staudruck und der Strömungsgeschwindigkeit
wie auch zwischen der Fliehkraft und der Drehgeschwindigkeit eine feste quadratische
Beziehung besteht, die Drehgeschwindigkeit unmittelbar der Strömungsgeschwindigkeit
und für gleiche Zeiten die Drehzahl dem Strömungsweg proportional.
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Durch den Ausschlag der Fliehkörper 8 und g wird der Radius, an dem
die Fliehkräfte angreifen, etwas geändert. Man kommt im allgemeinen mit so geringen
Steuerbewegungen aus, daß der dadurch auftretendeFehler zu vernachlässigen ist.
Es ist jedoch möglich, die Regelung noch genauer zu treffen und die eingeregelten
Werte enger zu begrenzen, indem diese Änderung der Fliehkraft infolge Änderung des
wirksamen Hebelarmes durch entgegengesetzt wirkende Kräfte von Gegenfliehkörpern
kompensiert wird. Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für diese Verbesserung. Auf
der Welle I sitzt wiederum der Tragrahmen 7 für die beiden Fliehkörper 8 und 9.
Durch die Nase 10 werden die Fliehkräfte auf die Innenwelle 4 übertragen und diese
dadurch nach unten gesteuert.
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Diese nach unten wirkende Steuerkraft hat unter der Voraussetzung
eines gleichbleibenden Radius für die Fliehkörper einen bestimmten Wert S. Infolge
Ausschlages der Fliehkörper um einen kleinen Winkel d a wird der Radius etwas vergrößert
Das hat infolge der zusätzlichen Umfangsgeschwindigkeit eine dem Winkel d a proportionale
Vermehrung der Steuerkraft um den Betrag AS zur Folge. Zur Kompensation dieser Störkraft
ist folgende Anordnung getroffen: Auf dem auf dem Gebelarm 7 angeordneten Lagerbock
19 ist eine Achse 20 vorgesehen, die die Drehachse für einen Hebelarm 2I bildet,
der an seinem freien Ende das als Gegenfliehkörper dienende Gewicht 22 trägt. Der
Hebel 21 ist durch eine durch seine Mitte gehende Achse 23 mit der Steuerwelle 4
gekuppelt und ermöglicht damit'ebenfalls das Ubertragen einer Steuerkraft auf die
Regelscheibe der zu regelnden Welle 1. Wie aus der Figur ersichtlich, hat der Hebel
21 eine um den kleinen WinkeI fl geneigte Lage.
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Die durch den Gegenfliehkörper 22 erzeugte Fliehkraft G wirkt an
einem senkrechten Hebelarm a # ß (a = Länge des Hebels 21, ß = Neigungswinkel im
bogenmaß gemessen) und erzeugt eine an dem waagerechten Hebela arm a2 wirksame Verstellkraft
R an der Welle 4. Die Größe der VerstellkraftK ergibt sich aus der Drehmomentengleichung
G # a # ß = K # α/2, so d+ß K= G.2ß ist.
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Wird nun durch eine Drehzahländerung der Welle 4 eine Verstellung
der Fliehkörper 8 und 9 und damit der Welle 4 hervorgerufen, so ändert sich die
Neigung des Hebels 21 um dß und dementsprechend die Verstellkraft K um den Betrag
0 2 dß. Andererseits ändert sich aber auch die auf die Welle 4 einwirkende Verstellkraft
5 der Fliehkörper 8 und 9.
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Diese Kraft S wird an dem Hebelarm r ausgeübt und durch das am Hebelarm
b wirkende Moment der Fliehkraft C der Körper 8 und 9 so erzeugt, daß S= C. bir
ist. Einer Ausschlagänderung A dß des Gegenfliehkörpers 22 entspricht eine Ausschlagänderung
der Körper 8 und 9 um den Winkel a, derart, daß gleiche Verschiebungen der Welle
4 entstehen, d. h. # α # γ = # ß # α/2 ist. Die Änderung der Verstellkraft
AS ist nun = A C. bir. Die
Fliehkraftänderung A C ist aber proportional
b Aß und daher AS proportional dß. Es ändern sich also die Verstellkräfte sowohl
des Gegenfliehkörpers 22 wie der Fliehkörper 8 und g proportional der Winkeländerung
aus.
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Diese Winkeländerung läßt nun entgegengesetzt gerichtete Änderungen
der Verstellkräfte entstehen, indem die Fliehkraft G des Gegenfliehkörpers 22 die
Welle 4 nach oben, die Fliehkraft C der Fliehkörper 7 und 8 jedoch nach unten zu
schieben versucht. Die durch die Änderungen der Fliehkörperausschläge entstehenden
Verstellkräfte heben sich also jeweils gegenseitig auf, wenn die Massen und Hebelarme
der beiden Systeme einander passend zugeordnet werden. Zur besseren Auswuchtung
empfiehlt es sich, den von der Achse 20 ausgeübten Lagerdruck durch die Fliehkraft
eines auf ihr angebrachten Körpers 24 auszugleichen.
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Fig. 4 zeigt eine andere Verbesserung der Regelvorrichtung, die darin
besteht, daß die Verstellkräfte noch geringer sind bzw. eine Rückwirkung der Verstellkräfte
auf die Steuer- bzw. Kompensationskräfte ganz vermieden wird. Das Wesen dieser neuen
Anordnung besteht darin, daß die Steuerkräfte nicht direkt die Regelreibfläche verstellen,
sondern unter Zwischenschaltung eines Reibscheibengetriebes, deren eine Scheibe
durch den Steuerausschlag um ihre Berührungsnormale geschwenkt wird und dadurch
die auf der zu regelnden Welle sitzende Gegenscheibe axial verschiebt. Fig 4a zeigt
diese Anordnung im Aufriß, Fig. 4b ist eine Draufsicht auf das Reibscheibengetriebe.
Auf der Innenwelle 4 sitzt die mit ihr rotierende Reibscheibè 25. Auf ihrem Umfange
läuft die um ihre Berührungsnormale n-n schwenkbare Scheibe 26. Die beiden Scheiben
25 und 26 bilden das Reibscheibengetriebe. Durch Schwenken der Scheibe 26 mit einer
beliebig kleinen Steuerkraft, die am Hebel 27 angreift, kann die Scheibe 26 aus
der Querschnittsebene der Scheibe 25 geschwenkt werden, was eine Axialverschiebung
der Scheibe 25 und der Welle 4, also eine Änderung des Reibflächenabstandes, zur
Folge hat.
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Soll die Vorrichtung nach Fig. 4 als Nachsteuervorrichtung für ein
Kompensationsmeßgerät dienen, so läßt man die regelnde Kraft an dem Hebel 27 angreifen.
Die Kompensation kann durch irgendeine geeignete Gegenkraft, z. B. durch die Fliehkräfte
eines Fliehkraftreglers gemäß Fig. I oder 2, erfolgen, wobei die Welle 4 mit der
Welle I wieder verschiebbar gekuppelt ist.