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Drehmomentregler Um Regelgetriebe, die während des Laufes regelbar
sind, z. B. stufenlos regelbare Reib- oder Ölgetriebe, selbsttätig zu regeln, bedient
man sich verschiedener Vorrichtungen. Sehr häufig werden hierzu Kurvenscheiben verwendet,
die mit einer zweckmäßigen Vorrichtung die Regelgetriebe derart verstellen, daß
die Drehzahl einer getriebenen Welle den jeweiligen Erfordernissen angepaßt ist.
Diese Art der Regelung erfordert eine umständliche Ermittlung der Kurvenscheibe.
Soll z. B. Tuch bei gleichbleibender Warengeschwindigkeit aufgewickelt werden, so
muß sich die Aufwickelwalze anfangs, solange noch wenig Tuch aufgewickelt ist, schnell
drehen. Je größer jedoch der aufzuwickelnde Tuchballen wird, desto langsamer muß
sich die getriebene Welle des Regelgetriebes drehen. Nach diesem Beispiel kann auch
eine Rolle, die auf dem Außendurchmesser der Ware abrollt, durch ein zweckentsprechendes
Gestänge das Getriebe derart regeln, daß beim Größerwerden des Tuchballens das Getriebe
langsamer läuft, so daß die Ware stets mit derselben Geschwindigkeit und mit demselben
Warenzug aufgewickelt wird. Auch diese Art der Regelung bedingt genaues Ausprobieren,
da die Drehzahl der Aufwickelwalze genau dem entsprechenden Warendurchmesser angepaßt
werden muß.
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Die Erfindung soll das automatische Regeln eines während des Laufes
regelbaren Getriebes vereinfachen. Ausgegangen wird hier von folgendem Grundsatz:
Die Antriebswelle überträgt eine gewisse Leistung. Diese Leistung entspricht einem
stetig zu haltenden Drehmoment und einer stetigen Drehzahl. Die Abtriebswelle des
Getriebes soll theoretisch dieselbe Leistung abgeben, nämlich bei veränderlichem
Drehmoment soll sich gleichzeitig die Drehzahl ändern.
In Abb. I
ist eine solche automatische Regelvorrichtung im Prinzip gezeichnet. Eine Reibscheibe
I sitzt auf einer Welle 2 und ist in den Lagern 3 und 4 gelagert. Ein als Regelmutter
ausgebildetes Reibrad 5 sitzt auf einer Welle 6, die mit einem Steilgewinde mit
einem oder mehreren Gängen versehen ist, derart, daß das Reibrad 5 sich auf der
Welle 6 unter spiraler Drehung verschieben kann. Ein Bügel 7 zieht über ein Seil
8 eine Umlenkrolle 9 mittels eines Gewichtes Io das Reibrad 5 nach links. Die Welle
6 ist in Lager II und I2 derart gelagert, daß das Reibrad 5 gegen die Reibscheibe
I gedrückt wird, so daß bei Drehung des Reibrades 5 die Reibscheibe I ebenfalls
in Drehung versetzt wird. Der Motor I3 stellt einen Antrieb dar für die Welle 6.
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Hat nun beispielsweise das Steilgewinde der Welle 6 eine Rechtssteigung
und dreht sich diese Welle ebenfalls nach rechts, dann hat das Reibrad 5, wenn es
einen Widerstand zu überwinden hat, das Bestreben, nach rechts zu wandern. Wird
nun durch das Gewicht Io über den Bügel 7, Seil 8, Umlenkrolle 9 das Reibrad 5 gehindert,
nach rechts zu wandern, dann ist das Reibrad 5 in der Lage, ein bestimmtes maximales
Drehmoment zu übertragen, das genau errechnet werden kann aus dem Durchmesser des
Reibrades 5, dem Steigungswinkel des Steilgewindes der Welle 6 und dem Gewicht Io.
