DE4040240A1 - Hebelkombination zur besseren kraftuebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung der Kraft, die auf einen einen Kurbelarm verlängernden Hebel ausgeübt wird, mit einem Kurbelarm und um einen Mittelpunkt drehbare Zahnräder mit zum Verbraucher führenden Verbindungs­ element in Form einer Kette.

Allgemein gültig ist das Gesetz, nach dem durch Ver­ längerung einer Kurbel die darauf ausgeübte Kraft geringer bemessen werden kann, als die auf die andere Kurbel ein­ wirkende Gegenkraft. Dementsprechend muß die Länge der Kurbel, d. h. muß der Weg verlängert werden, wenn die Kraft weiter verringert werden soll. Hier sind aber bauliche und sonstige Grenzen gesetzt, so daß dies allein kein Lösungsweg ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine die aufgebrachte Kraft optimaler nutzende Hebelkonstruktion zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hebelarm als Winkelhebel ausgebildet und am freien Ende der Kurbelarm gelenkig angeordnet ist, daß der Winkelhebel zwei endseitig starr miteinander verbundene, rechtwinklig zueinander angeordnete Hebel aufweist, von denen der unbe­ lastete Hebel über das über ein Umlenkrollensystem geführte Zugelement mit einem zweiten, in Verlängerung des Kurbelarms angeordneten zweiten Kurbelarms die Resultierende des Winkel­ hebels etwa in Längsrichtung der die Last aufnehmenden Kurbelarms haltend bzw. den Hebel etwa waagerecht haltend verbunden ist.

Mit einer solchen Lösung ist es möglich, die Hebelkräfte korrekt nach den Gesetzen des Kräfteparallelogramms auszu­ nutzen, wobei die Last, die auf den mit dem Winkelhebel ausgerüsteten Kurbelarm ausgeübt wird, gleichzeitig auch dazu dient, den gegenüberliegenden Kurbelarm über das Umlenk­ rollensystem in der gleichen Richtung zu beeinflussen, so daß die Kraft quasi mehrfach ausgenutzt wird. Dementsprechend kann über eine solche Hebelkombination eine größere Last gehoben bzw. mehr an Arbeit geleistet werden.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der unbelastete Hebel des Winkelhebels kürzer, vorzugsweise um 10% der Länge des anderen Hebels aufweisend ausgebildet ist. Die so durch das Kräfteparallelo­ gramm auftretenden größeren Kräfte am freien Ende des unbe­ lasteten Hebels greifen gleichzeitig über das Umlenkrollen­ system an dem gegenüberliegenden Kurbelarm an und beeinflussen den Antrieb positiv.

Eine weitere zweckmäßige Ausbildung sieht vor, daß das Zugelement ein Seilzug ist. Denkbar sind auch andere Ausbildungen beispielsweise in Form eines Kettenzuges, doch hat ein Seilzug den Vorteil eines ruhigeren Laufes und der einfachen Umlenkung um das Umlenkrollensystem. Darüber hinaus ist ein derartiger Seilzug flexibel, so daß auch beim Rich­ tungswechsel des Bewegungsablaufes eine schnelle und einwand­ freie Übertragung der Kräfte gesichert ist.

Zumindest in einer ersten Phase ist ein Auf- und Abbe­ wegen der Kurbelarme vorteilhaft, wobei unter gewissen Vor­ aussetzungen auch ein rundumlaufendes System verwirklicht werden kann. Beim sich auf- und abbewegenden System ist es von Vorteil, wenn das als Kette ausgebildete Verbindungs­ element in eine Zahnstange übergehend ausgebildet ist, die wiederum auf ein Schwungrad einwirkt. Das Schwungrad hat den Vorteil, daß es optimal geeignet ist, die von der Hebel­ kombination übernommene Kraft aufzunehmen und an geeignete Abnehmer weiterzugeben und beim hin- und herbewegenden System das System in die Ausgangslage zurückzubringen.

Eine weitere Möglichkeit, den beschriebenen Vorteil bei einem vereinfachten System zu verwirklichen ist die, bei der die Kurbelarme parallel zueinander und eine Einheit bildend angeordnet sind. Dies hat insbesondere dort Vorteile, wo weniger Platz zur Verfügung steht und wo andererseits kleinere Ausführungen zum Einsatz kommen sollen.

