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Antriebsvorrichtung zur Erregung mechanischer, technische Arbeit leistender,
schwingungsfähiger Systeme Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung
zur Erregung mechanischer, technische Arbeit leistender, schwingungsfähiger Systeme,
und zwar unter Verwendung eines an einem Arm oder Hebel angeschlossenen Schubstangengetriebes
und Gummifedern.
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Bei den bekannten Geräten dieser Gattung dienen als Gummifedern Schwammgummipfropfen,
kegel- oder kalottenförmige massive Gummikörper, Gummibälle oder Gummilamellen.
Diese sind aber nur für relativ wenige Gebiete geeignet; denn die in der losen Kopplung
verwendeten elastischen Mittel, die sich ja dem Schwingungsvorgang anpassen sollen,
müssen im Resonanzfall bei etwa go° Phasenverschiebung ihre Energie auf relativ
großem Weg abgeben. Außerdem ließ sich nicht vermeiden, daß beim An- und Auslaufen
gelegentlich der Kurbelausschlag mit der Amplitude des schwingungsfähigen Gebildes,
im nachfolgenden kurz Schwinger genannt, um z8o° differierte und hierbei in vielen
Fällen die elastischen Koppelmittel zerstörte.
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Es gab nach denn Stande der Technik nur wenige Federn, die ihre Energie
auf so großem
Weg herzugeben vermochten, daß die sieb aus Obigem
ergebenden Bedingungen der Kopplung erfüllt waren und die Energie, die eine solche
Feder hergeben konnte, war dann in den meisten Fällen auch insbesondere zum Bau
von Resonanzmaschinen so klein, daß sich entweder die sich ergebende Frequenz oder
der sich praktisch ergebende Weg als zu klein erwies.
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Als Gummifedern sollen nun nach dem Vorschlag der Erfindung elliptisch
geformte Ringe aus Gummi (oder Gummiersatzstoffen) dienen, deren innere Fassung
mit dem einen und deren äußere Fassung mit dem anderen der aneinander angelenkten
Glieder des genannten Getriebes verbunden sind.
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Diese Feder nimmt z. B. bei Abmessungen von 140 x 16o x 22o mm, wenn
sie von der Mittellage bis zur Grenzlage ausgebogen wird, 22oo mkg Blindleistung
auf, bei einer Kraft, die am 5o cm langem Hebelarm noch 400o kg beträgt und einer
Amplitude von 36 cm an dem genannten Hebelarm. Es zeigt sich also, daß durch Federn
dieser Art nicht nur der Bau von Hochleistungsresonanzmaschinen ermöglicht wird,
sondern daß auch alle Anforderungen, die das Koppelproblem an die Leistungsübertragung
einerseits und die Durchbiegungsmöglichkeit andererseits stellt, lösbar sind.
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Darüber hinaus besteht aber noch die schon früher gefundene Bedingung
für die Kopplung, daß sie bei geringer Verlustdämpfung möglichst viel Nutzleistung
überträgt.
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In bezug auf diese Problemstellung beruht der Gegenstand der Erfindung
noch auf folgender neuen Erkenntnis: Jeder Resonanzmechanismus besteht aus zwei
in ihrem Charakter scharf voneinander trennbaren schwingenden Einzelmechanismen,
und zwar Z. aus dem koppelnden Mechanismus, der die Aufgabe hat, Energie in Form
reeller Leistung dem Schwinger zuzuführen oder zu entziehen oder von einer schwingenden
Masse zur anderen weiter zu leiten; 2. aus dem Schwinger.
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Dieser Schwinger hat ähnlich wie der Mechanismus der anderen Kraft-
und Arbeitsmaschinen die Aufgabe, einerseits die abzugebende reelle Leistung (in
mkg/sec) in eine Form zu bringen (kleiner Weg bei großer Kraft oder großer Weg bei
kleiner Kraft), die der zu leistenden praktischen Arbeit entspricht und andererseits
darüber hinaus so viel Blindleistung zu accumulieren, daß ein genügender kontinuierlicher
Arbeitsvorgang gewährleistet ist. Bezüglich einer Vergrößerung der Massen eines
Schwingers besteht somit keinerlei Beschränkung. Werden diese Organe sehr leicht
ausgebildet, so ergibt sich bei den zugehörigen federnden Organen bestimmter Abmessung
eine relativ hohe Frequenz und eine entsprechend niedrige Blindleistung. Führt man
die Massen des Schwingers sehr schwer aus, so fällt die Frequenz bei Verwendung
derselben elastischen Mittel und die Blindleistung pro Schwingung steigt.
