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Verfahren zur Übertragung von Leistung in mechanisch schwingender
Form. Um einem schwingungsfähigen Gebilde Energie zur Aufrechterhaltung des Schwingungsvorganges
zuzuführen oder zu entziehen, muß man sich einer sogenannten »losen Kopplung« bedienen.
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Die Aufgabe der losen Kopplung besteht also darin, zwischen bewegten
Systemen, von denen mindestens eins ein schwingungsfähiges Gebilde ist, Energie
zu übertragen, ohne daß die Bewegungsvorgänge, insbesondere soweit sie periodisch
verlaufen, gestört werden. Es ist somit oft nicht ganz leicht, allen Beziehungen,
die sich aus den Bewegungen der miteinander verbundenen Organe- und ihrer Phasenverschiebung
gegeneinander ergeben, zu genügen und eine lose Kopplung konstruktiv durchzubilden.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung beruht nun auf der neuen
Erkenntnis, daß im Gegensatz zur elektrischen bchwingungstechnik, in der die Selbstinduktionskopplung
einen bevorzugten Platz einnimmt, in der mechanischen Schwingungstechnik die verschiedensten
Koppelarten und Kombinationen praktisch anwendbar sind; daß also grundsätzlich jedes
mechanische Mittel, d. h. jedes durch kinetische oder potentielle Kräfte bewegte
mechanische Organ, einem schwingungsfähigen System im Sinne einer losen Kopplung
Energie zuführen oder entziehen kann, wenn es sich in bezug auf seine quantitativen
Eigenschaften in ein richtiges Verhältnis zum schwingungsfähigen Gebilde bringen
läßt.
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Die Mittel und Wege, die anzuwenden bzw. einzuschlagen sind, damit
irgendein Mechanismus, der an sich keine lose Kopplung ist, zu einer solchen wird,
gibt die vorliegende Erfindung an.
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In Abb. r ist schematisch die mechanische Anordnung einer hin und
her bewegten Masse a gezeigt, die durch die Kurbel g und Pleuelstange h unter Vermittlung
eines elastischen Hebels b hin und her bewegt wird. Derartige Mechanismen werden
bekanntlich in der Praxis bei federnden Schmiedehämmern verwendet. -Die Feder selbst
hat den Zweck, wegen des konstanten Hubes der Kurbel bei verschieden dicken Arbeitsstücken
nachgiebig zu wirken, um alle möglichen Schmiedearbeiten vornehmen zu können. Man
kann also eine solche Feder als einen elastischen Hebel auffassen, bei dem das Produkt
aus Kraft mal Weg in beiden Armen nahezu oder vollkommen gleich ist und die zugeführte
Energie A", sich somit zu der im System schwingenden Energie Am verhält wie z zu
r oder sehr angenähert wie z zu r.
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Bei schwingungsfähigen und abstimmfähigen, also relativ wenig gedämpften
Systemen ist jedoch nach R e i n das Verhältnis zwischen Ai,, und A,rz:
worin das Dehrement der Dämpfung, ein echter Bruch, ist, der in der Praxis l@@o,
i/20 und noch viel kleiner sein kann.
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In diesem Falle soll also der Hebel im Bewegungszustand auf der einen
Seite ein Vielfaches
der Energie aufweisen wie auf der anderen
und dennoch im dynamischen Gleichgewicht sein. Diese Aufgabe, die im ersten Augenblick
dem Hebelgesetz zu widersprechen scheint, wird durch die in Abb. 3 schematisch dargestellte
Vorrichtung praktisch gelöst.
