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Getriebe zur Steuerung für umlaufende Maschinenteile.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Getriebe zur Steuerung für umlaufende Maschinenteile.
Das Erfindungsmerkmal des neuen Getriebes, das für Kraftsteuerungen (Servomotoren) zur Vornahme von Sehaltbewegungen an beliebigen Steuer- oder Absperrgliedern, Propeller- oder TurbinenDrehschaufeln usw. auf umlaufenden Wellen vom festen Raum aus oder umgekehrt von rotierenden Wellen aus im festen Raum, sowie insbesondere auch als Bremsorgan Verwendung finden kann, besteht darin, dass der Steuerdruck durch abgerundete feste Masseteilchen, z. B. Stahlkugeln, hervorgerufen wird, die in umlaufende Hohlräume regelbar gefüllt und dort dem Schleuderdruck ausgesetzt werden.
Infolge der Schleuderwirkung legen sich die Kugeln in kurzer Zeit an den äusseren Umfang und üben auf die Wände der umlaufenden Hohlräume und Kanäle einen nach aussenhin sehr stark anwachsenden Druck aus, der ungefähr den Schleuderkräften einer vollständig biegsamen St1hlstange entspricht.
Hiebei kann ein Teil der umlaufenden Hohlraumwände aus beweglichen Kolben oder Membraneh bestehen, durch die ungewöhnlich starke Kraftäusserungen auf umlaufende oder stillstehende Maschinenteile unmittelbar oder mittelbar ausgeübt werden.
Während die bekannten mechanischen, hydraulischen und elektrischen Kraftsteuerungen bei sehr grossen Drehzahlen und Kraftäusserungen versagen, ermöglicht das neue Getriebe Schaltkräfte von ungekannter Grösse an umlaufenden oder stillstehenden Maschinentei'en willkürlich, einfach und schnell, ohne weitere Energiequellen oder Servomotoren auszuüben. Weiterhin besteht gegenüber mechanischen Einrichtungen der Vorteil, dass schwerfällige Hebel, Gestänge, Schleifhülsen usw. durch einfachste Teile ersetzt werden, hydraulischen Einrichtungen gegenüber der Vorteil, dass keine Leckverluste eintreten, dass viereckige oder ovale Kolben mit reichlichem Spiel verwendet werden können, und dass hydraulische Pumpen fortfallen.
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veranschaulicht.
Fig. 1 und 2 zeigen in Vorderansicht bzw. in Seitenansicht und teilweise im Schnitt eine der ein-
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Regulatoren, Drehsehaufeln usw.
Fig. 3 und 4 stellen eine Anordnung für Kraftsteuerungen zur Betätigung einer schweren Reibungs- kupplung dar, u. zw. zeigt Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A bzw. B der Fig. 4 und Fig. 4 einen Achsschnitt.
In Fig. 5 und 6 sind zwei besondere einfache Anwendungen des Getriebns für Reibungslulpplungen,
Reibungsbremsen oder Bremsdynamometer (in der oberen Hälfte im Achsshnitt, in der unteren in An- sieht) veranschaulicht.
Fig. 7 bis 9 stellen verbesserte Formen der inneren Reibkörper für Kupplungen, Bremsen oder i Dynamometer nach Fig. 5 und 6 dar.
Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch eine besondere Ausbildung des Getriebes für den Fall kleiner
Drehzahlen und aussergewöhnlich grosser Kräfte.
Fig. 11 und 12 veranschaulichen Schnitte durch Auslasssteuerorgan p, die im Sinne des Erfindungs- gedankens ausgebildet sind.
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liegenden Zylindern 3 aufgekeilt ist. In diesen bewegt sich ein durch den Druck der Federn 5 Zurück- gehaltener Kolben 4 parallel zur Achse. Auf die rechte Stirnfläche des Kolbens 4 münden die radialen Kanäle 12, welche vom Ringkanal 14 aus willkürlich mit kleinen, abgerundeten Einzelkörpern-M, vorzugsweise Stahlkugeln, nach und nach gefüllt werden. Die Kugeln werden z. B. aus dem stillstehenden
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zu den Kolben geleitet.