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Soll die Frequenz trotz großer schwingender Massen relativ hoch liegen,
so müssen die elastischen Mittel eine Verstärkung erfahren, d. h. sie müssen die
stark angestiegene Blindleistung aufnehmen können.
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Es ist also dem Konstrukteur in die Hand gegeben, je nach dem zu lösenden
Problem beim Schwinger große oder kleine Massen anzuwenden.
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Bezüglich der Masse des die Antriebsvorrichtung bildenden Schubstangengetriebes
(des koppelnden Mechanismus) verhält es sich nach der vorliegenden neuen Erkenntnis
vollkommen anders. Diese Masse soll mit Rücksicht auf die entstehende schädliche
dynamische Massenwirkung möglichst niedrig gehalten werden, weil letzten Endes die
kinetische Energie dieser Masse alle nicht abgefederten vorhandenen Lager, z. B.
den mit dem Motor verbundenen umlaufenden Kurbelzapfen, kinetisch belastet und dort
Reibungsverluste hervorruft; durch die Vermeidung solcher Verluste wird aber der
Wirkungsgrad der ganzen Maschine stark vergrößert, unter Umständen sogar vervielfacht.
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Die Erfindung bezweckt daher die Dämpfung des Koppelmechanismus im
ganzen oder in seinen einzelnen Teilen im Sinne der Schwingungstechnik aperiodisch
zu gestalten. Es muß daher die Eigenfrequenz der gesamten koppelnden Anordnung und
jedes einzelnen Teiles viel höher liegen, als die Betriebsfrequenz, damit an den
vorhandenen Antriebslagern, z. B. dem erwähnten Kurbelzapfen, möglichst keine zusätzlichen
kinetischen Massenkräfte auftreten, die eine Steigerung der zu übertragenden Koppelarbeit
pro Schwingung oder pro Sekunde zur Folge haben würden, so daß die zugeführte reelle
Leistung zwecklos erhöht werden müßte und damit der Wirkungsgrad in weiten Grenzen
verschlechtert werden würde.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird allen diesen Bedingungen
auf das Beste genügt, und es wird eine Antriebsvorrichtung zur Erregung von schwingungsfähigen
Systemen geschaffen, die möglichst viel Nutzleistung bei möglichst wenig Verlustdämpfung
überträgt und die große Energie auf großem Wege herzugeben vermag.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden die bewegten Metallglieder
des Getriebes aus Werkstoffen geringen spezifischen Gewichtes hergestellt und als
Körper großer Festigkeit ausgebildet. Hierdurch wird die Übertragung kinetischer
Energie auf den Kurbelzapfen verhütet. Sie können z. B. aus Rohren elliptischen
oder kreisrunden Querschnittes hergestellt werden.
Vorzugsweise
wird so vorgegangen, daß elastische Gelenke überall dort angebracht werden, wo es
möglich ist, so daß, mit Ausnahme des Kurbellagers, die Energieübertragung ausschließlich
über elastische Gelenke erfolgt.
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Bei den bisher bekannten aus Schubstangenhebei_getrieben und Gummifedern
bestehenden Erregungsvorrichtungen wurden die in Frage stehenden Probleme nicht
gelöst. Bei allen diesen Vorrichtungen konnten entweder nicht auf großem Weg große
Kräfte übertragenwezden, oder es wurde verhältnismäßig wenig Nutzleistung bei verhältnismäßig
viel Verlustleistung übertragen.
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In den Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung
nach der Erfindung dargestellt.
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Fig. i zeigt die Antriebsvorrichtung in Verbindung mit einer einzigen
Schwingmasse =o in Seitenansicht; in Fig.2 erkennt man diese Vorrichtung von der
Stirnseite aus gesehen; Fig. 3 und q. zeigen die Antriebsvorrichtung bei einem-aus
zwei Massen 1o und zibestehenden Schwingsystem, in zwei verschiedenen Ansichten
dargestellt; in . Fig.5 und 6 ist dasselbe Prinzip veranschaulicht mit dem Unterschied,
daß die beiden Massen und damit auch die sie abstützenden federnden Lenker verschieden
dimensioniert sind, wie aus beiden Ansichten hervorgeht.