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In Abb. 3 schwingt eine Masse a, die an einer ungedämpften Feder b
befestigt ist und mit dieser zusammen ein schwingungsfähiges und abstimmfähiges
System darstellt, um den Drehpunkt c, und die Kurbel g führt durch Vermittlung der
Pleuelstange h und eines starren Hebels k dem System Energie zu. Die Kraft, die
in einem bestimmten Radius, von c aus gemessen, an der Feder b wirksam ist, ist
nach dem Hebelgesetz in jedem Augenblick gleich der Kraft, die am selben Radius
des Hebelarmes k auftritt, so daß sich die um c oszillierende Anordnung in jedem
Augenblick im dynamischen Gleichgewicht befindet. Der Weg, den die Masse a zurücklegt,
ist jedoch, in Graden ausgedrückt, ein Vielfaches von dem Web, den der Hebelarm
k zurücklegt. Infolgedessen ist die im System a, b schwingende Energie ein Vielfaches
von der durch g, h, k zugeführten Energie, d. h. Abb. 3 veranschaulicht ein mechanisch
schwingendes, relativ wenig gedämpftes System a, b, welches durch die Kopplung k
und die Pleuelstange h mit einem zwangläufig schwingenden System, der Kurbel g,
gekoppelt ist. Natürlich könnte die ganze Anordnung (Abb.3) auch als einarmiger
Hebel ausgebildet sein.
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Die lose Kopplung kommt also dadurch zustande, daß sich die Kräfte
auf beiden Seiten des Drehpunktes c im Schwingungszustand tatsächlich wie bei jedem
zwangläufig angelenkten starren Hebel das Gleichgewicht halten, während sich die
in beiden Armen schwingenden Energiequanten zueinander verhalten wie das doppelte
Dekrement der Dämpfung :2 t9.
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Geht man vom oszillierenden System über zu einem hin und her gehenden
System, so ergibt sich bei der gleichen Koppelart eine Anordnung, wie Abb. q. zeigt.
Das schwingende System besteht hier aus der Masse a und den beiden Federn b, b.
Der Kreuzkopf k wird durch Vermittlung der Exzenterstange da vom Exzenter g aus
angetrieben.
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Bezeichnet man auch hier den notwendigen außerordentlich kleinen Exzenterhub
mit il und den sich ergebenden großenAusschlag der Masse a mit r., so läßt sich
ableiten, daß sich die gesamte Dämpfung bzw. die zugeführte Energie A", zur schwingenden
Energie A," verhält wie il zu i2.
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Die Verhältnisse liegen also in diesem auch für Abb. 2 zutreffenden
Falle so einfach, daß sie besonders leicht übersehen werden können. Wollte man entgegen
der obigen Erkenntnis nach Abb.2 bei einer derartigen Anordnung eine Kurbel mit
relativ großem Hub als Antriebsorgan zur Anwendung bringen, so würden schon bei
mäßiger Tourenzahl ganz außerordentlich große Arbeitsleistungen auf das System a,
b übertragen, die entweder durch Dämpfung vernichtet werden müssen, also gar keinen
wesentlich größerenAusschlag als den Kurbelradius hervorrufen und als relativ wenig
gedämpftes System im Sinne der Erfindung nicht in Frage kommen, oder sich zu ganz
ungeheuren Amplituden und Energiemengen aufschaukeln würden. Das Schema Abb.2 verkörpert
also entweder ein relativ wenig gedämpftes schwingendes System im Sinne der Erfindung,
bei dem beispielsweise 2 ü - % oder %o sein könnte, dann fällt es unter die vorliegende
Erfindung, wäre aber schematisch nicht ganz richtig dargestellt, da Ausschläge der
Masse a vom sechs- oder zehnfachen Kurbelradius nach der vorliegenden Wiedergabe
unmöglich sind, oder es weist, wie dies beim System nach Abb. i durch die geschichtete
Feder schon äußerlich erkennbar gemacht wurde,, eine sehr starke Dämpfung auf, dann
kommt es für die vorliegende Erfindung nicht in Betracht.
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Die Kopplungsart (Abb. 3 und q.) kann. man, da die Arbeit bei ganz
kleinem Weg unter großem Kraftaufwand übertragen wird, je nachdem, ob die Kurbel
durch Vermittlung eines Kolbens durch elastische Mittel oder durch umlaufende träge
Massen wirkt, potentielle elastische oder, bei entsprechend massiger Ausbildung
des Organes k, potentielle Massenkopplung nennen.
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Es ist jedoch auch möglich, ein schwingendes System, dem man Leistung
zuführen oder entziehen will, nahe oder ganz an der Stelle seines größten Ausschlages
zu beeinflussen, wodurch die Koppelarten nach Abb. 5 und 6 entstehen. Bei dieser
Koppelart kann die Dosierung der Koppelenergie im Verhältnis Au, : A", nicht in
der einfachen oben dargestellten Weise erfolgen; denn die Kopplung k muB, wenn sie
den Schwingungsvorgang nicht stören will, den Gesamtweg der Masse a mit durchlaufen.