An den Kolben 4 entsteht ein ihrer Fläche und dem Zentrifugaldruck des Stahlkugelinhaltes entsprechender, hier axial gerichteter Druck, der zur Betätigung beliebiger Schaltvorgänge auf der umlaufenden Welle oder im festen Raum verwendet werden kann.
Im vorliegenden Beispiel wird er durch den doppelarmigen um Zapfen 8 schwingbaren Hebel 7 auf die bewegliche Nockenscheibe 10 zur Vornahme einer Steuerungsverstellung, etwa zu Regelzwecken, übertragen.
In Fig. 3 und 4 ist 1 z. B. die treibende, l'die getriebene Welle. Auf 1 ist durch die Nabe 2 die treibende Kupplungshälfte 20 aufgekeiit, welche z. B. einen ringsherumlaufenden Hohlraum 22 und eine Anzahl von Reibbacke 24 mit zwischenliegenden Führungen 30 enthält. Die Reibbacke 24 werden beim Einkuppeln, im vorliegenden Falle radial einwärts, in anderen Fällen axial, gegen die Reibfläche des anderen Kupplungsteiles gepresst, der auf der Welle l'befestigt ist.
Der Hohlraum 22 wird im Moment des Einschalten mit Stahlkugeln 13 bis zu dem in der Zeichnung vorgesehenen Radius 13 aufgefüllt. (Die Füllung ist wegen der Deutlichkeit nur an einzelnen Stellen angedeutet. ) Zu diesem Zweck ist irgendwo über der Welle 1 ein mit geölten Kugeln verschiedener Grösse gefülltes Gefäss 18 mit dem Absperrglied 17, dem Fallrohr 16 und der Einfüllmündung 15 angeordnet, welche die Kugeln dem umlaufenden Einfüllhohlraum-M zuführt. Dieser ist durch eine Anzahl radialer Kanäle 12 oder gekrümmter Kanäle 12' (in Fig. 3 punktiert gezeichnet) mit der Mündung 23 des Ringraumes 22 verbunden.
Nach dem allmählichen Einfüllen und Nachfüllen der Kugeln entsteht durch die Schleuderarbeit der Betriebswelle wieder ein von der Fülltiefe der Stahlkugeln abhängiger, sehr hoher Druck auf die Reibbacken 24, welcher den Zug der Federn 25 überwindet und nach Beendigung des Gleitvorganges eine absolut zuverlässige,. starre Kupplung zwischen 1 und l'erzeugt.
Ein erheblicher Betriebsvorteil besteht darin, dass die starre Verbindung auch dann unverändert bestehen bleibt, wenn jede Verbindung zwischen dem umlaufenden Hohlraum M, den Kanälen 12 und dem Ringraum 22 mit dem stillstehenden Aussenraum, insbesondere dem Gefäss 18, unterbrochen ist.
Die Kupplung ist vorhanden, so lange die treibende Welle 1 sich dreht.
Ebenso einfach werden die Wellen ohne zusätzlichen Kraftaufwand entkuppelt, indem ein Teil der Kugelfüllung aus den umlaufenden Kanälen, insbesondere aus dem Ringraum 22 oder den Kanälen 12 durch geeignete Öffnungen, gegebenenfalls durch Schaltglieder 29, in einen Aussenraum entlassen wird.
Mit der Verminderung der Kugelfüllung in den Kanälen 12 sinkt dann sehr schnell der von den Kugeln ausgeübte Zentrifugaldruck, und die kolbenartigen Reibbacken 24 fliegen durch eigene Zentrifugalkraft, gegebenenfalls auch durch Rückzugfedern 25 von der Gegenfläche 21 des getriebenen Teiles ab.
