Gleitreibungsfreies Bandrollengerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein gleitreibungsfreies Bandrollengerät, insbesondere für elektromechanische und mechanische Vorrichtungen zur Überführung einer Bewegungs- oder Energieform in eine andere.
Unter dem Ausdruck Gleitreibungsfreies Bandrollengerät soll im folgenden ein Gerät verstanden werden, bei welchem teilweise von einem Band umschlungene Rollen mit diesem beweglich zwischen Führungswänden angeordnet sind, wobei Gleitreibung zwischen Rollen, Band und Führungswänden vermieden oder zumindest ganz wesentlich vermindert ist.
In bekannten elektro-mechanischen und mechanischen Vorrichtungen zur Übertragung einer Bewegungsoder Energieform in eine andere unterliegen Genauigkeit, Wirkungsgrad, Empfindlichkeit und Lebensdauer Beschränkungen, die auf den dem betreffenden Gerät eigentümlichen oder aus Fehlern seiner Bauteile entspringenden Gleitreibungsverlusten beruhen. Um diese Gleitreibungsverluste herabzusetzen oder ganz auszuschalten, werden Kompromisse in der Herstellung eingegangen, die unter bestimmten Betriebsbedingungen Wirkungsgrad und Empfindlichkeit der Vorrichtung weiter beeinträchtigen.
Oft wird versucht, die Reibung durch Schmieren aller beweglichen Teile mit festen, flüssigen oder gasförmigen Schmiermitteln herabzusetzen. Diese Schmierstoffe erzeugen jedoch Kräfte, die die Wirkungsweise mancher Geräte unter besonders empfindlichen Betriebsbedingungen schädlich beeinflussen. Das Schmiermittel kann zu einer Verschmutzung kritischer Stellen im Gehäuse oder Teilen desselben führen und erfordert Packungs- oder Abdichtstoffe zur Vermeidung der Verschmutzung, die weitere Reibungsverluste erzeugen.
Ausserdem kann bei ausserordentlichen Betriebsbedingungen. wie z. B. hohen oder niedrigen Temperaturen und längerer Lagerung die Schmierwirkung der Schmierstoffe unzureichend sein und zum völligen oder teilweisen Ausfall der Vorrichtung führen.
Die Güte beanspruchter Lagerflächen ist stets durch die Fähigkeit, Präzisionsflächen und -abmessungen herzustellen, beschränkt gewesen. So führt z.B. bei der Herstellung von Lagern, wie z.B. Kugellagern, die mangelnde Ausrichtung der Kugeln oder Rollen zu Reibungsverlusten an den Enden; Versuche, eine besse- re Ausrichtung zum Käfig herzustellen, führen zu weiteren Reibungsverlusten. Selbst wenn die Verluste an den Rollenenden vermieden oder herabgesetzt werden können, kann die Flächenrauheit der Rollen zu weiteren jede erreichbaren Rollreibungsverluste erheblich überschreitenden Verlusten, die der Gesamtgüte eine niedrige Grenze setzen, führen.
Wird bei Vorrichtungen, wie z. B. Beschleunigungsmessern oder G Schaltern, versucht, deren Empfindlichkeit durch Herabsetzung der Gleitreibung zwischen den verschiedenen gegeneinander beweglichen Bauteilen der Vorrichtung zu erhöhen, so besteht die Gefahr, dass dabei auch die zwischen den elektrischen Kontakten, welche durch die Reaktion der Vorrichtung auf eine Beschleunigungskraft geschlossen werden, angelegte Kraft abnimmt, da diese Kraft im allgemeinen von einander entgegenwirkenden gleitenden Teilen abhängt.
Im weitern können solche Vorrichtungen infolge der unbestimmbaren und variablen Reibungsverluste zwischen ihren Teilen im allgemeinen nicht so eingestellt werden, dass sie mit grosser Genauigkeit auf einen verhältnismässig weiten Bereich von Beschleunigungskräften ansprechen würden.
Bisher bekannte elektrische Potentiometer sind ebenfalls von den Gleitreibungskräften zwischen den Kontakten und dem Widerstandsmaterial abhängig und durch diese begrenzt. Alle Versuche, zwecks Erhöhung der Lebensdauer oder Empfindlichkeit der Vorrichtung die Gleitreibungskräfte herabzusetzen, führen auch zu einer Abnahme der Widerstandslinearität.