Dafür sind aber die elastischen Mittel der Vorrichtungen nach Abb. 5 und 6, wie
schematisch gezeigt, entweder absolut fest oder in einer größeren Masse eingespannt,
so daß im Bewegungszustand das j Gleichgewicht der wirksamen Kräfte unabhängig vom
Koppelvorgang gewährleistet ist. Es ist also möglich, bei dieser Ausführungsform
der Koppelbedingung
dadurch zu genügen, daß man bei dem unvermeidlich großen Weg die
Kräfte entsprechend klein wählt.
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Koppelvorrichtungen dieser Art kann man mit Rücksicht darauf, daß
in der Hauptsache Bewegungsenergie übertragen wird, und je nach den sonst verwendeten
Mitteln »kinetisch elastische Kopplungen« bzw. »kinetische Massenkopplungen« nennen.
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Die einzelnen Bezugsbuchstaben in den Abb. 5 bis 9 bezeichnen dieselben
Organe, die in Abb. 3 und 4. dargestellt sind. So z. B. bedeutet in allen Fällen
a die schwingende Masse, b die Sammelfeder oder Federn, g, lt
das
mit dem schwingenden System gekoppelte evtl. zwangläufig schwingende System, k die
koppelnde Masse oder die koppelnde elastische Feder.
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In Abb. 7 und 8 ist ein Ausführungsbeispiel für eine oszillierende
bzw. hin und her gehende Reibungs- bzw. Widerstandskopplung gebracht. Auch in diesem
Falle besteht das schwingende System aus der Masse a und dem elastischen Mittel
b. Zur Übertragung sind jedoch ausschließlich starre Eletnente verwendet, und zwar
außer der Kurbel g und der Pleuelstange la der Hebel k, der einer Drehung
um den Punkt d durch Reibung Widerstand entgegensetzt. Die schwingende bzw. oszillierende
Masse a wird somit in beiden Fällen durch Reibung des Hebels k aus ihrer Ruhelage
nach links oder rechts bewegt, und zwar im Tempo der umlaufenden Kurbel. Es ist
somit auch in diesem Falle nur so viel Energie A", pro Halbschwingung zu übertragen,
wie durch Dämpfung vernichtet wird, nämlich Ant # 2 e. Die Dosierung erfolgt
durch Einstellung des Widerstandes.
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Eine Kopplung ganz besonderer Art ist die in Abb. 9 dargestellte Zeitkopplung.
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In Abb. 9 ist als treibender Mechanismus das schwingungsfähige System
angenommen. und es ist überhaupt grundsätzlich gleichgültig, ob beim Koppeln eines
zwangläufig schwingenden und eines schwingungsfähigen Svstemes das erstere oder
das letztere antreibt bzw. ob beide Systeme schwingungsfähige Systeme sind.
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Bei der in Abb.9 dargestellten Kopplung allerdings ist die Umkehrung
nicht ohne besondere Vorrichtung möglich, da hierbei gleichzeitig eine hin und her
gehende Bewegung in eine rotierende Bewegung umgewandelt wird. b, a,
b stellt das schwingende System dar. da, h sind zwei Pleuelstangen,
die jede für sich auf eine nach Art eines Freilaufes konstruierte Fortschaltvorrichtung
wirken, und zwar in der Weise, da6 die eine Stange auf Zug, die andere auf Druck
Leistung überträgt und beim Hinundherpendeln des schwingenden Sy stemes durch Fortschalten
der Scheiben e und f die Scheibe m im Sinne des eingezeichneten Pfeiles
in Umlauf versetzt.
