Vorrichtung zur unproportionalen Veränderung der Federwirkung auf eine an einer Feder angreifende
Verstellkraft
Bekanntlich folgen Federn aus festem Material dem Youngsehen Gesetz, wonach der Federweg einer solchen Feder proportional zur aufgebrachten Kraft ist. Die Kennlinie dieser Feder ist daher linear.
Eine lineare Zunahme der Federkraft ist jedoch in der Technik in vielen Fällen nicht erwünscht, sondern man verlangt u. U. auch, dass die Gegenkraft beim Spannen einer Feder variabel oder auch konstant sein soll. Mit einer konstanten Gegenkraft liesse sich der Gewichtsausgleich eines bewegten Teiles innerhalb einer Maschine erzielen. Für den Ausgleich eines Gewichtes verwendet man üblicherweise und als einfachste Lösung ein Gegengewicht, das mit dem bewegten Teil durch ein Seil, eine Kette oder auch durch ein Hebelsystem verbunden ist. Da für ein Gegengewicht und die Verbindungsmittel jedoch nicht immer der genügende Platz innerhalb einer Maschine vorhanden ist, eine solche Anordnung ferner auch kompliziert und teuer werden kann, stellt dies nicht immer die beste Lösung dar.
Will man nun für den Gewichtsausgleich eines bewegten Teiles eine Feder anwenden, die sich mit wenig Platzbedarf in vielen Fällen besser in einer Maschine unterbringen lässt, so muss dies mit einer Anordnung geschehen, die es erlaubt, die Federkraft über den Federweg weitgehend konstant zu halten.
Es lassen sich in der Technik noch weitere Anwendungsfälle dieser Art nennen, die zunächst die Erfüllung der Forderung verlangen, dass die Charakteristik einer Widerstandskraft, die gegenüber einem beweglichen Teil zur Wirkung kommt, nicht linear d. h. proportional zu der zurückgelegten Wegstrecke ist, beispielsweise ist ein solcher Fall das Problem der Radaufhängungen bei Fahrzeugen. Ferner kann es in diesem Zusammenhang auch erforderlich sein, die Widerstandscharakteristik einer Aufhängung während der Fahrzeugfortbewegung verändern zu können. Beispielsweise soll die Aufhängung eines Panzergeschützes, das während der Bewegung des Panzers abgefeuert wird, weicher sein als während der normalen Fortbewegung des Panzers.
Ein ähnliches Problem stellt sich bei dem Federungssystem für das Fahrgestell eines Flugzeuges, wobei dieses Federungssystem die auf der Trägheit beruhenden Kräfte zwischen den Rädern und der Aufhängekonstruktion aufzunehmen hat. Zur Lösung dieser Probleme bedient man sich normalerweise komplizierter und teurer hydraulischer Einrichtungen.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe bestand daher darin, für dieses Problem eine mechanische Lösung zu suchen, die erheblich billiger, aber dennoch zuverlässig ist, und mit der es für die zuvor nur als Beispiel genannten Anwendungsfälle erreichbar ist, dass sich die mit dem Federweg proportionale Zunahme der Kraft bei Verstellung einer Feder aufheben lässt.
Dieses Ziel wird durch eine Vorrichtung erreicht, die erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine stabförmige Feder mit ihrem ausserhalb ihrer Unterstützung befindlichen freien Ende gegen einen ersten Arm eines um eine im Abstand von der Feder angeordnete Achse schwenkbaren zweiarmigen Hebels anliegt, und der Schwenkkreis des Hebelarmendes das freie Federende schneidet, so dass das Federende bei Schwenkung des Hebels durch eine an einem zweiten Arm des Hebels wirksame Verstellkraft eine Durchbiegung erfährt, während der die in jedem Andrückpunkt senkrecht zur Tangentialebene verlaufende Reaktionskraft der Feder ihre Richtung in bezug auf die Achse des Hebels ändert, wodurch der die wirksame Hebelarmlänge bildende,
jeweils senkrechte Abstand der Reaktionskraft von der Achse zwischen zwei Hebelstellungen stärker abnimmt als der auf derselben Geraden gemessene Abstand des Hebelarmendes von der Achse. Zweckmässig ist am freien der Feder ein konkaver Nocken und am Ende des ersten Hebelarmes ein Wälzkörper vorgesehen, wobei Wälzkörper und Nocken im Sinne einer zusätzlichen Verkürzung der wirksamen Hebelarmlänge in Eingriff miteinander stehen. Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, eine vollständig konstante Endkraft, d. h. die Kraft, die auf den sich bewegenden Teil wirkt, während der gesamten Bewegung zu erzielen, was bedeutet, dass der sich bewegende Teil durch dieses Federungssystem in allen Bewegungslagen im Gleichgewicht gehalten werden kann.
Zweckmässig kann der konkave Nocken um eine am freien Ende der Feder befestigte und quer zur Feder verlaufende Achse in der Ebene der Feder verschwenkbar und sein Neigungswinkel zur Feder feststellbar sein. Durch das Verschwenken des Nockens kann ein Gleichgewichtszustand für unter schiedliche Gewichte während des ganzen Bereiches der Bewegung erzielt werden. Das Gewicht des sich bewegenden Teiles kann also beispielsweise durch Zuladung vergrössert werden, und dann kann durch Verschwenken des Nockens auch dieses grössere Gewicht im Gleichgewichtszustand gehalten werden.