In gleicher Weise lässt sich der Erfindungsgedanke auf das Entleeren der kugelgefüllten Hohlräume, d. h. zum Entkuppeln anwenden.
Im vorliegenden Fall (Fig. 3 und 4) wird z. B. das bei Fig. 11 und 12 näher zu besprechende Schaltglied 29, das ein durch einen Kolben od. dgl. bewegtes Absperrglied (Ventil oder Schieber) enthält, durch Einfüllen kleiner Kugeln aus dem Vorratsgefäss 18 durch die Öffnung 39, sowie den Hahn 38 und das feste Füllrohr 37 in den mit der Welle 1 umlaufenden Ringraum 35 und das Radialrohr 34 mit der Bohrung 33 derart bewegt, dass die Kugelfüllung aus dem Ringraum 22 entweicht.
Die ausgeschleuderten Kugeln werden zweckmässig von einer im Gehäuse 32 angeordneten Leitrinne 27 aufgenommen und durch deren Abzweigung 31, 28 in das Gefäss 18 zurückgeschleudert. Die Schleuderbewegung wird durch die über den Läufer 20 vorragenden Teile, z. B. das Schaltglied 29, unterstützt.
Zur Dämpfung der Kugelstösse und zur dauernden Schmierung der Kugeln ist das Gefäss 18 teilweise mit Öl oder Fett gefüllt ; auch kann irgendeine Rippen-oder Rohrkühlung angeordnet sein, insbesondere wenn die in Fig. 3 und 4 dargestellte Einrichtung nicht als Kupplung, sondern lediglich als Bremse oder als Bremsdynamometer Verwendung findet.
Hiefür ist lediglich der Reibkörper (Gegenfläche) 21 am Umlauf zu hindern, z. B. durch starre Verbindung mit dem festen Boden bzw. durch an sich bekannte Verbindung mit einem Waagebalken oder mit Federwaagen.
Die Wirkungsweise des Getriebes ist folgende :
Beim Einschalten werden durch vorübergehendes Öffnen des Absperrgliedes 17 Kugeln 13 in den Ringraum 22 eingefüllt. Der wachsende Kugeldruck schiebt die kolbenartigen Körper 24 vor und erzeugt die gewünschte Reib-, Kuplungs-oder Bremswirkung. Durch Auffüllen auf verschiedene Füllhöhen kann die Kraftwirkung geregelt werden.
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Beim Ausschalten werden durch Öffnen des Füllorgans 35 Kugeln j ? J in das umlaufende Abschluss- organ 29 eingelassen. Der Kugeldruck bewegt einen Steuerkolben od. dgl., so dass die Kugelfüllung und damit der Druck aus dem Arbeitsraum 22 entweicht. Nach Rückstellung dieses Steuerkolbens (vgl. Beschreibung zu Fig. 11 und 12) kann der gleiche Vorgang von neuem wiederholt werden.
Erfindungsgemäss können die Absperrglieder 17 und 38 miteinander sinngemäss verbunden oder durch Hebel, Nockenscheiben, Wellen oder andere längst bekannte Einrichtungen dieser Art verbloekt werden.
In manchen Fällen können die zur Erzeugung des Reibungsdruckes bei Kupplungen, Bremsen oder Bremsdynamometern dienenden Füllkörper zugleich auch als Reibkörper an Stelle besonderer verschiebbarer Backen oder Platten dienen. Einrichtungen dieser Art sind durch die Fig. 5 bis 9 dargestellt.
1 ist in allen Fällen eine treibende Welle, auf der durch die Nabe 2 ein äusserer Kupplungs-oder Bremsteil 40 aufgekeilt ist. Werden von aussen durch den Ringkanal 42 Kugeln in den Hohlraum eingefüllt, so werden zunächst diese durch Reibung und sonstige Widerstände mitgenommen und unter hohen Schleuderdruck gesetzt.
Nachdem ein genügender Schleuderdruck erzeugt ist, werden auch die inneren Kupplungsteile (21, 45, 47, 48 in Fig. 5 bis 9) mitgenommen.