Dieses Problem wurde besonders in der Mikrominiaturisierungstechnik ausgeprägt und aktuell, da hier die schädlichen Folgen der Reibung im Vergleich zu den Betätigungskräften und -grössen der Vorrichtung sehr verstärkt auftreten können. Es ist bereits nachgewiesen worden, dass bei Normalbelastung unter ca. 10 g die Reibungskraft ein nahezu konstantes Niveau erreicht, so dass die Erzielung eines praktisch vertretbaren Verhältnisses Antriebskraft/Reibung in Mikrominiaturvorrich- tungen nur schwer zu bewerkstelligen ist. Schwierig ist ferner die Herstellung von Geräten mit Mehrfachfunktion oder -ansprechbarkeit auf gegebene oder gewünschte Bedingungen, Umgebungsverhältnisse oder Ereignisse. So kann es z.
B. wünschenswert sein, einen G Schalter zur Verfügung zu haben, der in der Ruhelage einen oder mehrere offene oder geschlossene Kontakte hat, der in einem bestimmten Bereich von Beschleunigungskräften genau einstellbar ist, der feststellt, ob die Beschleunigungskräfte für eine bestimmte Mindestzeitdauer fortbestehen und verneinendenfalls eine automatische Rückstellkraft liefert, der über lange Zeiträume und in weiten Bereichen von Betriebsbedingungen beständig ist, der im Betriebszustand einen oder mehrere offene oder geschlossene elektrische Kontakte hat, der im Betriebszustand eine Riegelstelle aufweist und der für nicht auf der empfindlichen Achse befindliche Belastungskomponenten unempfindlich ist.
Günstig sind ferner Vorrichtungen auf diesem technischen Gebiet, die nach dem Baukastenprinzip konstruiert sind, d. h. die aus genormten Teilen aufgebaut sind und je nach den verwendeten Teilen und dem Verwendungszweck bzw. den Umgebungsbedingungen einen weiten Funktionsbereich besitzen. Bei Verwen- dung einer bestimmten Baueinheit kann so ein weiter Gerätebereich mit einem breiten Funktionsbereich ohne für jedes einzelne Gerät erforderliche Werkzeugherstellung und spezialisierte Herstellungsanlagen massengefertigt werden. Dadurch lassen sich pro Baueinheit Zeit und Kosten sparen, und die Anpassung an die Herstellung eines Geräts mit gänzlich verschiedener Aufgabe erfordert ein Minimum an Zeitaufwand.
Gleitreibungsverluste können durch Steigerung der Präzisionsfertigung, engere Toleranzen und verfeinerte Fertigungstechnik wie z. B. Luftkissenlager weiter herabgedrückt werden. Es bestehen jedoch technische und finanzielle Grenzen, und die Vorrichtungen werden für Umgebungsbedingungen wie z. B. Temperatur, Feuchtigkeit und Schmutz oder Staub u. dgl. besonders empfindlich.
Da Rollreibungskoeffizienten wesentlich geringer sind als Gleitreibungskoeffizienten, ist es vorteilhaft, elektromechanische oder mechanische Vorrichtungen zu bauen, welche nur Rollreibungsverluste aufweisen. Für gerade Kreiszylinder sind schon Rollreibungskoeffizienten gemessen worden, welche nur ca. 0,00001-0,00002 betragen, während Wälz- und Kugellager infolge der oben genannten und anderer nicht erwähnter zu starken Reibungsverlusten führenden Gründen Reibungskoeffizienten von immerhin ca. 0,001-0,005 erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, die im wesentlichen nur Rollreibungsverluste aufweist, Schmiermittel unnötig macht und frei von schädlichen Wirkungen von Oberflächenformabweichungen auf Lastflächen ist. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch ein Paar oder mehrere Rollen in einer Führung, deren Wände in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der kleiner ist als die Summe der Rollendurchmesser, und ein biegsames, zwischen den Führungswänden in Spannung gehaltenes Arbeitsband, das mit einem Teil zwischen den Rollen liegt, diese teilweise umgibt und parallel zueinander hält, das Ganze derart, dass eine rollende Bewegung von Band und Rollen entlang den Führungswänden möglich ist.