Setzt nun die Reibscheibe I dem Reibrad 5 einen wachsenden Widerstand entgegen,
so daß das Drehmoment an dem Reibrad 5 über das Höchstmaß hinausgeht, so wandert
das Reibrad 5 nach rechts, und zwar so lange, bis der Berührungspunkt der Reibscheibe
I mit dem Reibrad 5 auf der Reibscheibe I so weit nach rechts verlagert ist, daß
das nunmehr größere Drehmoment der Reibscheibe I in der Lage ist, den wachsenden
Widerstand zu überwinden. In diesem Fall verlangsamt sich die Drehzahl der Reibscheibe
I, und zwar theoretisch in dem Verhältnis, daß Drehzahl multipliziert mit Drehmoment
der Reibscheibe I gleich der Drehzahl multipliziert mit Drehmoment des Reibrades
5 ist. Umgekehrt jedoch, wenn der Widerstand der Reibscheibe nachläßt, wandert das
Reibrad 5 wieder zurück nach links, ebenfalls so lange, bis der Berührungspunkt
der Reibscheibe I mit dem Reibrad 5 dieses neue, kleinere Drehmoment der Reibscheibe
I dem neuen, verringerten Widerstand angepaßt ist. Soll nun das Drehmoment des Reibrades
5 verändert werden, dann braucht nur das Gewicht Io verändert zu werden.
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An Stelle des Bügels 7, des Seiles 8, der Umlenkrolle 9 und des Gewichtes
Io kann auch eine beliebige andere Vorrichtung angewandt werden, die geeignet ist,
das Reibrad 5 mit gleichbleibender Kraft von rechts nach links zu drücken oder zu
ziehen. Sollte jedoch aus irgendeinem Grund das Drehmoment des Reibrades 5 veränderlich
sein, so kann dies durch entsprechende Vorrichtungen sehr leicht erreicht werden.
Soll z. B. das Drehmoment des Reibrades 5 bei der Bewegung von rechts nach links
wachsen, so kann beispielsweise an Stelle der Umlenkrolle 9 und des Gewichtes Io
eine gewöhnliche Zugfeder angebracht werden, die die Eigenschaft hat, daß ihre Spannkraft
größer wird, je mehr sie auseinandergezogen wird.
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Im praktischen Fall ist bei der Anordnung des Reibgetriebes nach Abb.
I der Regelbereich beschränkt; denn es ist unmöglich, das Reibrad 5 beliebig nahe
am Mittelpunkt der Reibscheibe I angreifen zu lassen. Reicht nun der Regelbereich
bei dieser Anordnung nicht aus, dann können auch zwei Regelgetriebe, die in Abb.
2 dargestellt sind, hintereinandergeschaltet werden. Bei Abb.2 sitzt die Reibscheibe
I auf einer Welle I4, die ebenfalls wie die Welle 6 ein Steilgewinde hat. Auf dieser
Welle sitzt genau wie in Abb. I ein Reibrad I5, das mittels eines Bügels 2o, eines
Seiles 2I, einer Umlenkrolle 22 und eines Gewichtes 23 nach links gezogen wird.
Eine zweite Reibscheibe I6 ist auf einer Welle I7 befestigt, die in den Lagern I8
und I9 gelagert ist. Hört nun bei der Reibscheibe I die Regelbarkeit auf, d. h.
ist durch den wachsenden Widerstand dieser Reibscheibe das Reibrad 5 bis zum Endpunkt
24 ( im Bild nach oben) gewandert, dann fängt sofort das Reibrad I5 an, weiter zu
regeln. In diesem Fall muß aber das Gewicht 23 um ein Vielfaches größer sein als
das Gewicht Io Ist z. B. der Regelbereich der Reibscheibe I = I:3, dann muß das
Gewicht 23 dreimal größer sein als das Gewicht Io, wenn das Reibrad I5 erst zu regeln
anfangen soll, wenn das Reibrad 5 am Ende des Regelbereiches ist. Ist jedoch das
Gewicht Io dreimal größer als das Gewicht 23, so regelt zuerst das Reibrad I5 bis
in seine Endstellung und anschließend das Reibrad 5. Sind die Gewichte Io und 23
gleich oder nicht im richtigen Verhältnis verschieden, dann ist die Regelung unrichtig,
Auf dieselbe Art können, wie in Abb. 2 angedeutet, beliebig viele Regelgetriebe
hintereinandergeschaltet werden.