Das Gewicht des sich bewegenden Teiles oder eine entsprechende Gegenkraft wirkt dabei stets am zweiten Arm des zweiarmigen Schwenkhebels, dessen erster Arm gegen die Feder bzw. den Nocken anliegt. In dieser Weise dient die Vorrichtung zum Gewichtsausgleich beispielsweise eines Zeichenbrettes in einer Zeichenmaschine.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen, in welchen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 das der Vorrichtung zu Grunde liegende Prinzip, nach welchem im Unterstützungspunkt einer belasteten Feder die Reaktionskraft senkrecht zur Tangentenebene im Unterstützungspunkt verläuft;
Fig. 2 die Vorrichtung schematisch mit zwei verschiedenen Positionen des Schwenkhebels;
Fig. 3 die Vorrichtung schematisch bei Ergänzung derselben mit einem Nocken zwischen Feder und Schwenkhebel;
Fig. 4 die Vorrichtung schematisch mit einem verstellbaren Nocken in Anwendung zum Gewichtsausgleich eines senkrecht auf- und abbewegten Körpers.
Für die hier beschriebene Vorrichtung wird eine stabförmige, d. h. im allgemeinen prismatische Feder verwendet, die im Vergleich zu ihrer Grösse grosse Federausschläge erlaubt.
An die Stelle einer einzelnen Feder kann auch ein Federpaket treten. Die gemäss Fig. 1 an zwei Stellen 10 und 11 unterstützte Feder 12 wird sich bei Belastung dementsprechend stark durchbiegen, was an den unterstützten Federenden zu einem bestimmten Drehwinkel führt. Die Reaktionskraft der Feder in den Unterstützungspunkten 10 und 11 verläuft nun nicht senkrecht zur Verbindungslinie der Unterstützungspunkte, sondern stets senkrecht zur Tangentialebene an die Feder im Unterstützungspunkt, wie die Kraftrichtungspfeile Rl und R2 in Fig. 1 zeigen, die mit der Senkrechten einen Winkel bilden, der mit zunehmender Federbelastung grösser wird.
Die der Veränderung der Federbelastung entsprechende Änderung der Richtung der Reaktionskraft wird nun bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten Vorrichtung dazu ausgenutzt, um die bei grösser werdender Federbelastung erfolgende Zunahme der Reaktionskraft über ein Drehmoment zu kompensieren, wenn jeder Teil bewegt wird, der den Federausschlag bewirkt.
Dies geschieht in der folgenden Weise: Die Feder 12 gemäss Fig. 2 besitzt ausserhalb des Unterstützungspunktes 11 ein freies Federende 13, gegen das ein erster Arm 14 eines um eine Achse 16 schwenkbaren, zweiarmigen Hebels 14, 15 anliegt, wobei der Schwenkkreis des Hebelarmendes das freie Federende schneidet, so dass das Federende bei Schwenkung des Hebels infolge einer an dem zweiten Arm 15 des Hebels wirksamen Verstellkraft P eine Durchbiegung erfährt, während der die in jedem Andrückpunkt senkrecht zur Tangentialebene verlaufende Reaktionskraft R der Feder ihre Richtung in bezug auf die Achse 16 des Hebels ändert, wodurch der die wirksame Hebelarmlänge bildende, jeweils senkrechte Abstand a, b der Reaktionskraft von der Achse zwischen zwei Hebelstellungen stärker abnimmt als der auf derselben Geraden gemessene Abstand a, c des Hebelarmendes von der Achse.
Die Feder und der Hebel nehmen dann die in Fig. 2 in gestrichelten Linien dargestellte Lage ein. Die Schwenkachse 16 des Hebels 14, 15 ist also derart angeordnet, dass die im senkrechten Abstand von der Schwenkachse gemessene, wirksame Länge a des Hebelarmes sich stärker verkürzt als ohne die Richtungsänderung der Reaktionskraft R, und in der in gestrichelten Linien dargestellten Lage die wirksame Länge b besitzt, so dass das aus der grösser werdenden Reaktionskraft und der kleiner werdenden wirksamen Hebelarmlänge gebildete Moment während der Schwenkbewegung sich der Grösse nach weniger verändert im Vergleich zur starken Veränderung der Reaktionskraft allein:
Wird die Länge des zweiten Hebelarmes mit L bezeichnet, so gilt für die am Hebel der Vorrichtung gemäss Fig. 2 wirksamen Momente folgende Gleichung:
: Rl a = Pl Ll wobei Ll = L2 und R2 Rt R2b = P2L2wobeiPl=P2 akb
Ferner ist es auch möglich, dass beim Schwenken des Hebels über die Totpunktlage hinaus der Drehsinn des am Hebel wirkenden Momentes umgekehrt werden kann.