Eine weitere zweckmäßige Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß die Kurbelarme getrennt angeordneten Zahnrädern mit Ketten zugeordnet und über das Zugelement gleichsinnig drehend miteinander verbunden sind. Diese Ausbildung hat insbesondere den Vorteil, daß nunmehr zwei Abnahmepunkte für die aufgebrachte Kraft vorhanden sind, so daß gleich­ zeitig zwei Systeme angetrieben oder aber auch wechselweise angetrieben werden können, je nachdem, wie der Abnehmer ausgebildet ist.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß eine die Kraftübertragung und damit die Kraftausnutzung optimierende Hebelkombination geschaffen ist. Insbesondere ist es möglich, mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Hebelkombination den Hebel jeweils in horizontaler Lage zu halten. Dabei bewegen sich die beiden Kurbeln jeweils gleichförmig, so daß das, was an Seillänge auf Seiten des Kurbelarmes (4) weggenommen wird, auf Seiten des Kurbelarmes (3) wieder zugegeben wird.

Anhand der Fig. 1, 2 und 3 werden Einzelheiten erläutert und der Kern der vorliegenden Erfindung bildlich wiederge­ geben. Es zeigen:

Fig. 1 die Hebelkombination in der Ausgangsstellung,

Fig. 2 die Hebelkombination etwa nach Zurücklegen der Hälfte des Weges,

Fig. 3 die Hebelkombination an der untersten Stel­ lung eines ersten Bewegungsablaufes,

Fig. 4 eine Hebelkombination mit einem Hebelarm,

Fig. 5 eine Hebelkombination mit jedem der Hebelarme zugeordnetem Zahnrad,

Fig. 6 ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung der aufge­ wendeten Arbeit.

Bei der in Fig. 1 wiedergegebenen Hebelkombination (1) sind mit einem Zahnrad (2) ausgerüstete, sich gegenüber­ stehende Kurbelarme (3, 4) vorgesehen, die über die Achse (5) miteinander verbunden sind. Auf dem Zahnrad (2) verläuft eine Kette (6), die mit einer hier nur angedeuteten Zahn­ stange (7) verbunden ist. Die Zahnstange (7) wiederum steht mit einem Schwungrad in Verbindung, auf das die Kraft einmal übertragen wird und mit der es weiter möglich ist, das System jeweils in die Ausgangslage zurückzubringen.

Am freien Ende des Kurbelarms (3) ist ein Winkelhebel (10) angeordnet. Dieser Winkelhebel (10) ist schwenkbar mit dem Kurbelarm (3) verbunden, wobei der Drehpunkt mit (13) bezeichnet ist.

Der Winkelhebel (10) weist den belasteten bzw. belast­ baren Hebel (11) und den rechtwinklig dazu stehenden unbe­ lasteten Hebel (12) auf. Dieser Hebel (12) ist im darge­ stellten Beispiel wesentlich kürzer als der belastbare oder belastete Hebel (11), so daß entsprechende größere Kräfte über das Zugelement (14) am freien Ende (15) des Hebels (12) aufgebracht und übertragen werden können.

Das freie Ende (15) des Hebels (12) ist über das Zug­ element (14), das um die Umlenkrollen (16, 17, 18, 19) geführt ist, mit dem mitlaufenden Kurbelarm (4) verbunden. Aufgrund dieser Verbindung und der Anordnung bzw. Befestigung am Winkelhebel (10) wird die am Hebel (11), vorzugsweise an dessen freien Ende aufgebrachte Last (20) optimal ausgenutzt, indem sie gleichzeitig auch auf den Kurbelarm (4) einwirkt und das System in Bewegung bringt.

Ist die Hebelkombination (1) von der senkrechten Stel­ lung des Kurbelarms (3) über die in Fig. 1 wiedergegebene Stellung in die horizontale und ggf. auch in die wieder vertikale Position gebracht worden, so wird nur ein Teil der aufgebrachten Arbeit dazu ausgenutzt, über das Schwung­ rad das System in die Ausgangslage, d. h. in die senkrechte Stellung des Kurbelarms (3) und natürlich auch (4) zurückzu­ bewegen. Dann kann erneut die entsprechend mehrfach ausge­ nutzte Kraft aufgebracht und das System wieder in Bewegung gebracht werden.

