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Vorrichtung zum Ausgleich einer innerhalb eines bestimmten Bereiches
senkrecht beweglichen Last Die Erfindung, bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Ausgleich einer innerhalb eines bestimmten Bereiches senkrecht beweglichen Last,
wobei an dem einen Arm eines Winkelhebels die Last und an dem anderen Arm ein federndes
Kuppelglied angreift. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, diese Vorrichtung so auszugestalten,
daß bei Änderungen der Lage des Winkelhebels die von der Feder ausgeübte Hubkraft
gleichbleibt und der ebenfalls gleichbleibenden Last entspricht. Dabei soll die
Vorrichtung so ausgestaltet sein, daß das federnde Küppelglied mindestens in einer
mittleren Lage nur schwach geneigt verläuft, so daß sich eine möglichst geringe
Bauhöhe der Ausgleichvorrichtüng auch dann ergibt, wenn das federnde Kuppelglied
verhältnismäßig lang ist. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß das federnde Kuppelglied von einem Tragrahmen schwingend um eine Anlenkachse
gehalten ist, die auf einer durch die Winkelhebeldrehachse verlaufenden Linie liegt,
deren Winkelabstand von der Senkrechten im wesentlichen ebenso groß ist wie der
von den Armen des Winkelhebels eingeschlossene Winkel.
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Bei einer bekannten federnden Lastausgleichvorrichtung mit Winkelhebel,
die für ein Garagenkipptor bestimmt ist, ist die eingangs gestellte Aufgabe nicht
gelöst. Dort bilden die Arme des Winkelhebels einen rechten Winkel, während die
Linie, welche durch die Anlenkachse des federnden Kuppelgliedes am Tragrahmen und
durch die Achse des Winkelhebels
verläuft, von der Senkrechten einen
Winkelabstand von etwa 6o° hat. Dabei ergibt sich kein genauer Ausgleich der Last.
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Es ist auch bereits eine genau wirkende Vorrichtung zum Ausgleich
einer innerhalb eines bestimmten Bereiches senkrecht beweglichen Last bekannt, bei
welcher an einem Hebel sowohl die Last als auch ein federndes Kuppelglied angreifen.
Dieser Hebel ist aber kein Winkelhebel. Bei dieser Anordnung kommt die Feder stark
geneigt zu liegen, und die Vorrichtung hat daher einen verhältnismäßig großen Platzbedarf
in senkrechter Richtung. Um die Neigung der Feder zu verringern, müßte man diese
in unwirtschaftlicher Weise verlängern und verstärken, so daß die Feder teuer wird
und ihre Gelenkzapfen unwirtschaftlich stark beansprucht werden.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich für den Lastausgleich
in allen Fällen, in denen die Last unter der Wirkung der Schwerkraft herabzusinken
sucht, aber durch eine Feder im genauen Gleichgewicht gehalten werden soll, wobei
es erwünscht ist, diese Feder waagerecht oder nur schwach geneigt anzuordnen. Beispiele
hierfür sind Garagentüren, Hauben für den Motor- oder Kofferraum an Kraftwagen,
Zeichengeräte mit senkrechtem Zeichentisch u. dgl.
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Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine solche Ausgestaltung der
Ausgleichvorrichtung, daß diese sich innerhalb der Grenzen ihrer Belastbarkeit leicht
einstellen läßt, um sie verschiedenen Lasten anzupassen.
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Weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung. Wie man die Grundsätze der Erfindung am besten verwirklichen kann,
ergibt sich aus der Zeichnung, jedoch dienen die in dieser dargestellten Ausführungsbeispiele
lediglich zur -Erläuterung' der Erfindung. In der Zeichnung zeigt Fig. i einen Aufriß
der Vorrichtung nach der Erfindung mit . einem Winkelhebel, an welchem die Last
aufgehängt ist und der eine Drehung von 36o° ausführen kann, Fig. 2 den Schnitt
nach der Linie 2-2 der Fig. i von oben gesehen, Fig. 3 die von rechts gesehene Seitenansicht
der in Fig. i dargestellten Vorrichtung, Fig. 4 einen Federteller im Aufriß, Fig.5
den Federteller von der anderen Seite, Fig: 6 ein Schema der Vorrichtung, Fig. 7
eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Zugfeder in schematischer Darstellung,
Fig. 8 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Druckfeder in schematischer
Darstellung, Fig.9 das Schema der Vorrichtung mit einem Winkelhebel und an einer
diesen angreifenden Federung, Fig. ro einen der Fig. i entsprechenden Aufriß der
Vorrichtung, bei welcher der Drehwinkel des Winkelhebels auf go° beschränkt ist,
Fig. ii einen Grundriß einer abgeänderten Vorrichtung mit, geradliniger Bewegung
der Last, Fig. 12 den zur Fig. ii gehörigen Aufriß der Vorrichtung in der tiefsten
Stellung der Last, Fig. 13 die in Fig. 12 dargestellte Vorrichtung im Aufriß bei-
aufwärts bewegter Last, Fig. 14 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung im
Aufriß mit geradliniger Führung der auf einer Stütze ruhenden Last, Fig. 15 die
in Fig. 14 gezeigte Vorrichtung von rechts gesehen in Seitenansicht, Fig. 16 einen
der Fig. 14 entsprechenden Aufriß mit aufwärts verstellter Last und Fig. 17 den
zur Fig. 14 gehörigen Grundriß.
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Die in den Fig. i bis 5 dargestellte Vorrichtung ist mit einem einfachen
U-förmigen Tragrahmen io versehen, dessen obere Platte ioa durch einen oder mehrere
Bolzen i2 an der Unterseite irgendeines hoch gelegenen Trägers befestigt wird. Von
der Platte ioa ragen die Seitenplatten iob herab. Da d;ese und die von ihnen getragenen
Teile zur strichpunktierten Mittelebene c-l symmetrisch ausgeführt sind, sind die
entsprechenden Teile mit der gleichen Bezugszahl versehen.