Da es mit dieser Vorrichtung allein noch nicht möglich ist, eine Endkraft P, die auf einen mit dem zweiten Hebelarm 15 bewegten Teil wirken soll, während der gesamten Bewegung konstant zu halten, wird, wie sich aus Fig. 3 ergibt, am freien Federende 13 ein konkaver Nocken 17 vorgesehen, der mit einem Wälzkörper 18 am Ende des ersten Hebelarmes 14 in Eingriff steht. Dieser Nocken wirkt im Sinne einer zusätzlichen Verkürzung der wirksamen Hebellänge, was eine weitere Annäherung an die gewünschte Kraftkennlinie erlaubt.
Die stark gebogene Feder verändert jedoch ihre auf einer Geraden gemessene Länge, und sofern der Nocken relativ zu dem an dem Hebelarm angeordneten Wälzkörper sich bewegen kann, wird eine weitere Richtungsänderung der Reaktionskraft der Feder und eine Reduzierung der wirksamen Hebelarmlänge verursacht. Daher kann durch eine geeignete Kombination der beiden Merkmale, nämlich grosser Federausschlag der Feder und Längsbeweglichkeit des Nockens, eine konstante Endkraft erreicht werden bzw. irgendeine gewünschte Kennlinie der Kraft erzeugt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäss Fig. 4 ist ein Nocken 20 als Wippe um eine am freien Ende 13 der Feder 12 befestigte und quer zur Feder sich erstreckende Achse 21 in der Ebene der Feder verschwenkbar und sein Neigungswinkel zur Feder mittels einer Stellschraube 22 feststellbar. Beim Schwenken des Hebels führt der Wälzkörper 18, beispielsweise eine Rolle, die am Ende des ersten Hebelarmes 14 angeordnet ist, eine Abwälzbewegung innerhalb des konkaven Nockens 20 aus. Eine Vergrösserung des Abstandes d zwischen Nocken und Feder auf der Seite der Stellschraube wirkt im Sinne einer Verkürzung der wirksamen Hebelarmlänge, während es umgekehrt auch möglich ist, durch Verkleinerung des Abstandes d mittels der Stellschraube, die Verkürzung der wirksamen Hebelarmlänge während der Schwenkbewegung des Hebels ganz aufzuheben.
Wird der Nocken verschwenkt, so dass der Abstand d grösser wird, so verlagert sich der Berührungspunkt von Nocken und Rolle weiter nach oben in Fig. 4, d. h. von der Schwenkachse 16 des Hebels weg. Die eine der im Berührungspunkt in zwei Komponenten zerlegten Reaktionskraft der Feder verläuft immer durch die Achse der Rolle 18 am Hebelarmende, und der senkrechte Abstand dieser Reaktionskraftkomponente von der Schwenkachse 16, d. h. die wirksame Hebelarmlänge, wird mit grösserem Abstand d infolge Schwenken des Nockens kleiner.
Damit wird auch das am Hebel wirkende Moment kleiner, so dass es auf diese Weise möglich ist, ein reduziertes bzw. kleineres Gewicht oder eine Gegenkraft am Ende des zweiten Hebelarmes 15 während der ganzen Schwenkbewegung im Gleichgewicht zu halten. Soll demnach einmal ein grösseres und ein anderesmal ein kleineres Gewicht bzw. eine Kraft P am zweiten Hebelarm 15 während der Hebelbewegung im Gleichgewicht gehalten werden, so hat man den Nocken im vorbe schnebenen Sinn zu verstellen.
In Fig. 4 ist als Ausführungsbeispiel der Federausgleich des Gewichtes eines Zeichenbrettes dargestellt. Dieses Zeichenbreti 30 ist in einer Führung 31 in senkrechter Richtung geführt und soll in jeder Stellung durch die hier beschriebene Vorrichtung im Gleichgewicht gehalten werden. Das Ende des zweiten Hebelarmes 14 liegt dabei gegen eine unterhalb des Zeichenbrettes angeordnete Gleitschiene 32 an, längs welcher sich das Hebelarmende quer zur Führungsrichtung des Zeichenbrettes bei gleichzeitiger Schwenkbewegung des Hebels um die Schwenkachse bewegt.
Aus Fig. 4 ist ferner erkennbar, dass die Feder 12 durch auf gegenüberliegenden Seiten und im Abstand voneinander angeordnete Federabstützungen 10 und 11 abgestützt ist, und dass mindestens eine Federabstützung 10 mittels einer Verstelleinrichtung 33 relativ zu der anderen und senkrecht zur Feder zwecks Veränderung der Federvorspannung bewegbar und feststellbar ist. Statt einer einzelnen Feder kann auch ein Federpaket mit abgestuften Federlängen vorgesehen sein.
Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht es darüberhinaus auch, teuere und komplizierte pneumatische und hydraulische Systeme für die Aufhängung von Körpern, beispielsweise die Radaufhängung bei Fahrzeugen, überflüssig zu machen. Damit wird die Entwicklung eines Aufhängungssystems mit einer frei gewählten Endkraft und mit der Möglichkeit, diese Endkraft willkürlich zu ändern, möglich. Ein Fahrzeug, das über rauhes Gelände fährt, kann z. B. auf diese Weise seine Bewegungsart vollständig den vorhandenen Bedingungen anpassen.