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Abb. 3 deutet ein anderes Regelgetriebe an, das jedoch im wesentlichen
dem vorigen entspricht. Hier ist ein als Regelmutter ausgebildetes Reibrad 25 auf
einer Welle mit Steilgewinde 26 und versetzt die Kegelscheibe 27 in Drehung. Die
Gegendruckscheibe 28 ermöglicht dem Reibrad 25 ein gleichmäßiges Anliegen. Das Lager
29 muß beweglich sein. Bei dieser Anordnung zieht ein Gewicht in Pfeilrichtung.
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Abb. 4 zeigt die Anordnung im Schnitt. Dreht das Reibrad 25 in Pfeilrichtung,
und setzt die Kegelscheibe 27 dieser Drehung einen Widerstand entgegen, dann wird
bei wachsendem Widerstand das Reibrad 25 zwischen die Kegelscheibe 27 und Gegendruckscheibe
28 mit wachsender Kraft hereingezogen, wenn die Verbindungslinien Mittelachse Kegelscheibe
27-Reibrad 25 und die Verbindungslinie Mittelachse Reibrad 25-Gegendruckscheibe
28 einen entsprechend großen stumpfen Winkel einschließen, wie es in bekannter Weise
bereits angewandt wird.
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Abb. 5 zeigt die Regelvorrichtung an ein handelsübliches Regelgetriebe
31 angebaut. Auf der Antriebswelle des Regelgetriebes sitzt eine Büchse 32,
die
auf dem Außendurchmesser ein Steilgewinde hat. Über diese Büchse ist eine Regelmutter
33 mit demselben Steilgewinde geschraubt, die auf der Motorwelle des Motors
30 sich axial verschieben läßt und mittels Feder 34 oder sonstigem Mitnahmeelement
bei der Drehung mitgenommen wird. Die Regelmutter wird durch Bügel 35 über Seil
36, Umlenkrolle 37 und Gewicht 38 nach links gezogen. Der Hebel 39 über Gestänge
4o betätigt den Regelhebel 41 des Regelgetriebes 31 in entsprechender Weise. Bei
dieser Anordnung kann der Gewichtarm 42 mit Seil 43 und Gewicht 44 entfallen. Ist
der Hebel 39 jedoch mit Gewichtarm 42, Seil 43 und Gewicht 44 ausgebildet, dann
kann der Bügel 35 mit Seil 36, Umlenkrolle 37 und Gewicht 38 entfallen.
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Bei verschiedenen handelsüblichen Regelgetrieben sind bei der Verstellung
der Regelelemente oft starke Reibungswiderstände zu überwinden. Soll nun eine Regelmutter
33 sich dem veränderten Drehmoment anpassen, muß sie sich nicht nur nach links und
rechts verschieben mit den Elementen Bügel 35, Seil 36, Umlenkrolle 37, Gewicht
38, sondern muß auch noch den Reibungswiderstand der Regelelemente des Regelgetriebes
3I überwinden. Dies führt zu Ungenauigkeiten in der Regelung, und zwar je größer
der Reibungswiderstand der Regelelemente ist, desto größer ist die Regelungenauigkeit.
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Diesem Umstand kann abgeholfen werden durch eine Anordnung, wie in
Abb.6 dargestellt. Hier wird die Regelmutter 45 nicht durch einen Gewichtzug axial
verschoben, sondern der Einfachheit halber durch Druckfeder 46, da der Regelweg
der Regelmutter, wie weiter unten beschrieben, sehr knapp gehalten werden kann.