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Weitere Teilausführungen sind in den Fig. 7 bis =o veranschaulicht.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. i und 2 ist die Masse =o mittels
mehrerer federnder Lenker 12, von denen nur ein Paar dargestellt ist, abgestützt,
so daß sie lineare Schwingungen in Richtung der Pfeile ausführen kann. Der Antrieb
erfolgt in bekannter Weise unter Zwischenschaltung elastischer Mittel durch einen
umlaufenden Kurbelzapfen 25 und eine Kurbelstange 2i, gemäß der Erfindung dienen
jedoch als Gummifedern elliptisch geformte Ringe 23, 2¢ aus Gummi, deren innere
Fassung mit dem einen und deren äußere Fassung mit dem anderen der aneinander angelenkten
Glieder =o, 2o, 21 verbunden ist.
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Die elliptischen Federringe 23 und 24 übertragen hierbei mit einer
Phasenvoreilung zwischen o und go° periodisch Kräfte auf das Schwingsystem =o, i2,
und die Rückwirkung auf den Zapfen 25 übersteigt die Nutzarbeit um so weniger, je
leichter (mit je geringerer Masse) die Organe 2o und 21 konstruktiv durchgebildet
sind.
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Man muß also erfindungsgemäß die Metallglieder des verwendeten Koppelgetriebes
aus Leichtmetall oder anderen neuerdings bekanntgewordenen spezifisch leichten und
hinreichend widerstandsfähigen Werkstoffen herstellen, um dieses Ziel zu erreichen.
Man muß weiterhin erfindungsgemäß durch die Formgebung, d. h. dadurch, daß man den
übertragenden Gliedern 2o und 21 eine röhrenförmige oder sonst profilierte Gestalt,
die an sich bekannt sein kann, gibt und sie dadurch zu Körpern hohen Widerstandsmomentes
ausbildet, oder durch die Anwendung beider Mittel den dynamischen Einfluß der Massen
außerordentlich stark, d. h. soweit es möglich ist, ohne daß die Sicherheit gefährdet
wird, herabmindern.
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Ob hierbei an sich bekannte Querschnittformen oder an sich bekannte
spezifisch leichte Materialien angewendet werden, ändert am Wesen der Erfindung
nichts.
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Will man nach Fig. 3 bis 6 zwei Massen =o, =i, die durch federnde
Lenker 12, 13 abgestützt sind, gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung antreiben,
so kann dies, namentlich wenn es sich um schwere Massen und eine relativ lose Kopplung
handelt, dadurch geschehen, daß man in bekannter Weise einen doppelarmigen Hebel
2o anwendet, der an einem gehäusefesten Teil abgestützt sein kann und an dem die
Schwingmassen =o und =i mittels Gummifedern angreifen; gemäß der Erfindung sind
nun diese Federn als elliptische Gummiringe 24 und 26 ausgebildet, und der Hebel
2o ist über ein ebensolches Gelenk 23 mit der Stange 2i verbunden und wird durch
die Kurbel 25 in hin und her gehende Bewegungen versetzt.
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E,in besonders gleichmäßiges An- und Auslaufen der Maschine erzielt
man, wenn man eine Anordnung nach Fig. 7 wählt, weil durch diese Anordnung der Federring
30 in einem Schwingungsknoten liegt.
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Namentlich bei schwingungsfähigen Gebilden, die eine relativ große
Dämpfung, also wenig überschüssige Blindleistung aufweisen, muß man, um den Massenausgleich
zu erzwingen, nach Fig. 5 und 6-vorgelien, d. h. man muß von vornherein durch Berechnung
der Lage des Schwingungsknotens 3o diesen festlegen, so daß sich der gesamte Koppelmechanismus
um diesen Knoten so bewegt, daß die leichte Masse =o einen entsprechend großen,
die schwere Masse =i einen entsprechend kleinen Weg zurücklegt. Beide Massen werden
dann durch den Kurbelmechanismus 25, 21, 23 und 2o exakt um den Knoten 30, von der
Schwingungszahl Null beginnend, bewegt, und die Kraft- und Massenwirkung beider
Massen in bezug auf das im Schwingungsknoten angeordnete Gelenk 30 ist genau
ausgeglichen.
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In Fig. 8 ist ein Mechanismus zur Darstellung gebracht, der den kompliziertesten
Verhältnissen Rechnung trägt. Diebeiden schwingenden Massen =o und ii sind hier
verschieden groß und schwingen um einen im Schwingungsknoten zwischen Spitzen o
oder Torsionsfedern gelagerten Gelenkzapfen. Hierbei entsteht eine Phasenverschiebung
von 18o' zwischen den
beiden Massen io und ix nicht nur im normalen
Betrieb, sondern auch beim Anlaufen und beim Ausklingen des Schwingungsvorganges.