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In den Seitenplatten iob sind zwei Zapfen 14 gelagert, deren gemeinsame
Achse A waagerecht verläuft. Um jeden dieser Zapfen ist ein Arm 16 eines Winkelhebels
innerhalb der Seitenplatten schwenkbar, und diese Arme 16 sind an ihren Enden durch
einen Zapfen 18 verbunden, dessen Achse bei B wiedergegeben ist und der am besten
in den Armen 16 verstiftet wird. Die Zapfen 14 tragen an ihren äußeren Enden _je
einen aufgekeilten Arm 2o des Winkelhebels, die außer durch den Keil auch durch
eine Klemmschraube befestigt - sind. Die nach außen ragenden Kurbelzapfen 2o" der
Arme 2o dienen zum Anschluß von Stangen 24. Die gemeinsame Achse der beiden Kurbelzapfen
2o" ist mit C bezeichnet. An dem Zapfen 18 zwischen den inneren Armen 16 ist schwenkbar
eine Kurbelstange 26 aufgehängt, an der die Last angreift, deren Gewicht auszugleichen
ist.
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In der linken unteren Ecke des Rahmens io ist, wie Fig. 2 zeigt, zwischen
den Rahmenplatten iob eine Strebe 28 befestigt, z. B. angeschweißt, die mit einer
Bohrung 28" versehen ist. .Die Achse dieser Bohrung schneidet die Achse A im rechten
Winkel. Durch diese Bohrung hindurch erstreckt sich eine Stellschraube 30, die in
einen rechteckigen Block 32 eingeschraubt ist. Von den entgegengesetzten Seiten
dieses Blockes erstrecken sich Gelenkzapfen 32a in waagerechter Richtung durch-
Schlitze io, der Seitenplatten hindurch. Die gemeinsame Achse der beiden Gelenkzapfen
32a ist mit D bezeichnet. Jeder der beiden Gelenkzapfen 32a ist mit einem verhältnismäßig
großen zylindrischen Abschnitt 32b versehen, der in dem betreffenden Schlitz io,
gleitend geführt ist und in diesem Schlitz durch Drehen der Stellschraube 30 verschoben
werden kann. Das äußere zylindrische Ende 32, eines jeden Gelenkzapfens
34 hat einen etwas kleineren Durchmesser und ist außen mit einer Umfangsnut
ausgerüstet, die zur Aufnahme eines Federringes 34 dient.
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Die Gelenkzapfen 32a tragen nun je einen schwenkbaren Federteller
36 für eine Feder 38. Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, hat zu diesem Zweck der Federteller
36 auf seiner einen Seite einen ringsherum laufenden Flansch 36a, der zum Zentrieren
der
Feder 38 dient, während er auf der anderen Seite mit zwei Lageraugen
36b versehen ist, die auf dem Gelenkzapfen 32a sitzen. In der Mitte hat der Federteller
ein rechteckiges Loch 36c, das ausgerichtet zum Zwischenraum zwischen den beiden
Lageraugen angeordnet ist. Der in die Nut des Gelenkzapfens 32a eingesprengte Federring
34 sichert daher den Federteller 36 gegen Verschiebung.
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Das andere Ende der Feder 38 stützt sich an dem äußeren Flansch 40a
einer Buchse 4o ab, die in die Feder hineinragt und sie abstützt, so daß sie nicht
seitlich ausweichen kann. Die Buchse 40 ist innen durch einen Boden 4ob abgeschlossen,
gegen den sich eine Mutter 42 legt, die auf das mit Gewinde versehene Ende 24a der
Stange 24 aufgeschraubt ist. Diese Stange wird am besten von einem Flacheisen mit
einem Längsschlitz 24b gebildet, durch den der Gelenkzapfen 32a hindurchgeht. Dieses
Flacheisen ragt durch das Loch 36c des Federtellers 36 zwischen den Lageraugen 36b
hindurch. Am Ende dieses Flacheisens befindet sich ein Loch 24c, w"lches ein Lager
für den Kurbelzapfen 2oa bildet. Es ist jedoch auch möglich, den Schlitz 24b so
weit zü verlängern, daß der Kurbelzapfen 2o durch den Schlitz hindurchgeht. Eine
Unterlegscheibe 44 und eine Mutter 46 sichern die Stange in ihrer Lage auf dem Kurbelzapfen
2oa.
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Wenn im nachstehenden von den Achsen A, B, C und D die Rede ist, so
sind damit stets die Achsen von Drehzapfen gemeint, welche im großen und ganzen
dieselbe gegenseitige Lage aufweisen, wie sie in Fig. I gemeint ist.
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Die mit den Kurbelzapfen I8 und 2oa und mit den Wellenzapfen I4 versehene
Kurbel kann um 36o° in jede beliebige Winkelstellung gedreht werden. In jeder dieser
Stellungen wird die am Kurbelzapfen I8 durch die Stange 26 aufgehängte Last ausgeglichen.
Ist diese Last von unveränderlicher Größe und hängt sie frei an dem Kurbelzapfen
I8, so daß sie diesen senkrecht nach unten zieht, so sucht die Last beim Durchlaufen
der Arme I6 durch die obere Totpunktlage im Uhrzeigersinn gemäß dem Pfeil in Fig.
I auch die Kurbelwelle im Uhrzeigersinn zu drehen. Bei weiterer Drehung wirkt die
Last nach Durchlaufen der Arme I6 durch die untere Totpunktlage im entgegengesetzten
Drehsinn. Es kommt also für den Gewichtsausgleich darauf an, wie stark die Federn
auf die Kurbelzapfen 2oa wirken müssen, damit sie das Gewicht der Last in jeder
Winkelstellung ausgleichen.