Falls deren Träger-T usw. festgehalten ist, wird eine durch verschieden tiefes Auffüllen regelbare Bremswirkung erzeugt.
In Fig. 5 ist der Innenteil 21 eine Scheibe mit seitlich ausgebauten Wulst- oder Zylinderflächen, um die dem Kugeldruck ausgesetzten Flächen zu vergrössern.
Fig. 6 zeigt eine Ausführung mit Scheiben 45 und Zwischenwand 43 nach Art der Lamellenkupp- lungen oder-bremsen. Die Fig. 7 und 8 zeigen Ausführungen mit rillenartigen Vertiefungen, in Fig. 9 sind gegenüber Fig. 5 noch seitliche Endscheiben zugefügt, stets zum Zweck der Vergrösserung der wirksamen Reibflächen.
Zum Ausgleich des Kugeldruckes oder zufälliger Axial-oder Radialdrücke können Löcher 43 (Fig. 5 und 6) im äusseren oder inneren Teil angeordnet sein. Die Reibflächen können eben odf-r gewellt oder in radial oder schräg stehende Einzelkörper beliebiger Gestalt, z. B. Stäbe, Platten usw. aufgelöst sein, um den Mitnahmewiderstand zu erhöhen. Statt Welle 1 kann treibender Teil sein.
Das beschriebene Kraftsteuerungsprinzip und die Einrichtungen nach Fig. 3 bis 9 haben noch die Eigenschaft, dass sie als selbsttätige Leerlauf-Anlasskupplungen bei Elektro-und Verbrennungsmotoren verwendet werden können. Bei langsamen Drehzahlen reicht der Schleuderdruck der Kugeln zur Mitnahme des Teiles l'nicht aus, bei Erreichung genügender Drehzahlen findet selbsttätige Mitnahme statt.
In Fig. 5 ist eine derartige überraschend einfache Leeranlass-Riemenscheibe 55 punktiert angedeutet, deren Nabe 56 mit dem Innenteil. M starr verbunden und mit ihm auf einer Verlängerung der Welle 1 frei drehbar ist. Eine zweite Welle j !' fehlt natürlich bei dieser Verwendung. Im Innern ist irgendeine der Kupplungen Fig. 3 bis 9 zu denken.
In besonders schwierigen Fällen (bei niedrigsten Drehzahlen und grössten Kraftäusserungen) kann der für die Schleuderdrücke massgebende äussere Radius der Kugelfüllung dadurch erheblich vergrössert werden, dass nach Fig. 10 zwischen die Kolben 4 und die Druckplatten 24 radiale Stangen 52 eingeschaltet werden. 21 bedeutet z. B. den früher beschriebenen inneren Brems-oder Kupplungsteil. Dadurch werden die Kraftäusserungen auf mehr als das Vierfache erhöht. Eine Vergrösserung des wirksamen Radius der
Kugelfüllung kann sinngemäss bei allen Kraftsteuerungen vorliegender Art angewendet werden.
Die Fig. 11 und 12 zeigen Beispiele von Einzelheiten der oben mit 29 (Fig. 3 und 4) schematisch angedeuteten Schaltglieder zum Entleeren der Arbeitsräume von Kugeln.
Zwar können alle bekannten Einrichtungen zur Übertragung von Schaltbewegungen vom festen
Raum auf umlaufende Körper oder umgekehrt hiefür angewendet werden. Wesentlich einfacher und sicherer ist aber die sinngemässe Verwendung des vorliegenden Erfindungsgedankens auf diesen Hilfs- zweck, z. B. indem das Steuerglied zum Entleeren selbst wieder durch den Srhleuderdruck allmählich eingefüllter Kugeln bewegt wird.