Bei diesem kurzen Federweg fällt das Anwachsen des Federdruckes nicht wesentlich
ins Gewicht und gewährleistet somit ein ziemlich gleichmäßiges Regeln. Der Vorgang
ist folgender: Ein Mitnehmerstift 47 sitzt auf der Regelmutter 45 und dreht sich
mit ihr. Hat sich nun die Regelmutter 45 dem erforderlichen Drehmoment angepaßt,
dann bewegt sich der Regelstift 47 zwischen zwei Kupplungsrädern 48 und 49. Sinkt
das Drehmoment ab, dann wandert die Regelmutter 45 nach rechts, bis der Regelstift
47 einen der Kupplungszähne des Kupplungsrades 48 berührt und damit das Kupplungsrad
48 ein kurzes Stück dreht. Die Drehung überträgt sich auf Welle 5o, Zahnrad 5I,
Zwischenrad 52, Zahnrad 53 und Gewindespindel 54. Dreht sich nun die Gewindespindel
54, dann bewegt sich entsprechend die Mutter 55 und betätigt über Gestänge 56 den
Regelhebel 57 des Regelelementes des Regelgetriebes 58. Ist die Regelung bei einer
Berührung des Mitnehmerstiftes 47 mit einem der Kupplungszähne des Kupplungsrades
48 noch nicht endgültig beendet, dann wird der Mitnehmerstift 47 bei jeder Umdrehung
der Regelmutter 45 irgendeinen Kupplungszahn des Kupplungsrades 48 berühren, bis
die Regelung endgültig vollzogen ist. Im umgekehrten Verhältnis, wenn das Drehmoment
steigt, wandert die Regelmutter 45 mit dem Mitnehmerstift 47 nach links und berührt
einen Zahn des Kupplungsrades 49. Hierbei dreht sich dieses Kupplungsrad in derselben
Richtung wie vorher das Kupplungsrad 48. Diese Drehung wird jedoch übertragen über
das Rohr 59, das Zahnrad 6o, das Zahnrad 6I, das ebenfalls mit der Gewindespindel
54 fest verbunden ist. Da aber zwischen dem Zahnrad 6o und Zahnrad 61 kein Zwischenrad
geschaltet ist, dreht sich nunmehr die Gewindespindel 54 in entgegengesetzter Richtung
wie zuvor und bewegt die Mutter 55 ebenfalls in entgegengesetzter Richtung und regelt
damit das Regelgetriebe 58 ebenfalls entgegengesetzt. Auch hier berührt der Mitnehmerstift
47 so lange einen Zahn des Kupplungsrades 49, bis die Regelung endgültig vollzogen
ist.
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An Stelle des Mitnehmerstiftes 47 könnte natürlich ebenfalls ein Kupplungsrad
angebaut sein mit den ähnlichen Kupplungszähnen wie bei den Kupplungsrädern 48 und
49, so daß nicht nur kurze Regelimpulse abgegeben werden, sondern die Regelelemente
so lange verdreht werden, bis die Regelung endgültig vollzogen ist. Dies kann jedoch
den Nachteil haben, daß die Regelung ungenau ist, weil die Regelmutter 45 nicht
nur das genau einstellbare Drehmoment zu regeln, sondern außerdem die Reibungswiderstände
der verschiedenen Regelelemente mit zu überwinden hat. Sind diese Reibungswiderstände
verhältnismäßig groß, dann ist es immer besser, die Regelmutter 45 wird in Impulsen
geregelt, damit bei Beendigung des Impulses die Regelmutter 45 sich sofort wieder
in die richtige Lage einstellen kann. Eine einfachere Lösung der Regelung kann erfolgen,
wie in Abb. 7 dargestellt. An Stelle des Mitnehmerstiftes 47 befindet sich auf der
Regelmutter 45 eine Reibscheibe 62, die wechselweise die Reibscheibe 63 an Stelle
des Kupplungsrades 48 oder die Reibscheibe 64 an Stelle des Kupplungsrades 49 berührt
und auf diese Weise die Regelelemente in zweckentsprechender Richtung bewegt.
