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Kräfteausgleichsvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zum Ausgleich von Kräften, bei der eine an einem Hebel nach Größe und Richtung konstant
wirkende Kraft, z. B. das Gewicht einer Last, durch die in einem Punkt des Lasthebels
angreifende Gegenkraft einer Feder ausgeglichen wird.
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Bei bekannten Einrichtungen ist die die Gegenkraft erzeugende Ausgleichsfeder
unmittelbar am Lasthebel angelenkt, während sie mit ihrem anderen Ende an einem
mit dem Hebeldrehpunkt in einer Lotrechten liegenden Punkt befestigt ist. Diese
Anordnung hat den erheblichen Nachteid, daß einerseits nur ein verhältnismäßig kleiner
Teil der an sich verfügbaren Federarbeit freigemacht werden-kann und daß andererseits
wegen der endlich .begrenzten Zusammenzieh- bzw. drückbarkeit der Feder ein vollkommen
exakter Kräfteausgleich nicht möglich ist.
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In anderen Fällen läßt man zum Ausgleich von an einem schwenkbaren
Hebel angeordneten Gewichten die Kraft einer Feder über ein Zugmittel wirken, das
auf einer Kurvenscheibe auf- bzw. abgewickelt wird, wobei sich der Abstand des Zugmittels
vom Hebeldrehpunkt, d. h. der Hebelarm, unter dem die Feder zur Wirkung kommt, derart
ändert, daß das vom Gewichst ausgeübte Drehmoment entgegengesetzt gleich -ist dem
von der Federkraft ausgeübten Drehmoment. Die Bestinnmung
der Federcharakteristik
sowie die Bemessung der Feder machen sehr umständliche Berechnungen erforderlich.
Außerdem ist es sehr nachteilig, daß bei Änderung des Gewichts bzw. der Hebellänge
jeweils andere Kurvenscheiben bzw. andere Federn benötigt werden, so daß der Ausgleich
verschiedener Gewichte bei diesen bekannten Vorrichtungen mit einfachen Mitteln
nicht möglich ist.
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Es ist ferner bekannt, das Gewicht eines höhenverstellbar angeordneten
Gegenstandes durch Federkraft auszugleichen. Da die Kraft der hierfür in der Regel
verwendeten Schrauben- bzw. Wandelfedern mit zunehmender Auszugslänge ansteigt,
sind in jedem Fall besondere Mittel nötig, diese veränderliche Federkraft in eine
lotrecht gerichtete Ausgleichskraft umzuwandeln.
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Es ist auch bereits eine Kräfteausgleichsvorrichtung für eine an einem
Hebel nach Größe und Richtung konstant wirkende Kraft vorgeschlagen worden, bei
der durch die am Lasthebel angreifende Gegenkraft einer Feder in jeder Lage des
Lasthebels ein exakter Kräfteausgleich dadurch erzielt ist, daß zur Übertragung
der von der Ausgleichsfeder erzeugten Gegenkraft, die in einem Punkt des um seinen
Drehpunkt schwenkbaren Lasthebels angreift, ein zwischen dem Angriffspunkt der Gegenkraft
und einem Festpunkt der Vorrichtung sich erstreckendes Kraftübertragungsorgan vorgesehen
und die mit diesem Organ gekuppelte Ausgleichsfeder mindestens teilweise außerhalb
des durch die genannten Punkte, nämlich den Angriffspunkt der Gegenkraft, den Festpunkt
und den Hebeldrehpunkt, bestimmten Wirkungsdreiecks an einem ruhenden oder bewegten
Teil der Vorrichtung angeordnet ist. Die Feder ist derart bemessen, daß ihre Federkonstante
(Belastung für I cm Längenänderung) dem Produkt aus der Last und deren Schwerpunktsabstand
vom Hebeldrehpunkt direkt proportional und dem Produkt aus den Abständen des Festpunktes
und des Gegenkraftangriffspunktes vom Hebeldrehpunkt umgekehrt proportional ist.