Diese Vorrichtung kann z. B. als mit hohem Kontaktdruck arbeitende Schaltvorrichtung, als mit einer Vorspannung arbeitende Vorrichtung, als mit fluiden Mitteln zusammenarbeitender Kolben, als gleitreibungsfreies mechanisches Lager u. dgl. Verwendung finden.
Günstig ist besonders, dass die Fertigung nach dem Baukastenprinzip erfolgen kann, die unschwer eine Umstellung auf die erwähnten Verwendungszwecke ermöglicht. Der Erfindungsgegenstand wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Bandrollengeräts mit im wesentlichen parallelen Führungswänden und zylindrischen Drehgliedern bzw.
Rollen;
Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines der Fig. 1 entsprechenden Bandrollengeräts, jedoch mit ununterbrochenen Führungswänden;
Fig. 3a-31 schematische Ansichten verschiedener Ausgestaltungen des flexiblen Arbeitsbandes und der resultierenden Vorspannungen;
Fig. 4a ein Arbeitsband mit eingebetteten elektrischen Leitern;
Fig. 4b einen Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 4a;
Fig. 5a-c eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Teils des Bandrollengeräts mit Rollen verschiedener geometrischer Form;
Fig. 5d einen Querschnitt durch ein Bandrollengerät mit spulenförmigen Rollen;
Fig. 6 eine Seitenansicht im Schnitt eines Bandrollen- G -Schalters;
Fig. 7 einen Querschnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. 6;
Fig. 8 das Arbeitsband der Fig. 6 und sein Kräftediagramm;
;
Fig. 9 eine Seitenansicht im Schnitt eines als Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitsmessers oder Detektors verwendbaren Geräts;
Fig. 10 eine Seitenansicht im Schnitt eines als zweistufiger Beschleunigungs- G -Schalter arbeitenden Geräts;
Fig. 11 eine Seitenansicht im Schnitt eines als Pumpe verwendbaren Geräts;
Fig. 12 eine Seitenansicht im Schnitt eines als Geschwindigkeitswandler verwendbaren Geräts;
Fig. 13 eine Seitenansicht im Schnitt eines das Gerät verwendenden Potentiometers;
Fig. 14 ein als Kraftverstärker verwendetes Gerät;
Fig. 15 eine Seitenansicht im Schnitt eines Bandrollengeräts für hohe Belastung und
Fig. 16 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Bandrollengeräts mit gebogener oder kreissegmentförmiger Führung und zylindrischen Rollen.
Anhand der Fig. 1 sei zunächst das Bandrollengerät näher erläutert.
Ein Bandrollengerät 10 weist ein Paar oder mehrere aneinander anliegende Rollen 12, 14 auf, die über ein biegsames, unter Spannung stehendes Element, z. B. ein Arbeitsband 20, zwischen im gleichen Abstand angeordneten Wänden 16, 18 einer Führung abgestützt sind.
Das Band 20 ist, z. B. in S-Form, teilweise um die Rollen gelegt und kann durch geeignete Befestigungsmittel 22, 24, z. B. Schrauben oder Bolzen, die das Band an entgegengesetzten Enden und gegenüberliegenden Seiten der Führung festlegen, gespannt werden. Die Führungswände 16, 18 sind an beiden Enden auf Blöcken oder Wandteilen 26, 28 abgestützt. Die Summe der Durchmesser der Rollen ist wenigstens etwas grösser als der Abstand zwischen den Führungswänden 16, 18.
Nach der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform bestehen die Rollen 12, 14 aus zylindrischen Stücken beliebiger Länge. Das Arbeitsband 20 dieser Ausführungsform besteht z. B. aus einem flachen, gestreckten Band passender, gleichmässiger Breite und Dicke. Nur zum Verständnis ist das Arbeitsband 20 mit übertriebener Dicke gezeigt, für Instrumentierungszwecke ist es z. B. ca. 5-102 EL dick. Die Führung mit den Wänden 16, 18 kann ferner je nach Verwendung nicht gezeigte Seitenwände aufweisen. In der gezeigten Lage befinden sich die Rollen 12, 14 in einer Anfangslage, wobei sich die Rolle 14 und die entsprechenden anliegenden Teile des Bandes 20 im Bereich einer Sperre oder eines Anschlages 30 in der Wand 18 befinden. Wird nun eine bestimmte Kräftefunktion in Pfeilrichtung ausgeübt, z.