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Diese 18o'-Phasenverschiebung, d. h. also der Massenausgleich, wird
gewährleistet durch den doppelarmigen Hebel2o, der in dem festliegenden Knotenpunkt
o gelagert ist und an dem die Massen io bzw. ii mittels der bei 24 und 26 angebrachten
elliptischen Gummiringe angreifen. An dem bei o gelagerten Gelenkzapfen greift ferner
mittels elliptischer Gummiringe das gabelförmig ausgebildete Kopplungsglied 33 an.
Die lose Kopplung 25, 21, 23, 33 ist also einerseits, nicht unmittelbar, mit dem
zum Massenausgleich dienenden Hebel 2o verbunden, wie bei Fig. 5, und überträgt
andererseits ihre erregenden schwingenden Kräfte auf den Schwinger, ohne den Massenausgleich
zu stören, weil j a die Drehachse der zur Übertragung dienenden elliptischen Gummifeder
mit dem Schwingungsknoten zusammenfällt.
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Da die elastischen Gelenke, abgesehen von geringfügigen Hysteresisverlusten,
die meist in der Größenordnung von 5 °(o verlaufen, keinerlei Reibungsverluste aufweisen,
so arbeitet der Koppelmechanismus als solcher nahezu verlustlos.
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Für die Gesamtanordnung kommt allerdings der Reibungsverlust im Kurbelzapfen
25 des Antriebsmotors (Elektromotors) hinzu.
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Diese Verluste können auf dem angegebenen Weg natürlich nicht beseitigt
werden, da es sich um ein umlaufendes Lager handelt. Sie liegen aber auch abseits
des Schwingungsgebietes; man kann sich aber schon heute vorstellen, daß in einem
späteren Stadium auch die Antriebsmotoren schwingende Motoren sein können und daß
bei einem solchen Antrieb auch der Kurbelzapfenverlust wegfällt.
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Die elastische Abstützung der Massen io und ii ist in Fig. 8 nicht
zeichnerisch dargestellt. Sie kann durch Lenkerfedern nach Fig. i bis 6 oder auch
in anderer an sich bekannter Weise vorgenommen werden. Da auch hier nur Hysteresisverluste
dämpfend zu wirken vermögen, so erkennt man, daß die beschriebenen und dargestellten
Mechanismen sich tatsächlich dem Idealmechanismus in bezug auf Verlust und Wirkungsgrad
stärker nähern.
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Es ist selbstverständlich, daß bei der Mannigfaltigkeit der praktischen
Anwendungsgebiete auch andere Kombinationen im Rahmen der Patentansprüche vorgeschlagen
werden können. Das Prinzip, grundsätzlich elliptische Gummiringe zur losen Kopplung
schwingungsfähiger Gebilde zu verwenden, wird jedoch durch Änderung der einzelnen
Kombinationen in seinem Wesen nicht berührt.
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Ebenso ändert es nichts am Wesen der Erfindung, wenn die angewendeten
Metallglieder des Getriebes durch an sich bekannte Mechanismen, wie in Fig. 9 und
io gezeigt, verlängert oder verkürzt werden, um dadurch die Kraft-und Wegwirkung
der Kopplung unabhängig von der Frequenz zu ändern. Selbstverständlich ist es auch
gleichgültig, ob in einer Kombination die äußere Fassung des elliptischen Gummiringes
festgehalten und die innere bewegt wird, oder umgekehrt, oder ob schließlich beide
gegeneinander bewegt werden.
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Schließlich muß noch darauf hingewiesen werden, daß, wenn nach Fig.8
ein relativ verlustlos arbeitender Ausgleichmechanismus 2o mit elliptischen Gummiringen
in Verbindung mit der losen Kopplung 21, 23, 33 verwendet wird, bei Maschinen von
großer Länge, wie Schüttelrutschen oder langen Sieben, außerdem noch andere den
Massenausgleich sichernde doppelarmige Hebel ohne Verbindung mit einer losen Kopplung
verwendet werden können, d. h. also, daß diese zusätzlichen Massenausgleichsvorrichtungen
auch grundsätzlich von den Koppelvorrichtungen getrennt werden können, ohne am Wesen
der Erfindung etwas zu ändern.