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Bei der vorgeschlagenen Einrichtung sollte eine Zugfeder verwendet
werden, deren Gegenkraft über ein flexibles Kraftübertragungsorgan, z. B. Seil,
Kette od. dgl., auf den Lasthebel übertragen wird. Nachteilig ist bei dieser Anordnung,
daß die flexiblen Übertragungsorgane einer dauernden Abnutzung unterworfen sind
und deshalb einer ständigen Wartung und Überwachung bedürfen. Wird die Ausgleichsvorrichtung
bei Röntgenstrahlen verwendet, bei denen durch Seilriß oder Kettenbruch Menschenenleben
gefährdet werden können, so kann es notwendig werden, besondere Sicherheitseinrichtungen
vorzusehen.
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Dieser Nachteil ist gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, daß bei
der Ausgleichsvorrichtung die Ausgleichsfeder als Druckfeder ausgebildet und als
Kraftübertragungsorgan ein starres Glied, z. B. eine Stange, vorgesehen ist. In
diesem Fall dient das Übertragungsorgan nicht zur Umlenkung der Gegenkraft und ist
deshalb praktisch keinerlei Abnutzung unterworfen. Die Verwendung von Druckfedern
bringt den weiteren Vorteil, daß sie weniger Raum beanspruchen, weil Druckfedern
gehärtet und daher höheren Beanspruchungen ausgesetzt werden können, und weil eine
unter Vorspannung arbeitende Druckfeder kürzer ist als eine unbelastete Feder, während
Zugfedern bei erfolgender Belastung eine entsprechende Längenänderung erfahren.
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Weitere Einzelheiten sind nachstehend an Hand der in den Fig. I bis
8 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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In Fig. I ist das grundsätzliche Schema der erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung
veranschaulicht. Die Gegenkraft der Druckfeder I, die sich gegen den Federteller
2 an der Zugstange 3 abstützt, wird mittels der im Punkt A an dem Lasthebel 4 angreifenden
Zugstange auf den Lasthebel übertragen, an dessen freiem Ende die nach Größe und
Richtung konstante Kraft P einer Last, die ausgeglichen werden soll, angeordnet
ist. Der zweite Federteller 5 für die Feder I ist in dem raumfesten Punkt B gelagert
und mit einer Führung, z. B. einer Muffe 6, die mit dem Federteller 5 aus einem
Stück bestehen kann, versehen.
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In den Fig. 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das einen
Deckenfedergewichtsausgleich für die Aufhängung von Hilfsgeräten bei medizinischen
Röntgenanlagen an der Decke veranschaulicht, wobei Einzelheiten der Vorrichtung
teilweise im Schnitt dargestellt sind. Gemäß dem an Hand der Fig. I beschriebenen
Schema sind in Fig. 2 und 3 die Punkte des Wirkungsdreiecks wiederum mit M, A und
B bezeichnet. Das Hilfsgerät ist mittels der Stange II an dem um die Drehachse M
drehbaren Hebel 12 aufgehängt, der seinerseits mittels eines Drehzapfens 7 in einem
Wagen 8 gelagert ist, der mittels der Rollen 9, 9 an der an der Decke befestigten
Laufschiene Io verschiebbar angeordnet ist. Die Druckfeder 13 stützt sich einerseits
gegen den Federteller I4 und andererseits gegen den im Punkt A drehbar gelagerten
Federteller 15 ab, der gleichzeitig ein Führungsglied 16 für die im Punkt B angelenkte
Stange 17 aufweist.
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Bei dem in Fig. 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel sind
an Stelle einer längeren Druckfeder zwei kürzere Federn 18, i9 vorgesehen, deren
Kräfte mittels der Stange 2o auf den Lasthebel 2 1 übertragen werden, der im Drehpunkt
M gelagert ist, während die Stange 2o in Richtung der Gelenkpunkte B und
A, d. h. in Wirkungslinie der durch die Federn i8, i9 gelieferten Gegenkraft
verschiebbar ist. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß die kürzeren Federn
keime Neigung zum Kippen zeigen, weshalb besondere Führungshülsen für die Stange
unter Umständen .in Fortfall kommen können. Die gesamte Anordnung ist gleichzeitig
raumsparend, besonders wenn die Federn, wie in Fig. q. veranschaulicht ist, als
Doppelfedern ausgeführt sind.