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Um die grundsätzliche Lösung dieser Aufgabe zu erläutern, sei zunächst
irgendeine Gleichgewichtslage der Vorrichtung betrachtet. Fig. 6 veranschaulicht
einen Körper M, der schwenkbar auf einem festen waagerechten Drehzapfen A gelagert
ist und sich in einer senkrechten Ebene zu drehen sucht, etwa unter dem Gewicht
einer im Punkt B angreifenden Last W von unveränderlicher Größe. Bei der Last W
kann es sich dabei um das Eigengewicht des Körpers M selbst handeln. In diesem Falle
würde der Punkt B der Schwerpunkt des Körpers sein. Nun sei angenommen, daß zum
Lastausgleich irgendein federndes Kuppelglied N vorgesehen ist, das im Punkt C an
den Körper M angreift und an einem festen Punkt D verankert ist. Diejenige Lage
der Punkte C und D, die zu einem genauen Lastausgleich führt, sei zunächst noch
nicht bekannt. Die Feder übt in der Richtung vom Punkt C zum Punkt D hin auf den
Körper M die Federkraft F aus. Damit sich ein vollständiger Lastausgleich ergibt,
muß das durch die Federkraft F ausgeübte, im Gegenuhrzeigersinn wirkende Drehmoment
demjenigen entsprechen, das die Last W im entgegengesetzten Drehsinn auf den Körper
M ausübt. Sind das Gewicht W und die genaue Lage des Schwerpunktes B bekannt, so
ergibt sich nunmehr die Aufgabe, die genaue Lage der Punkte C und D sowie die Federkonstante
k der Feder zu bestimmen.
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Man ziehe die senkrechte Linie X-X und die waagerechte Linie Y-Y durch
die Achse A. Man ziehe die Radiallinien A-B, A-C und A-D und die Linie C-D und bezeichne
sie mit b, c, d und e. Alsdann bezeichne man die von diesen Linien gebildeten Winkel
wie folgt: Den Winkel zwischen der X-X-Achse und der Linie b mit R; den Winkel zwischen
der Linie d und der X-X-Achse mit S; den Winkel zwischen der Linie d und der Linie
c mit T; den Winkel zwischen den Linien c und b mit U und den Winkel zwischen der
Linie b und der Y-Y-Achse mit V.
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Da angenommen wird, daß unabhängig von der jeweiligen Winkelstellung
des Körpers M das Gewicht W senkrecht nach unten wirkt, ist sein Drehmoment stets
dem senkrechten Abstand der Linie B-W von der Achse A verhältnisgleich. Dieser Abstand
beläuft sich als Funktion des Winkels R zwischen der Linie b und der X-X-Achse,
ausgedrückt auf b ₧ sin R. Daher läßt sich das durch das Gewicht W ausgeübte
Drehmoment ausdrücken als W ₧ b ₧ sin R. Trägt man die Lastmomente
als Funktion der Winkellage auf, so erhält man eine genaue Sinuskurve.
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Nimmt man weiter an, daß die Federkraft F in der Richtung von C nach
D längs der Linie e wirk, so kann man den Hebelarm des Stützmomentes durch die Senkrechte
h darstellen, die vom Punkt A auf die Linie e gefällt wird. Der Hebel am Arm h ändert
sich in seiner Größe mit der Winkellage des Körpers und muß daher als Winkelfunktion
ausgedrückt werden. Es ergibt sich nun aus dem Dreieck A CD,
daß die Höhe
h gleich ist dem Produkt der benachbarten Seiten c und d und dem Sinus des von diesem
gebildeten Winkels T, dividiert durch die dritte Seite. Man kann also das Stützmoment
der Federkraft darstellen als Funktion von
Mithin ergibt sich das Stützmoment wie folgt
Trägt man dieses Stützmoment als Funktion des Winkels T auf, so ergibt sich wiederum
eine genaue Sinuskurve. Zur Erzielung eines genauen Gewichtsausgleichs müssen die
beiden Sinuskurven des Lastmomentes und des Stützmomentes gleiche und entgegengesetzte
Ordinaten aufweisen. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Winkel R und T bei jeder
Winkelstellung des Körpers M gleich groß bleiben. Zunächst sei festgestellt, wie
man die Winkel gleich
machen kann, wenn der Körper M die in Fig.
6 gezeigte Winkellage einnimmt. Man kann dann die Gleichgewichtsbedingung für die
Momente durch folgende Formel ausdrücken:
Aus dem Schema der Fig. 6 ergibt sich, daß der Winkel T dem rechten Winkel zwischen
den Achsen X-X und Y-Y, vermindert um die Winkel V und U zuzüglich des Winkels S,
entspricht. Daher beläuft sich der Sinus des Winkels T auf sin T = sin (9o° - V
- U + S (2) oder auf sin T = sin [9o° - (V + U - S)]. (3) Da der Sinus von 9o°,
vermindert um einen bestimmten Winkel, gleich dem Kosinus des Winkels ist, ergibt
sich sin T = cos (V + U - S). (4) In entsprechender Weise entspricht der Winkel
R dem rechten Winkel zwischen den Achsen X-X und Y-Y, vermindert um den Winkel V.
Es ergibt sich daher die folgende Formel: sin R = sin (9o° - V) (5) oder sin R =
cos V. (6) Setzt man dies in die Formel (I) ein, so erhält man
Hieraus wird es klar, daß, wenn man die Winkel U und S gleich groß macht, sie sich
gegenseitig aufheben und daß zwei gleich große Kosinuswerte übrigbleiben, die ihrerseits
aus der Gleichung herausfallen. Eingangs war nun angenommen worden, daß die Punkte
C und D eine beliebige Läge haben. Man kann sie nun so wählen, daß die Linie c von
der Linie b denselben Winkelabstand hat, wie die Linie d von der X-X-Achse. Wenn
das geschieht, wird der Winkel U gleich dem Winkel S. Wird diese Bedingung erfüllt,
so können auch die Winkel R und T gleich bemessen werden, weil R + S = T + U. Sind
S und U gleich, so folgt aber, daß R und T gleich sein müssen. Durch gleiche Bemessung
der Winkel U und S erhält man also auch Gleichheit, der Winkel R und T, deren Sinuswerte
die Momentenkurven der Last und der Stützkraft bestimmen. Sind die Winkel U und
S gleich groß, so fallen sie aus der Gleichung (7) heraus, und mit ihnen können
auch die beiden Kosinuswerte herausgestrichen werden, so daß übrigbleibt
Durch gleiche Bemessung der Winkel U und S ist die Richtung der Linien c und d bestimmt.