B. durch Beschleunigung des Geräts nach links, die ausreicht, um die Kräfte des Bandes 20, die Trägheit der Rollen 12, 14 und des Bandes, den Reibungskoeffizienten (z. B. Rollreibung) und der die Rolle 14 im Anschlag 30 haltenden Bandspannung zu überwinden, so kann die Rolle 14 freigegeben werden. Dauert die Einwirkung dieser Kraft oder einer geringeren Kraft (die jetzt nur noch von der durch die Bandspannung beeinflussten Reibung und den Trägheitskräften abhängt) an, so können die Rollen 12, 14 die Führungsbahn entlangrollen, bis die Krafteinwirkung aufhört oder bis die Rolle 14 die Energiebarriere 32 erreicht.
Wird bei Bewegung der Rollen eine Kraft ausgeübt, die ausreicht, um die kinetische Energie über einen bestimmten, durch die Kombination von Höhe und Breite der Barriere und der erhöhten Spannung des Bandes 20 bestimmten Schwellenwert anzuheben, so können die Rollen über die Barriere hinweg in den Riegel- oder Anschlagsbe reich 34 rollen (vgl. gestrichelte Linien).
Zum Entriegeln des Geräts für eine Bewegung in umgekehrter Richtung muss eine den Widerstand von
Anschlag 34 und Barriere 32 überwindende Kraft in umgekehrter Richtung ausgeübt werden.
Das Bandrollengerät 10 kann einen Schalterkontakt oder Mikro-Schalter 35 betätigen, oder an den Enden der Rolle 12 oder 14 und geeigneten Stellen der
Führung mit elektrischen Kontakten versehen sein, oder das Arbeitsband 20 kann als elektrischer Kontakt benützt und ein weiterer Kontakt im Anschlag 34 in der Wand 18 vorgesehen werden, so dass ein elektrischer Stromkreis geschlossen wird, wenn die Rolle 14 den Anschlag 34 erreicht. Das Gerät gemäss Figur 1 kann daher eine Kraft oder Kräftekombination und die über eine gegebene, durch die Länge der Führung bestimmte Zeit integrierten Kräfte feststellen oder messen. Die Freigabe vom Anschlag 30 und Rollbewegung über die Schraube 32 kann dabei mit einer Genauigkeit von 1 einem Bruchteil von 1% eines bestimmten Kräfteniveaus erfolgen.
Weitere Einzelheiten seien anhand der Figur 2 erläutert. Wie in der Figur 1 enthält ein Bandrollengerät 42 ein Paar oder eine Gruppe anliegender Rollen 44, 46, die durch ein biegsames Arbeitsband 52 zwischen parallel angeordneten Wänden 48, 50 einer Führung abgestützt sind. Die Rollen 44, 46 sind in einer an einer Endwand 47 anliegenden Anfangsstellung gezeigt, wobei das Band bis zu Kontakt- bzw. Tangentiallinien 54 und 56 an den Wänden 48, 50 anliegt, diese dann aber verlässt.
Da das Band 52 schleifen- oder S-förmig um die Rollen 44 und 46 gelegt und durch geeignete Mittel unter Spannung an diagonal gegenüberliegenden Enden der Wände 48, 50 der Führung befestigt ist, erzeugt es eine die Rollen fest gegen die Wände 48, 50 drückende und ihre Achsen parallel zueinander haltende Drehkraft; die kombinierte Wirkung der Bandspannung und der Begrenzungswände drückt damit die Rollen fest gegeneinander. Durch Anderung der Bandspannung kann bei Lage der Rollen in der gezeigten Anfangsstellung die Lage der Kontaktlinien oder -zonen verändert werden.
Die durch jeder der drei Rollkontaktzonen an den Kontaktlinien 45, 56 und zwischen den Rollen 44, 46 beigesteuerte, die Bewegung der Rollen bewirkende Kraft F ist gleich dem Rollreibungskoeffizienten (#) multipliziert mit der an der Zone angreifenden, durch das Arbeitsband und die Trägheitskräfte erzeugten Normalkraft (N). Für jede Zone ist daher (1) so dass für die gesamte Auslegung die Gesamtreibungskraft (Ft) ist. Die Normalkraft (N) ergibt sich aus der an das Band gelegten Spannung und den Trägheitskräften des Systems. Da die Trägheitskräfte der Rollen und des Bandes wie auch der Reibungskoeffizient verhältnismässig klein sind, kann die an das Band gelegte Spannung als primäre Veränderliche zur Regelung oder Voraussage von (F) dienen.