Während in Fig. 1 wie erwähnt die Ausgangsstellung des Kurbelarms wiedergegeben ist, zeigt Fig. 2 die Kurbel­ arme (3, 4) nach Zurücklegen der Hälfte des vorgesehenen Weges. Es wird deutlich, daß sowohl der Drehpunkt (13), also das Ende des Kurbelarms (3) wie auch der Punkt (21) am Ende des Hebels (11) während dieses Bewegungsablaufes den gleichen Weg zurückgelegt haben, allerdings der Punkt (21) im Abstand des Hebels (11). Auch Fig. 3, die das vor­ läufige Ende des Bewegungsablaufes wiedergibt, zeigt, daß auch hier der Hebel (11) sich noch in der Waagerechten be­ findet, was durch das Seil (14) bewirkt wird, so daß auch hier die Punkte (13 und 21) sich auf ihren unterschiedlichen Bewegungsbahnen bewegend den gleichen Weg zurückgelegt haben.

Anhand eines Fahrrades ist eine Überprüfung vorgenommen worden. An den Kurbelarm (3) wurde in waagerechter Stellung ein Eimer mit 10 l Wasserinhalt gleich 10 Kp angehängt. Das Zahnrad hat einen Halbradius von 10 cm, das hintere kleinere Zahnrad des Fahrrades hat einen Halbradius von 3 cm. Der Halbradius des Hinterrades insgesamt betrug 33 cm. Der Ausgleich des Kräfteparallelogramms wurde wie folgt erreicht: 10 l an dem Kurbelarm (3) im Bereich des Drehpunktes (13) angehängt, erbrachten 1,5 Kp in gleicher Höhe des hier nicht dargestellten Hinterrades. Unter Hinzu­ schüttung von 1 l Wasser wurde das System in Bewegung gebracht.

Berechnet man das Kräfteparallelogramm an dem Kurbelarm, so ergibt sich:

10 l = 10 Kp×17 cm Kurbellänge = 117 Kp : den Halb­ radius des Zahnrades 10 cm = 17 Kp.

17 Kp werden über die Kette auf das Hinterrad gebracht, wobei diese Kette nicht mit der in Fig. 1 gezeigten iden­ tisch ist. Diese 17 Kp greifen auf das gleiche Zahnrad mit Halbradius von 3 cm. 3 cm×17 Kp = 51 Kp : den Halbradius des Hinterrades von 33 cm und damit 1,545 Kp.

Beim zweiten Versuch mit Einsatz der Hebelkombination (1) werden die Hebel (11, 12) des Winkelhebels (10) aus Gründen der Reibung gleichlang gewählt, nämlich jeweils 10 cm. Um das System ins Gleichgewicht zu bringen, mußten insgesamt 4,5 l Wasser abgeschöpft werden, was einer Kraft­ ersparnis von 45% gleichkommt. Anschließend kam dann die zweite Bewegungsmessung zur Durchführung. Der Kurbelarm (3) kam in senkrechter Ausgangsstellung wie in Fig. 1 darge­ stellt. Der um 4,5 l geleichteter Eimer wurde dann an Punkt (20 bzw. 21) angelenkt und unter Hinzugabe von 1/2 l Wasser in Bewegung gebracht. Während hier ein Gefälle von nur 10 cm überwunden wurde, konnte auf der anderen Seite gleichzeitig das unveränderte Gewicht von 1,545 Kp resultierend aus der alten Antriebsmethode unter Zurücklegung von einer Weg­ strecke von 52 cm auf eine Höhe von 33 cm gebracht werden.

Vergrößert man den technischen Aufwand, um den Reibungs­ widerstand zu überwinden, können die Hebel (11, 12) in der Weise manipuliert werden, daß der Hebel (12) um ein Mehr­ faches kleiner ist als Hebel (11), was in Fig. 1 wiedergegeben ist. Die so durch das Kräfteparallelogramm auftretenden größeren Kräfte im Angriffspunkt bzw. am freien Ende (15) des Hebels (12) greifen dann gleichzeitig auf der gegenüber­ liegenden Seite bedingt durch das Zugelement (14) an den Kurbelarm (4) an und beeinflussen den Antrieb positiv.