Die nächste Frage ist nun, wo auf diesen Linien die Punkte C und D zu liegen kommen.
Die Gleichung (8) läßt sich wie folgt umstellen:
Da die vier Größen des Bruches sämtlich Konstanten sind, so folgt, daß die für den
vollständigen Gewichtsausgleich erforderliche Federkraft F dem linearen Abstand
e verhältnisgleich ist. Aus diesem Grund muß man eine Feder mit linearer Kennlinie
verwenden, deren Kraft unmittelbar dem Abstand zwischen den Punkten C und D proportiönal
ist. Das bedeutet also, daß der Abstand zwischen diesen Punkten jederzeit ein unmittelbares
Maß der gesamten Verformung der Feder darstellt.
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Die Kraft jeder Feder ergibt sich aus ihrer Kennlinie. Sie beläuft
sich auf das Produkt der Federkonstante k mit dem Maß der Verformung. Ist diese
Verformung der Feder gleich der Größe e in Fig. 6, dann muß die Federkonstante k
sich auf den Bruch
belaufen. Man wählt also die Größen c und d so, daß ihr Produkt dividiert durch
W ₧ b die gewünschte Federkonstante ergibt. Durch die Wahl der betreffenden
Abstände c und d bestimmt man die Lage der Punkte C und D auf den Linien A-C und
D-C.
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So ergibt sich also aus der Ableitung der Formel (9), daß folgende
Bedingungen erfüllt sein müssen: erstens muß das Maß der elastischen Verformung
der Feder dem Abstand e zwischen den Punkten C und D entsprechen; zweitens müssen
die Abstände c und d so bemessen sein, daß sie die richtige Federkonstante k ergeben,
und drittens müssen die Winkel S und U gleich groß bemessen werden.
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Die erste Forderung, daß nämlich der Abstand e zwischen den Punkten
C und D der tatsächlichen elastischen Verformung der Feder entspricht, schließt
die Möglichkeit aus, eine einfache Zugfeder zwischen den Punkten C und D einzuspannen.
Denn dann würde der Abstand e sich auf die Summe der Federlänge, der Länge der Verankerungsmittel
und der Federdehnung belaufen. Auch eine Druckfeder kann man nicht einfach zwischen
den Punkten C und D einspannen, weil deren Kraft der Last wenig würde, sondern ebenso
wie diese ein Drehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt. Damit der Abstand zwischen C
und D dem tatsächlichen Federweg entspricht, muß die Feder so angeordnet werden,
wie es die Fig. 7 und 8 zeigen In Fig. 7 sind nur ein Teil des Umrisses des Körpers
M, der Drehzapfen A und die Linien b, c und d,
wie in Fig. 6,
wiedergegeben. Die Zugfeder N° ist mit ihrem einen Ende durch entsprechende Verbindungsmittel
verankert, zu denen ein Bolzen f mit einem Auge gehört, und das andere Ende der
Feder ist mit dem abgewandten Ende eines Zylinders g verbunden, in den die Feder
hineinragt. Der Zylinder hat seitliche Drehzapfen i, die in Lagerbohrungen zweier
Rahmenplatten j drehbar gelagert sind. Die Achse dieser beiden Lager ist bei D angedeutet.
Würde
man die Feder an ihrer Verankerungsstelle C frei machen und entspannen, so würde
die Achse des Auges des Bolzens f mit der Achse D zusammenfallen,
und die Feder würde dann die freie Länge l aufweisen. Wird die Feder ausgezogen,
so beläuft sich die Entfernung des Augenbolzens f vom Punkt D auf das Maß der tatsächlichen
elastischen Verformung der Feder, also bei Verankerung der Feder am Körper M auf
den Abstand e. Schwingt der Körper M um den Drehpunkt A, so bewirkt die Bewegung
des Anschlußpunktes C der Feder eine weitere Verlängerung oder Verkürzung der Feder,
je nach der Drehrichtung des Körpers. In jeder Lage aber, welche der Punkt C dabei
erreicht, hat er vom Punkt D einen Abstand, welcher dem tatsächlichen Federweg,
d. h. dem Maß der elastischen Verformung, entspricht. Bei dieser Wanderung des Punktes
C bewirken die Windungen der Feder, die innen am Zylinder anliegen, daß dieser sich
um die Zapfen i dreht und dadurch die Wirkungsrichtung der Feder zur Verbindungslinie
der Punkte C und D ausgerichtet bleibt.
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In Fig. 8 sind wiederum nur ein Teil des Körpers M, der Drehzapfen
A und die Linien b, c und d wiedergegeben. Hier ist eine mit einem Längsschlitz
versehene Stange m mit ihrem einen Ende m' an dem Punkt C des Körpers verankert
und mit ihrem Schlitz auf dem Drehzapfen n geführt, der seinerseits zwischen den
Rahmenplatten j sitzt. Die Achse des Drehzapfens n geht wiederum durch den Punkt
D. Das andere Ende der Stange trägt einen Federteller. Dieser stützt sich auf eine
Druckfeder N". Wird die Stange m von ihrer Verankerung bei C gelöst und frei gegeben,
so dehnt sich die Feder N" auf ihre freie Länge aus, und hierbei wandert das untere
Ende der Stange m' bis zum Zapfen n.