Da das gezeigte Band 52 um einen Teil jedes der beiden Rollen 44 und 46 in entgegengesetzter Richtung gelegt ist, ergibt die elastisch im S-förmigen Teil des
Bands gespeicherte Energie von den Achsen jeder Rolle ausgehende, einander entgegenwirkende Kräfte; für die achsialen Komponenten dieser in Richtung jedes Bandes parallel den Führungswänden an jeder Kontaktlinie oder -Zone einander entgegenwirkenden Kräfte Fb gilt die folgende Gleichung, wobei die Kraft im Mittelpunkt der einen oder anderen Rolle gemessen wird:
Fb = W E h3 (3)
12 R2 wobei W = Bandbreite an der Kontaktlinie,
E = Elastizitätsmodul des Bands an der
Kontaktlinie;
R = Radius des Drehglieds (Rolle), h = Banddicke an der Kontaktlinie.
Bei Gleichheit der Bandparameter W, E und H an beiden Kontaktlinien oder -zonen 54, 56 sowie der Rollenradien sind auch die entgegenwirkenden Kräfte (Fb) gleich und in Abwesenheit äusserer Kräfte befindet sich das Bandrollengerät im Gleichgewichts- oder Ruhezustand. Richtung und Grösse dieser Kräfte sind im Wesentlichen von der Bandspannung unabhängig. Da einer oder mehrere der Bandparameter an den Kontaktlinien 54, 56 verschieden sein können (definiert als Lage
1 bzw. 2), gilt,
Fb1 # Fb2 (4) so dass eine unausgeglichene Kraft (Fr an den Rollen angreift. Ist z. B. die Kraft Fb2 grösser als die Kraft Fb1, so wird eine Kraftdifferenz oder -vorspannung (Fr) auf die Rollen in Pfeilrichtung gegeben.
Wird die Bandbreite (W) verändert, so ergibt sich für die unausgeglichene Kraft die Gleichung
Fr = (W1 -- W2) Eh (5)
12 R2
Zur Anwendung einer Kraftvorspannung an den Rollen können die übrigen veränderlichen Parameter E, h, R abgewandelt werden.
Achsialkräfte können durch Verwendung eines Bandes mit Schleifen oder Kurven eingeführt werden, die durch Temperung oder Kaltverformung in bekannter Weise hergestellt werden können. Weiterhin können Kräfte durch Veränderung des Materials in Längsrichtung eingeführt werden, z. B. durch Laminieren oder Verbund verschiedener Materialien entlang dem Band durch Anwendung bekannter Verfahren.
Die Figuren 3a-31 zeigen verschiedene Bandformen mit einer Reihe verschiedener Bandbreitenkombinationen an den Kontaktlinien mit den Führungswänden und zeigen die resultierenden, an das Arbeitsband und somit an die Rollen gelegten Kräftevorspannungen (Fr). All diese Bandformen sind für das in der Fig. 2 gezeigte Bandrollengerät verwendbar. Zur Veranschaulichung sei angenommen, dass die senkrechte Achse des Kräftediagramms der Zeichnungen das Arbeitsband 52 an der an der Rolle 46 anliegenden Kontaktlinie 56 kreuzt und der die Rolle 44 teilweise umgebende Teil des Bandes 52 an der Abschlusswand des Geräts anliegt.
Gemäss der Figur 3a besitzt das Arbeitsband 52a über seine gesamte Länge die gleiche Breite. Da die Bandbreite an den Kontaktlinien 54 und 56 gleich ist, sind die resultierenden Kräfte (Fr) wie im Kräftediagramm gezeigt Null, entsprechend der in der Figur 1 gezeigten und oben erläuterten Ausgestaltung. Gemäss der Fig. 3b besitzt das Arbeitsband 52b einen links von der Kontaktlinie 56 der Figur 2 beginnenden, sich um die Rollen 46 und 44 herum erstreckenden und kurz vor der Kontaktlinie 54 endenden rechteckförmigen Ausschnitt 60b. Die hiermit gegebene Kontaktentfernung bestimmt auch die grösstmögliche Bewegung dieser Auslegung ohne Verlassen der Kraftzone. Unter Verwendung der obigen Gleichung (5) ergibt sich für die Zeit, in der der Ausschnitt an der Kontaktlinie 56 anliegt, eine durch ihn in entgegengesetzter Pfeilrichtung (Fig. 2) wirkende konstante positive Kraft (Fr).