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Eine weitere Entwicklung des in Fig. q. veranschaulichten Gedankens
stellt das Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 5 und 6 dar, bei dem
die gesamte Federanordnung in einem dosenförmigen Gehäuse untergebracht ist. In
Fig. 5 ist die Anordnung in Draufsicht mit nach Linie V-V der Fig. 6 geschnittenem
Gehäuse, in Fig. 6 ein Schnitt durch die Anordnung im Schnitt nach Linie VI-VI der
Fig. 5 dargestellt. In dem dosenförmigen Gehäuse 22 mit aufgeschraubtem Deckel 23
ist die Achse 24 des außerhalb des Gehäuses angeordneten Lasthebels 25 gelagert.
Im Innern des Gehäuses sitzen auf der Achse 24 zwei Nocken 26, 26' mit Rollen 27,
27' (Kugellagern). Die Achsen der beiden Rollen liegen mit der Drehachse des Lasthebels
in einer Ebene. Vier weitere Rollen 28, 28', 29, 29' sind am Boden und Deckel des
Gehäuses befestigt, und zwar derart, daß die Achsen dieser vier Rollen mit der Drehachse
des Lasthebels in einer lotrechten Ebene liegen. Alle sechs Rollen weisen den gleichen
Abstand von der Achse des Lasthebels auf. Im Gehäuse ist ein zylindrischer Körper
30 mit einem quadratischen Ausschnitt 31 frei drehbar angeordnet. Der Ausschnitt
dient zur Aufnahme von Druckfedern 32, welche auf zwei Platten 33, 33' wirken, indem
sie sich gegen den zylindrischen Körper 3o abstützen. Die Federn, deren je vier
im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf jeder Seite vorgesehen sind, sind so bemessen,
daß die Platten 33, 33' bei vollkommener Entspannung der Federn, d. h. also in der
Nullage des Schwenkhebels, einen Abstand haben, der dem Durchmesser der Rollen entspricht.
In der Nulllage liegen jeweils die Mittelpunkte der drei Rollen, nämlich, die der
Rollen 27, 28, 29 bzw. 27', 28', 29' in einer Geraden. In der Lotrechtlage des Lasthebels
stehen die beiden Platten 33, 33' ebenfalls lotrecht und die Federn sind vollkommen
entspannt. Stellt beispielsweise, wie in Fig. 5 angenommen ist, die Senkrechte BB'
die Nullage dar, so liegen die beiden Platten 33, 33' parallel zu der Senkrechten
BB'. Wird der Lasthebel beispielsweise im Uhrzeigersinn, wie in Fig. 5 dargestellt
ist, gedreht, so vergrößert sich der Abstand der beiden Platten, so daß die jeweils
zwischen einer Platte und dem zylindrischen Körper angeordneten Federn gespannt
werden, wobei die zwischen den Rollenmittelpunkten AB bzw. A'B' wirkende Kraft mit
dem Abstand AB = A'B' proportional ansteigt. Damit sind die Voraussetzungen für
einen exakten Kräfteausgleich erfüllt. Der zylindrische Körper 30 dreht sich bei
Betätigung des Lasthebels zusammen mit den Federpaketen und den parallelen Platten
33, 33' um einen Winkel, der halb so groß ist wie der Winkel des Lasthebels. Ist
beispielsweise der Lasthebel in dem in Fig. 5 dargestellten Fall aus der Lotrechtlage
um 9o° in die. Waagrechtlage gedreht worden, so haben sich die Platten, da die Abstände
MB und MA' gleich sind, um 45° gedreht. Der Lasthebel kann aus der oben angegebenen
Nullage sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn gedreht
werden. Es ist indes zu beachten, daß bei einer Drehung des Lasthebels um I8o° das
Federsystem dazu neigt, über die dann wieder zur Deckung gebrachten Rollen zu kippen.
Zur Vermeidung dieses instabilen Zustandes sind am Gehäuse Anschläge 34, 34' zur
Begrenzung der Lasthebelbewegung vorgesehen.