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Abb. 8 zeigt eine Möglichkeit der Verstellbarkeit des Federdruckes
der Druckfeder 46, wodurch auf bequeme Art und Weise das erwünschte Drehmoment eingestellt
werden kann. Mit einer Regelschraube 65 kann der Federdruck der Druckfeder 46 bequem
verändert werden, wenn das zu übertragende Drehmoment verändert werden soll.
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Die in Abb. 5, 6 und 7 dargestellten Regelelemente, die Büchsen 32,
die Regelmutter 33 bzw. 45 und die Motorwelle mit dem Bügel 35, Seil 36, Umlenkrolle
37 und Gewicht 38 bzw. den Druckfedern 46 mit der Regelschraube 65 stellen auch
elastische Kupplungen dar. Verändert sich hierbei das Drehmoment, so ändert sich
die Lage der Regelmutter 33 bzw. 45 je nach Änderung des Drehmoments nach rechts
oder nach links, wie oben angedeutet. Diese Änderung der Lage der Regelmutter 33
bzw. 45 kann auch angewandt werden, um eine Kraftmaschine, z. B. Dampfmaschine,
Verbrennungsmaschine, Turbine usf., zu regeln. Hierbei wäre die Motorwelle die Welle
einer Kraftmaschine und das in Abb. 5 und 6 dargestellte Regelgetriebe 31 bzw. 58
irgendeine getriebene
Maschine, z. B. ein Generator zur elektrischen
Stromerzeugung. Ändert sich nun das Drehmoment der getriebenen Maschine, so ändert
sich die Lage der Regelmutter 33 bzw. 45, und durch ein einfaches Regelgestänge
kann die Energiezufuhr der Kraftmaschine geregelt werden.
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Nach Abb. 9 ist eine Turbine 66 mit einem elektrischen Stromerzeugungsgenerator
67 durch eine elastische Kupplung, wie beschrieben, gekuppelt. Hierbei sitzt eine
Büchse 32 auf der Generatorwelle und eine Regelmutter 45 auf der Turbinenwelle.
Ein Hebel 68 besitzt eine Kurve 69. Bewegt sich nun die Regelmutter 45 bei Änderung
des Drehmoments, dann dreht sich auch der Hebel 68. Die Kurve 69 verstellt wieder
den Hebel 70, der durch eine Feder 7I stets gegen die Kurve 69 gedrückt wird. Die
Stange 72 regelt die Energiezufuhr für die Turbine 66. Die Bewegung der Regelmutter
könnte jedoch auch direkt, also ohne Hebel 68 mit Kurve 69 über Hebel 70 und Stange
72 auf das Ventil für Energiezufuhr zur Turbine 66 übertragen werden. Die direkte
Übertragung ist jedoch nicht genau. Mit Hilfe der Kurve 69, die genau ermittelt
und ausprobiert werden kann, ist eine genauere Regelung zu erzielen, und zwar derart,
daß bei jedem Drehmoment die Turbine 66 mit dem Generator 67 die gleiche Drehzahl
hat. Hört also durch einen etwaigen Kurzschluß die Stromabnahme vom Generator 67
auf, dann setzt außer Lagerreibungen oder sonstigen Reibungen der Stromerzeugungsgenerator
67 der Turbine 66 keinen Widerstand mehr entgegen. Die Turbine 66 würde sofort ihre
Drehzahl steigern. Hier stellt also auch die Regelmutter 45 mit den dazugehörenden
Teilen eine einfache Sicherung dar, um bei Kraftanlagen eine überhöhte Drehzahl
unmöglich zu machen.
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Die Erfindung ist an die gezeichnete Darstellung nicht gebunden.