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Denkt man sich nun die Scheibe m, die an sich schon Masse besitzt,
mit einem rotierenden Mechanismus verbunden, so wird diese eine gewisse mittlere
Tourenzahl annehmen, und das schwingende System, dessen Geschwindigkeit in jeder
Grenzlage Null beträgt, kann erst in dem Augenblick der umlaufenden Scheibe na Energie
zuführen, wo seine Geschwindigkeit im Angriffspunkt diejenige der genannten Scheibe
überschreitet. Ferner wird der Eingriff des Fortschaltmechanismus in dem Augenblick
wieder gelöst, wo die Geschwindigkeit der schaltengen Scheiben e und f hinter der
Geschwindigkeit der Scheibe in zurückbleibt. Die Verbindung zwischen dem schwingenden
System b, a, b und dem in diesem Falle umlaufenden System m ist somit nur
für einen Bruchteil der Gesamtschwingungsdauer hergestellt, d. h. die Zeit der Beeinflussung
ist in diesem Falle so verkürzt, daß auch hier ein brauchbares Energieübertragungsverhältnis
entsteht, eine lose, sogenannte Zeitkopplung.
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Die verschiedenen dargestellten Koppelarten stellen mehr oder weniger
Grenzfälle dar, zwischen denen Kombinationen und Gradunterschiede möglich sind.
In ihrer reinen Form sind diese Grenzfälle an folgenden Merkmalen kenntlich Die
potentielle Kopplung greift an irgendeiner Stelle des elastischen Mittels an, so
daß die Kräfte des schwingungsfähigen Gebildes teilweise (Abb. 4.) oder ganz (Abb.
i i) auf das koppelnde Organ wirken. Die durch Massen- oder elastische Wirkungen
hervorgerufenen koppelnden Kräfte müssen somit als Reaktionskräfte von gleicher
Größe und annähernd entgegengesetzt sein (Phasenverschiebung nahe bei i8o°). Um
der Koppelbedingung
zu genügen, muß der Koppelweg s so klein gewählt werden, daß die gesamte durch die
mittlere Reaktionskraft
zu übertragende nicht überschreitet. Es ist somit angenähert (unter Vernachlässigung
der Phasenverschiebung) Nähe
Die kinetische Kopplung greift an irgendeiner Stelle des Massenmittels oder in seiner
an, so daß der Weg, den das koppelnde Organ pro Schwingung durchläuft, angenähert
festliegt.
Das aus Masse a und elastischen Mitteln b bestehende schwingungsfähige Gebilde ist
entweder fest eingespannt oder mit einer zweiten Masse verbunden, so daß die Reaktionskräfte
an den Einspann-bzw. Verbindungsstellen und nicht an der Kopplung auftreten. Das
koppelnde Organ kann bei der kinetischen Kopplung dem schwingungsfähigen Gebilde
um 9p° vor o° oder auch um p° vor z8o° voraneilen. Das zur Erfüllung der Koppelbedingung
angewendete Mittel besteht in diesem Falle darin, die durchMassenwirkung oderElastizität
hervorgerufene koppelnde Kraft so niedrig zu bemessen, daß annähernd
wird, also Wirkungsgrad Ü w so kleinen
Für Widerstandskopplungen gilt, da dieselben ebenfalls als potentielle (Abb. 7)
oder kinetische (Abb.8) Ausführungen denkbar sind, sinngemäß dasselbe, nur ist hierbei
zu beachten, daß ihr in allen Fällen weniger als 5o Prozent beträgt.
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Eine Ausnahme macht die Zeitkopplung (Abb. 9), da sie sich als berholungsgetriebe
hei großer Dämpfung früher ein- und später ausschaltet als bei kleinerer, sich also
der Dämpfung anpaßt bzw., was dasselbe ist, ihre Arbeitsübertragung automatisch
ändert.
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Läßt man eine elastische Kopplung weder an dem Befestigungspunkt der
Sammelfeder noch an der sch ingenden Masse selbst angreifen, so entsteht, je nachdem
man sich dem einen oder anderen Grenzfall nähert, eine Kopplung, für die dann aber
im einzelnen sinngemäß ebenfalls die obigen Kennzeichen gelten.