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Bei Verankerung der Stange m' mit ihrem Ende m' am Körper M im Punkt
C wird die Feder um einen Betrag verformt, der dem Abstand e zwischen den Punkten
C und D gleicht. Dreht sich der Körper M um den Zapfen A, so bewirkt die dadurch
bedingte Bewegung des Punktes C, daß je nach der Drehungsrichtung die Feder N" weiter
zusammengedrückt oder ausgedehnt wird. Die Stange m gleitet dabei auf dem Zapfen
n, so daß trotz Änderung ihrer Neigung ihre Längsachse stets durch den Punkt D verläuft
und die Richtung, in der die Feder wirkt, zur Linie C-D ausgerichtet bleibt. Jede
Änderung im Abstand zwischen den Punkten C und D stellt die Änderung der elastischen
Verformung der Feder dar.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen also schematisch, wie man durch Verwendung
einer Zugfeder oder einer Druckfeder die mathematischen Bedingungen erfüllen kann,
die oben aus dem in Fig. 6 gezeigten Schema des Lastausgleichs abgeleitet wurden.
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Nunmehr sei erörtert, wie man diese Erfindungsgrundsätze praktisch
verwirklichen kann.
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In Fig. 9 z. B. wird der Körper von einem Winkelhebel M' gebildet,
an dessen einem Arm bei B' die Lst W aufgehängt ist und der sich unter dem Einfluß
dieser Last um den waagerechten Zapfen A' zu drehen sucht. Wie kann man nun im Punkt
C' an diesem Hebel eine Feder so anbringen, daß sie die Last genau ausgleicht? Zunächst
sei angenommen, daß die auszugleichende Last und die Abmessungen des Winkelhebels
einschließlich seines Winkels bekannt sind. Der Hebel sei nun in irgendeine bestimmte
Lage gebracht, z. B. in die dargestellte, in der die Linie b' um 45° geneigt ist.
Da der Winkel U zwischen den Armen des Winkelhebels bekannt ist, kann man von der
senkrechten Achse ausgehend den Winkel S einzeichnen und erhält dadurch die Linie
d'. Wir wissen, daß der Punkt D' irgendwie auf dieser Linie liegt. Seine genaue
Lage hängt von der Kennlinie der zu verwendenden Feder ab. Gelangt eine Feder mit
einer kleinen Federkonstante zur Verwendung, dann muß der Punkt D' vom Drehpunkt
A' weiter entfernt sein als bei Verwendung einer Feder mit einer großen Federkonstante.
Zur Erläuterung sei angenommen, daß die auszugleichende Last sich auf 5oo kg beläuft
und daß der Abstand b' zwischen dem Drehpunkt A' und dem Punkt B' I25 mm beträgt,
der Abstand c' zwischen dem Punkt A' und dem Punkt C Ioo mm. Es soll eine Feder
verwendet werden, deren Federkonstante sich auf 2,5 kg/mm beläuft. Aus der Gleichung
(9) ergibt sich
Setzt man hierfür die bekannten Werte ein, so erhält man
Diese Gleichung löst man nach d' auf und findet; daß sich der Punkt D' 25o mm vom
Punkt A' befinden soll. Wird andererseits der Abstand d' willkürlich gewählt, dann
muß man die vorstehende Gleichung nach der Federkonstante auflösen, damit man ersehen
kann, was für eine Feder zu verwenden ist. Ist die Lage des Punktes D' ermittelt,
so bleibt nur noch die Wahl zwischen einer Zugfeder gemäß Fig. 7 oder einer Druckfeder
gemäß Fig. 8. Bei den verschiedenen Federungen gemäß den Fig. I bis 3 und 8 bis
I7 sind durchweg Druckfedern gewählt.
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Nun sei erörtert, was geschieht, wenn sich nach Einbau einer Federung
ergibt, daß die auszugleichende Last etwas geringer ausgefallen ist als geplant.
Innerhalb gewisser Grenzen kann ein solcher Lastunterschied durch Verschieben des
Blockes 32 längs des Schlitzes Ioc ausgeglichen werden. Diese Verstellung erfolgt
der Stellschraube 30, mit derjenigen der Bohrung in der Strebe 28 zusammenfällt.
Wie erinnerlich, verläuft diese Achse durch den Drehpunkt A. Die Verstellung des
Blockes 32 führt also dazu, daB der Abstand d zwischen dem Punkt D und dem Drehpunkt
A geändert wird, und Zwar derart, daß die Bedingung der Gleichung
erfüllt wird.
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Bei dem eben gegebenen Zahlenbeispiel, bei welchem sich die Last auf
500 kg belaufen sollte und bei welchem die Achse der Zapfen bei der Fertigung des
Geräts auf einen Abstand von mm vom -Zapfen A eingestellt
worden
war, möge sich beim Einbau ergeben, daß die an der Stange 26 aufgehängte Last sich
in Wirklichkeit nur auf 4oo kg beläuft. Setzt man diesen neuen Wert in die Gleichung
ein; wobei wiederum die Federkonstante von 2,5 kg/mm, wie zuvor, eingesetzt wird,
ergibt sich nunmehr
Löst man diese Formel nach d auf, so erhält man hierfür 2oo mm. Man muß also die
Zapfen 32a um 5o mm in Richtung auf den Drehpunkt A verstellen, so daß sich der
Achsabstand der Zapfen 32a vom Drehpunkt auf 2oo mm beläuft. Wenn das geschieht,
so gleicht die Federung die Last von 4oo kg genau aus.
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Bei der Lagerung beweglicher Rohrleitungen kommt es auf den Raum an,
der in senkrechter Richtung zum Einbau der Ausgleichsfederung zur Verfügung steht.
Von besonderer Bedeutung ist das in den Fällen, in denen der Federausgleich in einem
Schiff zur Verwendung gelangen soll, weil dort eine besonders gedrängte Anordnung
geboten ist. Häufig kommt es vor, daß der Tragrahmen der Federung unmittelbar an
der Unterseite des Decks angeschraubt ist, damit die Rohrleitung in dem Schiffsraum
so hoch wie möglich gelagert werden kann.