Die eingesetzte Kraft auf der Seite des Kurbelarms (3) wird mit der einfachen Kraft und der Länge des Kurbelarms (3) multipliziert und in der Summe zum Kurbelarm (4) addiert. Dieser Doppeleffekt bringt die gewünschte verbesserte Kraft­ ausnutzung. Wollte man mit vermindertem Krafteinsatz das gleiche Hebeergebnis erreichen, müßte der Kurbelarm (3) bzw. der Hebel (11) doppelt so lang bemessen werden.

Fig. 4 zeigt eine Ausbildung, bei der die Kurbelarme (3 und 4) zu Einem vereinigt sind. Auch bei dieser Ausbildung ist eine gute Übertragung der Kräfte gesichert, wobei der Hebel (11) immer etwa in der Waagerechten gehalten wird, zumindest während des Durchlaufens des ersten Kreisviertels bzw. der beiden ersten Kreisviertel.

Fig. 5 zeigt insofern eine besondere Ausbildung, als hier die beiden Kurbelarme (3, 4) nicht in Verlängerung zuein­ ander angeordnet sind, sondern vielmehr zusammen mit den Zahnrädern (2 und 22) jeweils eine Einheit bilden, die dann über das Zugelement (14) miteinander verbunden werden. Die Umlenkrollen (16, 17) sind dabei so angeordnet, daß eine einwandfreie Übertragung vom Hebel (12) auf den Kurbelarm (4) gesichert ist.

Anhand des Diagramms nach Fig. 6 wird die bisherige Antriebsmethode und die erfindungsgemäße über die Hebelkombi­ nation miteinander verglichen. Über Versuch wurde bei gleichen Werten der aufgewendeten Arbeit am Hebelarm (3) jeweils die aufgewendete Arbeit an der Hebelkombination (11, 12) ermittelt und einander gegenübergestellt.

Bei 235,6 cmkp und 0,59 cm Hub ergibt sich eine abge­ nommene Arbeit von 139 cmkp von 10 cm = 1/2 Durchmesser des Zahnrades (2); 1 cm Gefälle an 17 cm Kurbelarm = 0,59 cm Steigung am Kurbelarm. Dementsprechend ergibt sich bei Einsatz nur des Kurbelarms (3) eine aufgewendete Arbeit von 170 cmkp und ein Wirkungsgrad von ∼82% (139/170). Bei Einsatz der Hebelkombination (11, 12) dagegen ergibt sich eine aufgewendete Arbeit von 75,29 cmkp und ein Wirkungs­ grad von 185% (137/75,29).

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Übertragung der Kraft, die auf einen einen Kurbelarm verlängernden Hebel ausgeübt wird, mit einem Kurbelarm und um einen Mittelpunkt drehbare Zahn­ räder mit zum Verbraucher führenden Verbindungselement in Form einer Kette, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel als Winkelhebel (10) ausgebildet und am freien Ende (9) des Kurbelarms (3) gelenkig angeordnet ist, daß der Winkelhebel zwei endseitig starr miteinander verbundene, rechtwinklig zueinander angeordnete Hebel (11, 12) aufweist, von denen der unbelastete Hebel (12) über das über ein Umlenkrollensystem (16, 17, 18, 19) geführte Zugelement (14) mit einem zweiten, in Verlängerung des Kurbelarms (3) angeordneten zweiten Kurbelarms (4) die Resultierende des Winkelhebels (10) etwa in Längsrichtung der die Last auf­ nehmenden Kurbelarms (3) haltend bzw. den Hebel (11) etwa waagerecht haltend verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unbelastete Hebel (12) des Winkelhebels (10) kürzer, vorzugsweise nur 10% der Länge des anderen Hebels (11) aufweisend ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugelement (14) ein Seilzug ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Kette (6) ausgebildete Verbindungselement in eine Zahnstange übergehend ausgebildet ist, die wiederum auf ein Schwungrad einwirkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelarm (4) und der Kurbelarm (3) parallel zuein­ ander und eine Einheit bildend angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelarme (3, 4) getrennt angeordneten Zahnrädern (2, 22) mit Ketten (6) zugeordnet und über das Zugelement (14) gleichsinnig drehend miteinander verbunden sind.