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Legt man irgendeine mechanische Konstruktion zugrunde, z. B. eine
Kraft- oder Arbeitsmaschine, so soll dieselbe natürlich irgendein gewisses Arbeitsquantum
nach außen abgeben, welches zusammen mit der unvermeidlichen Reibung die Gesamtdämpfung,
d. h. die Größe AW des betreffenden Mechanismus, darstellt. Die Größe
Am
kann dann unter Berücksichtigung derFestigkeitsverhältnisse, der gewünschten
Gleichförmigkeit, oder die Koppelart kann nach der erwarteten Steuerfähigkeit des
betrufenden Systems bestimmt werden, daß die einzelnen Bestimmungsstücke mit ziemlicher
Annäherung ermittelbar sind.
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Um die durch Phasenverschiebung und andere Einflüsse von vornherein
nicht genau ermittelbaren Differenzen ausgleichen zu können, ist es besonders wichtig,
daß die Koppelorgane zum Zwecke richtiger Abmessung verstellbar gemacht werden und
evtl. auch während des Betriebes verstellt werden können, insbesondere in solchen
Fällen, die Nutzleistung schwankt. Eine Verstellung der einzelnen Koppelarten kann
durch Veränderung der Kraftwirkung, des Weges, der Reibung oder der Zeit erzielt
werden.
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In Abb. ro bis z9 sind eine weitere Anzahl von Koppelvorrichtungen
zur Darstellung gebracht, die als praktische Ausführungsbeispiele anzusehen sind,
ohne daß damit die auf Grund der erwähnten Grenzfälle möglichen Kombinationen erschöpft
wären.
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Die Bezugsbuchstaben bezeichnen auch in all diesen Fällen das schwingende
System, g, 1z den Kurbeltrieb und k die Kopplung.
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Abb. ro stellt eine ausgesprochen kinetische, Abb. z z eine potentielle
und Abb. zz eine gemischte (teils potentielle, teils kinetische) Kopplung dar. Ferner
ist Abb. eine rein kinetische Kopplung, Abb. zq. eine rein potentielle, Abb. eine
gemischte Kopplung. Abb.
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und z9 sind kinetische Kopplungen.
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Je nachdem, ob man das Organ h bei Massenkopplung als schwere Masse,
als starren Hebel oder gar als elastischen Hebel ausbildet, ändert sich natürlich
der Charakter der Kopplung.
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Die hin und her gehende Bewegung, die bei den meisten Ausführungsformen
durch Kurbel bewirkt wird, kann natürlich auch durch eine Exzenterscheibe (Abb.
to) von geeigneter Form oder durch eine andere zwangläufige Führung bewirkt werden.
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In Abb. ist a eine schwingende Unruhe, b die zugehörige Feder, die
am Hebel k befestigt ist. Der Hebel h wird seinerseits durch die Kurbel h, g angetrieben.
Der Angriffspunkt der Pleuelstange wird je nach der Leistung, die übertragen werden
soll, dem Befestigungspunkte der Feder genähert und entfernt.
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In Abb. ist k die elastische Koppelfeder, die mit einem Zahnsegment
verbunden ist, welches die Schwingung der Unruhe a mitmacht.
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Bei Abb.-z6 und ist um die Achse u der Unruhe ein Faden bzw.
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Stahlband gewickelt, welches mit zwei Federn, zwischen denen es ausgespannt
ist, und dem Bügel v die Kopplungsvorrichtung darstellt.
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In Abb. z8 sind die beiden Federn als Spiralfedern an der Unruhachse
u befestigt. In Abb. z9 stellt h, h den Kurbeltrieb und r s die Achse der
Unruhe dar. Im Punkte x greift die Pleuelstange unter Zwischenschaltung einer elastischen,
nicht dargestellten Koppelfeder an der Unruhachse an. Die Un-
-ruhe
führt bei der gezeichneten Anordnung in derselben Zeit eine Halbschwingung aus,
während welcher die Kurbel g eine volle Umdrehung macht. Der Radius des Punktes
x wird etwas größer gewählt als der Kurbelradius g, damit ein Anschlagen der Pleuelstange
h an die Unruhachse u unmöglich ist.
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In Abb. 2o ist eine Vorrichtung zur Darstellung gebracht, die als
Ersatz der Kurbel verwendet werden kann. Eine fünfeckige Scheibe g treibt einen
Anker z nach rechts und nach links und bewirkt auf diese Weise den Antrieb des gekoppelten
schwingenden Svstemes.