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In den Fällen, in denen die Tragstangen, an denen die Rohrleitung
hängt, von einem drehbaren Hebel getragen werden, ist es nicht unbedingt erforderlich,
daß der Hebel um 36o° schwingen kann. Viehmehr kommt ein kleinerer Schwingungswinkel
in Betracht, am besten ein Winkel, der von 45° über der Waagerechten bis 45° darunter
reicht. Dieser Bereich ergibt einen verhältnismäßig hohen Bruchteil (etwa 7I%) des
größtmöglichen Hubes und nur eine verhältnismäßig geringe waagerechte Verlagerung,
die sich auf etwa I5% des theoretischen Hochstmaßes ergibt.
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Würde man den Schwingungsbereich des Lastarmes auf mehr als 45° über
und unter der Waagerechten vergrößern, so würde sich die waagerechte Verlagerung
der Tragstange, die im allgemeinen unerwünscht ist, in größerem Maße erhöhen, als
der senkrechte Hub der Last.
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Hierbei hat sich nun die Aufgabe ergeben, die Lastausgleichfederung
so zu entwerfen, daß bei der Schwingung des Lastarmes durch den günstigsten Winkelbereich
die Feder im wesentlichen verbleibt. Das läßt sich durch entsprechende Wahl der
einander gleichenden Winkel S und U erreichen. Bemißt man mit Bezug auf Fig. 6 die
Winkel S und U auf Null, so fällt die Linie c mit der Linie b zusammen, und die
Linie d kommt auf die X-X-Achse zu liegen. Der genaue Gewichtsausgleich bleibt dabei
erhalten, doch wächst die Neigung der Linie e zur Senkrechten erheblich. Selbst
bei Ahbringung der Federn im Sinne der Fig. und 8, bei denen die Winkel S und U
ziemlich klein sind, ergibt es sich, daß, wenn der Körper M im Gegenuhrzeigersinn
schwingt, der Zylinder g und die Feder N' der Fig. 7 oder die Zugstange m und die
Feder N" der Fig. 8 weiter aufwärts in Richtung auf die senkrechte Lage um den Punkt
D, von der dargestellten Lage ausgehend, schwingen. Andererseits könnte in Fig.
6 die Seite e des Dreiecks dadurch genau waagerecht zu liegen kommen, daß die Winkel
S und U etwas größer bemessen werden, als dargestellt. Die Wahl der Lage der Last,
bei welcher die Feder genau waagerecht zu liegen kommt, hängt von verschiedenen
Umständen ab. Zu beachten ist jedoch, daß es hierfür auf die Winkel S und U ankommt
und daß diese bei einer Federung von praktischen Abmessungen ziemlich bemessen werden
müssen, damit die Feder in ihrem ganzen Schwingungsbereich nicht allzusehr von der
Waagerechten abweicht.
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Eine bevorzugte Anordnung, die der Bauart der Fig. I im wesentlichen
entspricht, ist in Fig. Io wiedergegeben. Im Unterschied zur Fig. I ist nur eine
der Seitenplatten Iob ausgeschnitten dargestellt, und es sind die A schläge xoa
(im Schnitt gezeigt) und xo, hinzugefügt, um den Winkelweg des Hebels derart. zu
begrenzen, daB nur der günstigste Teil des vollen Drehwinkels von 360° für die-
Schwingung des Armes in Betracht kommt, nämlich der Schwingungsbereich der Last
von q.5° über der Waagerechten bis 5° unter dieser.
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In Fig. ist in ausgezogenen Linien diejenige Lage gezeigt, bei welcher
die Gelenkzapfen unteren Ende des Schlitzes xo im Rahmen liegen und bei welcher
die Feder sich im unteren Totpunkt ihrer Schwingung befindet. Gestrichelt ist die
höchste Lage der Feder wiedergegeben, bei welcher sich die Gelenkzapfen am oberen
Ende des Schlitzes xo° befinden.
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Es sind dies die Grenzstellungen, welche die Feder erreicht, wenn
der Schwingungsbereich des Winkelhebels auf den günstigsten Abschnitt beschränkt
ist.
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Man könnte zunächst annehmen, daB es am besten wäre, wenn die Feder
um gleiche Beträge bis über und unter die waagerechte Linie schwingen würde, was
in Fig. xo nicht der Fall ist.- Da aber bereits die obere Platte xoa des Rahmens
xo die Höhe der Vorrichtung begrenzt, sind die Winkel S und U so gewählt worden,
daB die Feder bis zur Höhe dieser oberen Platte schwingen kann. Die Feder schwingt
also in keiner Lage bis unter den- Tragrahmen, wodurch die gesamte Bauhöhe der Vorrichtung
auf ein Mindestmaß verringert wird. Die Grenzlagen der Federstellung also innerhalb
der Höhenlagen der oberen und unteren Rahmenbegrenzung.
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Fig. xo lehrt also, daB man durch entsprechende Wahl der Winkel S
und U erreichen kann, daB die Feder bei der Schwingung des Lastarmes in dessen günstigstem
Bereich nur wenig von der waagerechten Lage abweicht.
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In den Fig. ix bis ist ein anderes der Erfindung gezeigt. Bei. dieser
Vorrichtung mit gleichbleibender Kraft bewegt sich der Aufhängepunkt der Last lediglich
lotrecht und hat keine waagerechte Bewegungskomponente, was zuweilen vorzuziehen
ist.
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Wie Fig. zeigt, sind bei dieser Vorrichtung zwei senkrechte, parallel,
aber Abstand voneinander durch Stehbolzen 52 verbundene Rahmenplatten 50
vorgesehen,
die schwebend angeordnet sind und am besten mit den Stehbolzen verschweißt werden.