In Fig. 11 bedeutet 58 einen im Abschlussglied 29 (vgl. Fig. 3 und 4) beweglichen Kolbenschieber, der für gewöhnlich die stark gezeichnete Abschlussstellung unter dem Druck der Feder 59 einnimmt. Soll der Arbeitsraum 22 von Kugsln entleert (also z. B. der Reibungsschluss aufgehoben) werden, so werden
Kugeln in einen zum umlaufenden Abschlussglied 58 führenden Kanal 12 eingefüllt.
Nach Erreichung einer bestimmten Füllhöhe schiebt der auf die Fläche 57 wirkende Kugeldruck den Kolben 58 um den Hub s nach rechts in die gestrichelte Öffnungssteliung, worauf die Kugeln aus dem Arbeitsraum 22 und aus dem Kanal 12 entweichen und der Kolben 55 durch Federdruck in die Schluss- stellung zurückgeht.
Die Feder 59 kann auch durch einen mit Kugeln ständig gefüllten Kanal 62, 63 ersetzt werden, der einen bestimmten Schleuderdruck des Kugelinhaltes erzeugt. Dieser treibt den Kolben 58 in die
Schlussstellung zurück, sobald der Gegendruck in dem Kanal 12 durch Entleerung genügend nachlässt.
Zur Verzögerung des Rückganges des Kolbens 58 kann eine an sich bekannte Luft-oder Ölbremsung eingebaut werden. Der Kolben 55 kann auch eine hahnartig vom Arbeitsraum 22 nach der Auslassöffnung 6C
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von der aus dem Arbeitsraum 22 zu machen.
Für diese Aufgabe könnte abermals eine kleine Kraftsteuerung nach Fig. 1 und 2 usw. dienen.
Da es sich aber um einen vorübergehenden Nebenzweck handelt, so genügt es meistens, den Schleuderkanal 12 mit einer nach dem Aussenraum führenden kleinen Hilfsöffnung 67 zu versehen, durch welche dauernd ein Teil der Kugeln aus dem Kanal 12 entweicht. Solange allerdings auf den Kolben 58 ein hoher Schleuderdruck während der Entleerung des Kanals 12 ausgeübt werden muss, sind z. B. aus dem Vorratsgefäss 18 (Fig. 2) dauernd Kugeln im Überschuss nachzufüllen. Hört die Nachfüllung auf, so entleert sich der Schleuderkanal12 selbsttätig durch die Hilfsöffnung 67.
Diese einfachste und selbsttätige Entleerungsvorrichtung kann auch in anderen Fällen angewendet werden, wo die umlaufenden Hohlräume und Kanäle nur kurzzeitig, z. B. zum Bremsen, gefüllt werden, wie in Fig. 10 mit der Öffnung 67 dargestellt ist. Besondere Entleerungsorgane können dann entbehrt werden.
Fig. 12 zeigt eine Entleerungseinrichtung 29 mit steuerbarem Differentialkolben 66, 68, der in der Schlussstellung ventilartig die Auslassöffnung 60 verschliesst und statt durch eine Feder-durch den Schleuderdruck der ständig in dem Raum 69 und dem Kanal 70 enthaltenen Kugelfüllung in die Schlussstellung gedrückt wird.
Das Abschlussglied 29 wird geöffnet, indem in beschriebener Weise in den mitumlaufenden Kanal 71, 72 Kugeln regelbar eingefüllt und dadurch Schleuderdrücke auf die Ringfläche des Kolbens 68 nach rechts ausgeübt werden. Alsdann wird der Kanal 66, 68 nach rechts geschoben, unter Überwindung des Schleuder- druckes der relativ geringeren Kugelfüllung in den Raum 69 und den Kanal 70.
Sobald in den Kanal 71 keine Kugeln mehr nachgefüllt werden, entleert sich der Kugelinhalt in oben beschriebener Weise schnell durch die ständig geöffnete Bohrung 79 des Steuerkolbens 66, worauf dieser durch die Kugeldrücke in dem Raum 69 wieder nach links in die Schlussstellung gedrückt wird und zu neuer Tätigkeit bereit ist.