Bei Einsatz des Bandrollengeräts 42 der Figur 2 mit dem Arbeitsband 52b können z. B. in Pfeilrichtung wirkende Kräfte, z. B. Beschleunigungskräfte und deren Dauer gemessen werden. Wird eine negative Kraft, die grösser als die Bandausschnittskraft, auf das Gerät gegeben, so rollen Band und Rollen für die Dauer dieser Kraft die Führung entlang. Dauert diese Kraft genügend lange Zeit, um die Rollen in eine zweite Lage mit den in Fig. 2 gestrichelt gezeigten Kontaktlinien 62 und 64 jenseits des Ausschnitts zu bewegen, so wird die resultierende Vorspannung des Bandes Null und dieses befindet sich im Gleichgewichtszustand. Dauert die Kraft dagegen nicht genügend lange an, um die Rollen in diese Lage zu bringen, so bewirkt die Kräftevorspannung die Rückstellung der Rollen und des Arbeitsbandes in die an der Endwand anliegende Ausgangsposition.
Das Bandrollengerät 42 mit dem Arbeitsband 52b kann auch als Abtastschalter für einen Zustand dienen.
Hierzu wird das Band mit den Rollen rechts von der Kontaktlinie 56 mit dem Ausschnitt noch an der Kontaktlinie anliegend in Stellung gebracht und in dieser Lage durch Zustandsfühl- oder -abtastmittel, wie z. B.
ein schmelzbares Material oder eine lösbare magnetische-Sperre, gehalten (nicht dargestellt).
Tritt der Zustand ein, so lassen die Fühl- oder Abtastmittel die Rollen frei und diese werden durch das Arbeitsband bzw. dessen Vorspannungskraft an die Endwand zurückgeführt, wo sie einen nicht gezeigten Schalter betätigen. Die Vorrichtung kann in dieser Form z. B. als Stromunterbrecher oder Stromkreisstörungsfüh ler dienen.
Gemäss Fig. 3c ist ein Arbeitsband 52c über seine gesamte Länge gleichmässig verjüngt ausgebildet. Da die Bandbreitendifferenz an den Kontaktlinien für jede Rolle über die gesamte Länge der Führung gleich ist, ergibt sich eine konstante Kraft (Fr). Im Gegensatz zu dem Band mit dem Ausschnitt 60b gemäss der Figur 3b ist die Kraft des verjüngten Bandes nicht durch die Länge des Bandkontakts mit den Rollen begrenzt. Im übrigen lassen sich mit dem Arbeitsband 52c unter Verwendung einer mechanischen Sperre gemäss der Figur 1 und der im Zusammenhang mit der Figur 3b erläuterten Grundsätze die gleichen Funktionen erfüllen wie mit dem Arbeitsband 52b.
Zur Erzeugung der gleichen Kräftevorspannung kann das Arbeitsband 52c eine gleichmässige Breite und einen gleichmässig verjüngten Ausschnitt über seine gesamte Länge aufweisen. Gemäss der Figur 3d ist das Arbeitsband 52d mit einem komplexen Ausschnitt 60 d versehen, der teilweise an der Kontaktlinie 56 der Figur 2 anliegt; ferner kann ein zweiter Ausschnitt 58d vorgesehen sein, der entsprechend den gestrichelten Linien der Figur 2 an der Kontaktlinie 62 und der Rolle 44 anliegt. Der Ausschnitt 60d erzeugt eine ähnliche positive Kräftevorspannung wie der Ausschnitt 60b der Figur 3b, wobei jedoch drei stufenförmig voneinander abgesetzte Kräfteebenen der Vorspannung erzeugt werden. Der Ausschnitt 58d liefert eine negative Kraftvorspannung, die entsprechend dem mechanischen Anschlag oder Riegel 30 und 34 der Figur 1 als Sperre dienen kann.