In diesem Tragrahmen 5o sind zwei waagerechte Drehzapfen 54 und 56 gelagert. Die
Achse eines jeden dieser beiden Drehzapfen entspricht dem Punkt A in Fig. i. Auf
den Zapfen sind zwischen den Rahmenplatten 50 Winkelhebel 58 und 66 gelagert.
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Die beiden.Arme 58" des oberen Winkelhebels 58 tragen einen Zapfen
6o, der durch eine Kuppelstange62 mit einem darüberliegenden Festpunkt bei 64 verbunden
ist. Es ist dies der Punkt, auf den das Gewicht der Last 'zu übertragen ist. Die
entsprechenden Arme 66" des unteren Winkelhebels 66 tragen einen entsprechenden
Zapfen 68, an welchem die Last W mittels der Zugstange 7o aufgehängt ist. Die Achsen
der Zapfen 6o und 68 entsprechen dem Punkt B in Fig. 6. Der Abstand der Punkte A
und B ist für beide Hebel gleich.
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Schließlich sind in den Seitenlatten 5o des Rahmens zwei weitere Drehplatten
72 und 74 gelagert, deren Achsen dem Punkt -D der Fig. i entsprechen. Auf jedem
dieser Zapfen ist ein Federteller 36 (Fig. 4 und 5) mit einer Feder 38 und einer
Stange 24 gelagert, ebenso wie in Fig. i gezeigt. Die eine Stange ist drehbar mit
einem Zapfen 76 verbunden, der von dem hebelförmigen Arm 58, des Winkelhebels
58 getragen wird. In entsprechender Weise ist die andere Stange an einen Zapfen
78 angeschlossen, der vom -Hebelarm 66,
des Winkelhebels 66 getragen wird.
Die Achsen dieser Zapfen 76 und 78- entsprechen den Punkten C der Fig. 6, und für
beide Hebel sind die Abstände der Punkte C und D gleich groß bemessen. Die obere
Feder 38, die mit dem Winkelhebel 58 verbunden ist, sucht diesen nm dessen Zapfen
54 im Uhrzeigersinn zu drehen, während die untere Feder 38 den Winkelhebel 66 um
den Zapfen 56 im Gegenuhrzeigersinn zu drehen sucht: Da ,nun die beiden Zapfen von
dem schwebenden Rahmen 5o getragen werden, dreht sich der Winkelhebel 58 um den
Zapfen 6o und bewegt daher den Rahmen aufwärts, wenn die Last von -der in Fig. 12
gezeigten Lage ausgehend aufwärts verstellt wird. Da hierbei auch der Zapfen 56
eine Aufwärtsbewegung erfährt, ist das Gesamtergebnis der Aufwärtsbewegung des Rahmens
5o und der Drehung des Winkelhebels 66 um den Zapfen 56, daß ein verhältnismäßig
großer Hub des Zapfens 68, der Stange 70 und der Last W stattfindet. In Übereinstimmung
mit den früher erörterten Grundsätzen gleichen einander die Winkel S und U (vgl.
Fig. i2), die mit Bezug auf die Achse des Zapfens 54 gemessen sind. In entsprechender
Weise gleichen sich die Winkel S' und U' am Zapfen 56. Sie gleichen aber auch denWinkeln
S und U. DieAbständee und e', welche die Maße der Federwege der Federn 38 darstellen,
sind einander ebenfalls gleich.
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Bei der in Fig. i gezeigten Vorrichtung erfährt die Achse B sowohl
eine senkrechte als auch' eine waagerechte Verschiebung, wenn die Last, z. B. die
Rohrleitungen, auf- und abgeht. Wenn hierbei auch die senkrechte Verlagerung der
Achse ß der senkrechten Bewegung der Rohrleitung entsprechen mag, so ist damit noch
nicht gesagt, daß die Rohrleitung auch eine waagerechte Verstellung entsprechend
derjenigen des Punktes B erfährt. Praktisch befindet sich bei vielen Anlagen die
Rohrleitung in einem erheblichen Abstand von der Achse B.. Daher spielt es keine
Rolle, wenn die waagerechte Bewegung der Rohrleitung von 'derjenigen des Punktes
B abweicht und wenn sich daher die Zugstange 26 zur Senkrechten etwas neigt. Das
hat dann auf die AusgleichsTrkung keinen merklichen Einfiuß.
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Muß man aber, wie z. B. an Bord eines Schiffes, die Vorrichtung dicht
an der Rohrleitung anordnen und unterliegt diese sowohl einer waagerechten als auch
senkrechten Verstellung, kann die Genauigkeit des Gewichtsausgleichs beeinträchtigt
werden, wenn die waagerechte Verstellung der Rohrleitung von derjenigen der Achse
B in einem Maße abweicht, das zu einer merklichen Schrägstellung der Zugstange 26
führt. Unter diesen Umständen verwendet man zwischen der Stange 26 und der Rohrleitung
irgendeine Verbindung, z. B. mit Rollen, welche der Rohrleitung eine waagerechte
Verstellung gestattet; ohne daß dabei die Zugstange zur Senkrechten geneigt wird.
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Unterliegt die auszugleichende Last lediglich einer senkrechten Verstellung,
dann eignet sich die in den Fig. ii bis 13 gezeigte Vorrichtung besonders gut zum
Lastenausgleich, weil sich hierbei über eine bestimmte senkrechte Lastbahn konstante
Stützkraft ergibt. Bei Einbau der Federung hängt man die Last am unteren Ende der
Stange 7o auf, und zwar genau senkrecht unterhalb der Achse des vom Winkelhebel
58 getragenen festen Zapfens 6o. Da das Gewicht der Last senkrecht wirkt
und die Hebelarme 58" und 66" parallel verlaufen (vgl. Fig. i2), befindet sich auch
die Mitte des Zapfens 68 an der Anschlußstelle der Kuppelstange 70 senkrecht
unter der Mitte des Zapfens 6o. Das ist in Fig. i2 gezeigt, welche die Lage der
Teile bei der tiefsten Stellung der Last wiedergibt. Geht die Last aufwärts (vgl.