Zur Schonung der aus den Entleerungsöffnungen (z. B. im Abschlussglied 29) ausgeschleuderten Kugeln wird empfohlen, den Durchmesser genügend klein zu nehmen und die Richtung der in den Aussenraum führenden Auslassöffnungen entgegengesetzt der Drehrichtung zu legen, um die absolute Austrittsgeschwindigkeit zu verringern.
Die Reibung der unter höchsten Schleuderdrücken stehenden Steuer-und Arbeitsglieder kann durch geeignete Rollenlagerung, z. B. Rollen 64 in Fig. 11, vermindert werden.
Damit die Bildung geordneter und daher unbeweglicher Kugelnester verhindert wird, empfiehlt es sich, Kugeln ungleicher Grösse einzufüllen und die Wände der Hohlräume geeignet gekrümmt, schräg oder gebrochen auszuführen.
Zur Schonung der Kugeln sollen die Wände der Hohlräume und Steuerglieder aus weicherem Material als die Kugeln bestehen. Auch wird eine ständige schwache Durchspülung von Schmieröl, Seifenwasser Qd. dgl. durch alle mit Kugeln gefüllten Räume 18, 12, 22 empfohlen, damit trockene Reibung vermieden wird. Die Bückbeförderung des Schmiermittels wird durch die Schleuderarbeit der Welle 1 durch die Leitrinne 27, 31, 28 im Kreislauf bewerkstelligt.
Da es auf Dichtigkeit der Innenräume nicht ankommt, zum Durchspülen sogar Undichtheit er- wünscht ist, können die üblichen Schraubenverbindungen der Gehäuse und Schaltglieder durch Bajonettverschlüsse ersetzt werden.
Dadurch, dass bei der vorliegenden Erfindung alle Stösse und sonstigen Kraftäusserungen auf kleine, leicht austauschbare Einzelkörper verteilt werden, entstehen neue, vielseitige Anwendungsmöglich- keiten des Getriebes für Klein-und Grosskraftzwecke.
So besteht die Möglichkeit der Vereinigung des Getriebes mit Klauen-oder Zahnkupplungen bzw. deren Betätigung, gegebenenfalls durch einfaches Zwischenfüllen von Stahlkugeln nach Fig. 1 bis 10.
Weiterhin kann der Erfindungsgedanke Anwendung finden bei Reibungs-oder Zahn (Klauen)- kupplungen in Verbindung mit hydraulischen Strömungskupplungen, die zur Überwindung des anfänglichen grossen Schlupfes dienen. Unter Umständen genügt es, nach dem Anlassen der Strömungskupplung diese mit Kugeln teilweise aufzufüllen, wodurch starre Mitnahme erfolgt.
Auch für Automobilgetriebe zum Einschalten der verschiedenen Zahnräder, je durch an oder eingebaute Reib-oder Zahnkupplungen kommt das neue Steuerungsgetriebe in Frage, ferner für umlaufende Widerstandsschalter in den Ankern von Gleich-oder Wechselstrommotoren, für selbsttätige Ein-oder Ausschaltkupplungen, Riemenscheiben u. dgl., bei Über. - oder Unterschreitung bestimmter Drehzahlen (Sicherheitskupplungen und-bremsen), insbesondere auch zur Sicherung durchgehender Wasserkraftmaschinen, schliesslich für Schalt-und Steuer Vorrichtungen an Werkzeug-, insbesondere Schleifmaschinen, sowie an Textil-und Papiermaschinen, für Verstellflügel oder-schaufeln von Verstellpropèllern für Luft-oder Wasser-, Propeller.
und Kaplan- turbinen oder-pumpen, für selbsttätigen Leerlauf von Explosionsmotoren für Fahrzeuge (Schiffe, Automobile, Triebwagen, Verbremlungsmotor-Lokomotiven, Flugzeuge) sowie endlich für Schaltglieder an Zentrifugen, Messapparaten aller Art u. dgl.