Die drei Kräftestufen des Ausschnitts 60d können ebenfalls die gleiche Funktion erfüllen wie der mechanische Anschlag 30 der Figur 1.
In der Figur 3e enthält ein Arbeitsband 52e ein Paar dreieckige Ausschnitte 58e und 60e. Die Basis des dreieckigen Ausschnitts 58e kann am einen Ende der Kraftvorspannung an der Kontaktlinie 54 anliegen, während die Basis des dreieckigen Ausschnitts 60e an der Kontaktlinie 64 anliegt. Die kombinierte Kräftevorspannung erzeugt eine einer positiven Federkonstanten ähnliche Kennlinie mit einer am Kreuzungspunkt der Kräftevorspannung mit der Kraftdiagrammachse liegenden stabilen Lage, d. h. dort wo die Spitzen der dreieckigen Ausschnitte gleichzeitig an einer etwa in der Mitte zwischen den Kontaktlinien 54 und 62, bzw. 56 und 64 liegenden Kontaktlinie anliegen. Das mit dem Arbeitsband 52e versehene Bandrollengerät kann z. B.
als Stossdämpfer oder Vibrationsdämpfer dienen.
Gemäss der Figur 3f besitzt ein Arbeitsband 52f einen dreieckigen, mit der Spitze an der Kontaktlinie 56 anliegenden Ausschnitt 60f. Die erzeugte Kräftevorspannung entspricht in etwa einer positiven Federkonstanten einer Spiralfeder, wie im Falle der Figur 3e.
Die Ausgestaltung gemäss der Figur 3g mit einer konkav verjüngten Bandbreite erzeugt eine parabelförmige Kraftvorspannung, entsprechend einer positiven und negativen Federkonstanten.
In den Figuren 3h, 3i und 3j erzeugen verschiedene Ausschnitte und Bandbreitenänderungen in Arbeitsbändern 52h, 52i und 52j Kräftevorspannungen, die der Kräfteanordnung einer negativen Federkonstanten ähnlich sind. Diese Ausschnitte und Bandbreitenänderungen wirken auf das Bandrollengerät 42 in der gleichen Weise wie weiter oben im Zusammenhang mit den Figuren 3e, 3f und 3g beschrieben. Durch Anlegen der Kontaktlinie eines der Arbeitsbänder 52h, 52i oder 52j an die Rolle 46 entlang der Kraftvorspannungskennlinie kann mit ein- und derselben Bandform ein weiter Kräftebereich durch das Bandrollengerät 42 gemessen werden.
Die Figur 3k verdeutlicht die Möglichkeit, durch Wahl der gewünschten Kraftvorspannung und entsprechende Auslegung der Ausschnitte oder eines einzelnen Ausschnitts eines Arbeitsbandes, wie z. B. des Arbeitsbandes 52k, eine beliebige Kraftvorspannung zu erzeugen.
Gemäss der Figur 3 1 erzeugen zwei Reihen von kreisförmigen Ausschnitten des Arbeitsbandes 52 1 eine praktisch sinusförmige Kraftvorspannung, die z. B. eine Mehrzahl von Gleichgewichts- oder Anschlagstellungen der Rollen 44 und 46 bewirken kann.
Durch geeignete Auswahl eines Arbeitsbandes mit den gegebenenfalls kombinierten Ausschnitten und
Bandbreiten der Fig. 3a--1 kann mit dem Bandrollenge rät 42 jede beliebige Kraftvorspannung erzeugt werden.
In einigen Anwendungsfällen kann es günstig sein, ein Primärband mit oder ohne Kraftvorspannung und mit einem Paar Rollen mit einem oder mehreren sekundären Arbeitsbändern mit oder ohne Rollen und eigener Kraftvorspannung zwecks Erzielung einer Kombinationsvorspannung zu vereinigen. Das zusätzliche sekun däre Arbeitsband wirkt z. B. als Schieber oder Dämpfer für das Primärband. Eine weitere, typische, für einige
Anwendungsfälle günstige Kraftvorspannung wird durch
Figur 8 erläutert. In den meisten Fällen ist es übrigens günstiger, Ausschnitte anstatt Veränderungen der Band breite zur Erzeugung der erforderlichen Kraftvorspan nung vorzusehen, da Ausschnitte mit bekannten Verfahren, wie z.B. durch Photoätzen, genauer herstellbar sind.