Fig. 13 ), so ist dieWirkungsrichtung ihres Gewichtes noch-immer eine senkrechte
Linie, die durch die Mitte der Zapfen 6o und 68 verläuft, wobei der Zapfen 68 sich
aufwärts bewegt hat, und zwar auf derselben senkrechten Linie. Die eine Feder 38
wird stets genauso belastet wie die andere Feder. Die Federwege sind daher gleich,
sodaß sich die Winkelhebel 58 und 66 um gleiche Winkel drehen. Daher bleibt der
Rahmen 50 stets genau senkrecht..
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Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß den Fig. 14 bis 17 handelt
es sich um eine Last, die nicht aufgehängt ist wie bei den bisher erörterten Ausführungsformen,
sondern sich auf einen Sockel stützt. Dabei bewegt sich die Last lediglich in senkrechter
Richtung.
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Gemäß Fig. 14 besteht der Halter der Last aus zwei teleskbpartig aneinander
geführten Hülsen 84 und 86, deren gemeinsame Achse senkrecht liegt und die an ihren
voneinander abgewandten Enden mit Stirnplatten 84a und 86" versehen sind. Die Platte
86" ruht auf einem festen Sockel oder auf einem Fußboden, während die durch den
Pfeil W angedeutete Last auf der Platte 84" ruht. Fig. 14 veranschaulicht die Last
in ihrer tiefsten Stellung. Bewegt sie sich aufwärts, so wird sie hierbei durch
die Hülse 84 geführt, die mit Gleitsitz auf die Hülse 86 kleineren Durchmessers
aüfgepaßt ist. An der oberen Hülse 84 sind zwei einander gegenüberliegende Zapfen
88 mit waagerechter
Achse dicht unter der oberen Platte angeschweißt.
Die untere Hülse 86 ist dicht über ihrerBodenplatte 86" mit zwei entsprechenden
angeschweißten Zapfen go versehen, die senkrecht unter den Zapfen 88 liegen.
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Die Ausgleichsfederung nun, die an die beiden Zapfen 88 und go auf
der einen Seite angeschlossen ist, stimmt genau mit der Ausgleichsfederung überein,
die an den Zapfen 88 und go auf der anderen Seite angebracht ist. Es genügt daher
die Beschreibung einer dieser beiden Federungen.
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Auf den Zapfen 88 und go sind Winkelhebel 92 und 94 gelagert, die
je für sich drehbar mit einer senkrechten Schwebeplatte 96 durch Drehzapfen
98 und ioo verbunden sind. Zwar sind diese Zapfen senkrecht verstellbar,
doch entspricht jeder der beiden Zapfen mit seiner Achse dem Drehpunkt.A der Fig.
x, um welchen die Winkelhebel schwingen. In entsprechender Weise entspricht jeder
Drehzapfen 88 und go dem Drehpunkt B der Fig. i. Die Arme gga und 94" eines jeden
Winkelhebels entsprechen den Armen 2o der Fig. x, und sie sind mit den Zapfen io8
und iio verbunden, deren Achsen dem Punkt C der ' Fig. i entsprechen. Jeder Arm
92" und 94a ist mit einer Stange 24 verbunden. Diese Stangen, die Federn 38, die
Federteller 36 und die Hülsen 4o entsprechen denen der Fig. i und brauchen nicht
weiter beschrieben zu werden.
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Die beiden Zapfen 114 und 116 an der Schwebeplatte 9ö gehen durch
die Schlitze 24, der Stangen hindurch und dienen als Drehpumkte, um welche die Stangen
mit ihren Federn schwingen. Dabei entspricht jeder Zapfen ii4-und 116 mit seinerAchse
denrPunktD der Fig. i. Die einander gleichenden Winkel S und U und der Federweg
c sind in Fig. 14 angegeben. Zweckmäßig sind die beiden Schwebeplatten, die beiderseits
der Traghülsen liegen, durch Querstreben iie verbunden.
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Fig. 14 zeigt die Lage der Teile bei der tiefsten Stellung der Last,
während Fig. 16 zeigt, wie sich die Teile verstellen, wenn die Last aufwärts bewegt
wird. Nach den mit Bezug auf Fig. 6 entwickelten Grundsätzen bleiben die Stützkräfte,
welche die Federn auf die Zapfen 88 und die obere Hülse 84 ausüben, genau gleich
und entsprechen der Last. Die Stützkraft wird dabei in senkrechter Richtung ausgeübt.
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Bei den beschriebenen Vorrichtungen nach der Erfindung wird auf die
Last, deren Gewicht unverändert bleibt, - eine völlig gleichbleibende Ausgleichskraft
ausgeübt, wenn die Last senkrecht verstellt wird. Dabei gelangen gewöhnliche @Schraubenfedern
derart zur Verwendung, daß sie in allen Laststellungen einen genauen Gewichtsausgleich
ergeben, und zwar innerhalb des -Bewegungsbereiches, für den die Federung entwickelt
ist. Dabei zeichnet sich die Vorrichtung durch Einfachheit, Widerstandsfähigkeit
und Billigkeit aus. Sie kann auch so ausgeführt werden, daß- die Stange 24 (Fig.
i) um 18o° verdreht angeordnet und dabei mit ihrem Schlitz 24b auf dem Zapfen 2oa
geführt und ihr freies Ende am Zapfen 32" angeschlossen wird. Dann befindet sich
die Feder bei der in Fig. i dargestellten -Stellung der Teile rechts vom Punkt C.
An der Wirkung ändert das nichts, weil. es nur darauf ankommt, auf die Punkte C
und D aufeinanderzu gerichtete Kräfte auszuüben, die dem- Abstand der Punkte C und
D verhältnisgleich sind.