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Bei diesem Gerät kann durch gedrängte Anordnung der Federn, die gegebenenfalls
Doppelfedern sein können, in einer verhältnismäßig kleinen Dose erhebliche Federarbeit
aufgespeichert werden. Das Gerät ist deshalb sehr leistungsfähig und läßt sich als
vollkommen in sich geschlossene Baueinheit auf den verschiedensten Gebieten der
Technik anwenden, und zwar überall dort, wo es sich darum handelt, eine gleichbleibende
Kraft zu erzeugen bzw. Gewichte auszugleichen. Es sei hier, lediglich beispielsweise,
auf die Verwendungsmöglichkeit bei. Haushaltgeräten u. dgl. hingewiesen.
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Es kann erwünscht sein, die Last, deren Gewicht auszugleichen ist,
statt an einem Schwenkhebel angreifen zu lassen, längs einer lotrechten Geraden
zu bewegen bzw. den Lastangriffspunkt längs einer lotrechten Geraden zu führen.
Diese Aufgabe kann in besonders vorteilhafter Weise durch Verdoppelung der Anordnung
gemäß Fig. I gelöst werden. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 dargestellt. Bei
dem in diesem Beispiel vorgesehenen Doppelhebelsystem ist der Hebel 35 bei 36 gelenkig
gelagert, während der am Hebel 37 befindliche Lastangriffspunkt 38 sich in einer
kulissenartig ausgebildeten Geradführung 39 bewegt. Die Federkräfte der beiden Federn
40, 4I, die sich mit ihren Federtellern 42, 43 gelenkig in den Punkten A, A' an
den Hebeln 35, 37 abstützen, wirken über die Stangen 44, 45 auf einen Doppelhebel
46, an den die Stangen 44 bzw. 45 in den Punkten B bzw. B' angelenkt sind. Die Drehmomente
der Federkräfte um den Drehpunkt M gleichen sich an dem Doppelhebel 46 aus, so daß
dieser Hebel stets dieselbe räumliche Lage beibehält. Dadurch bleiben auch die Punkte
BB' stets in gleicher Lage zum Punkt M, was eine wesentliche Voraussetzung für die
exakte Funktion der Kräfteausgleichsvorrichtung bildet. Es ist indes nicht erforderlich,
daß, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Anordnung symmetrisch ausgebildet
ist. Die beiden Dreiecke A, B, M und A', B', M, die die Wirkungsdreiecke bilden,
können beliebig gegeneinander verdreht werden, wie es die jeweiligen Bedürfniese
erforderlich machen.
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In Fig. 8 ist ein Anwendungsbeispiel für das in Fig. 7 schematisch
veranschaulichte, mit einer Doppelhebelanordnung arbeitende System perspektivisch
dargestellt. Das Doppelhebelsystem dient in diesem Fall dazu, das Gewicht eines
Röhrenwagens 47 an dem umlegbaren Tisch 48 eines Röntgengerätes in jeder Lage dies
Tisches auszugleichen. Der Tisch ist in einem Lagerbock 49 um eine horizontale Achse
5o schwenkbar gelagert. Das Hebelsystem, das in der in Fig. 7 dargestellten Form
ausgebaut ist, ist an einem Bodenwagen 51 befestigt, der auf Schienen 52 in Richtung
der Längsachse des Tisches 48 verschiebbar ist. Das Hebelsystem steht senkrecht
zu den Schienen 5a, so d'aß sieh der Lastangriffspunkt 53
in einer
lotrechten Ebene bewegt. Die Geradführung des Lastangriffspunktes wird durch die
Führung des Röhrenwagens in den die Längsholme des Tisches bildenden Führungsschienen
54 55 bewirkt. Durch diese Anordnung wird der Tisch von dem Gewicht des Röhrenwagens,
der Röhre und den im anderen Fall für diese beiden Geräte erforderlichen Gegengewichten
entlastet und kann deshalb wesentlich leichter gebaut werden. Ein besonderer Vorteil
ergibt sich hierbei dadurch, daß durch den Fortfall der Gegengewichte für Röhre
und Röhrenwagen der Arzt bei Röntgenuntersuchungen keine unnötigen Mässen beschleunigen
und abbremsen muß.