Je nach der Verwendung des Bandrollengeräts kann das Arbeitsband aus einer grossen Zahl verschiedener biegsamer Materialien oder Kombinationen derselben hergestellt werden, wie z. B. Kunststoff, Metallen, Legierungen, Laminierungen, Isolatoren, visko-elastischen Stoffen usf. Typische Materialien sind u.a. zum Beispiel Aluminium, rostfreier Stahl, Laminierungen aus Beryl Kupfer-Kunstharz, Polyäthylenterephthalat und Polyimide. Für einige Zwecke kann ein Band aus temperaturempfindlichem Bimetall zur Erzeugung oder Beeinflussung von Kräftevorspannungen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen verwendet werden. Die Figuren 4a und 4b zeigen ein Arbeitsband mit mehreren darin eingebetteten elektrischen Leitern. Der Hauptkörper des Bandes 34 besteht z. B. aus einem geeigneten festen oder laminierten Isolator.
Ein Paar ausgerichtete Leiter 38 und 40 und Leiter 41 sind im Isolatorteil 36 eingebettet oder zwischen diesem einlaminiert. Je nach Verwendungszweck und den gegebenen elektrischen Erfordernissen kann eine beliebige Zahl von elektrischen Leitern beliebiger Länge im Band eingebettet sein (vgl.
die Beschreibung des Arbeitsbandes 172 gemäss Fig.
10). Gegebenenfalls kann zur Herstellung eines Kontakts zwischen einem Anschluss und einem der Leiter 38, 40 oder 41 über die Arbeitsbandwände das isolierende Material von Teil 36 entfernt oder es können an der gewünschten Kontaktstelle am Arbeitsband besondere Kontakte bzw. Anschlüsse befestigt werden. Zur Erzielung der zur Aufrechterhaltung der gewünschten Spannung nötigen Biegsamkeit und Stossfestigkeit des Arbeitsbandes können an den Bandenden ring- oder labyrinthförmige Ausschnitte oder Riffelungen vorgesehen sein, oder das Band kann aus elastischem Material gefertigt werden. Die Rollen können aus Hohl- oder Vollzylindern oder rechtwinkligen Prismen oder Varia tionen derselben bestehen. In den meisten Fällen können Hohl- oder Vollzylinder verwendet werden, da sie eine kontinuierliche Rollbewegung gewährleisten.
Zur Vermeidung der in einigen Fällen erforderlichen genauen Kontrolle der Rollenlängen können die Rollen mit einem oder mehreren federbeaufschlagten, nach aussen gegen die Seitenwände der Führung gedrückten Gliedern ver sehen sein. Die in einigen Fällen erwünschten Kräfteanordnungen, Anschläge und Sperren können durch Ver wendung von komplexen oder abwechselnden Rollenfor men erreicht werden. Die Rollen können auch spulen förmig ausgebildet sein, wie dies z. B. in den Figuren 5d und 10 dargestellt ist.
Die Figuren 5a-5c verdeutlichen zusätzlich zu der in den Figuren 1 und 2 gezeigten einfachen Zylinder form weitere Rollenformen 66, 68 und 70, die sämtlich teilweise von den Arbeitsbändern 67, 69 bzw. 71 um geben und an den Führungswänden 72 abgestützt sind. Die Rolle 66 besteht im wesentlichen aus einem
Zylinder mit einem flachen Teil 74. Die Rollen 68 haben die Form eines Prismas mit einem gleichseitigen
Dreieck als Grundfläche, während die Rollen 70 als dreieckige Prismen mit einer gekrümmten Fläche 75 ausgebildet sind. Liegt die Rolle 66 mit dem Arbeits band auf dem flachen Teil 74 auf, so nimmt die
Bandrollenvorrichtung eine stabile Lage ein und wirkt unter leicht verringerter Bandspannung als Anschlag oder Sperre, bis eine in der einen oder anderen Richtung wirkende ausreichend grosse Kraft die Rolle aus der
Lage rollt.
In analoger Weise können verschiedene Anschlags- oder Sperrstellen eingebaut werden. Wie aus der Figur 5 ersichtlich ist, kann mit Hilfe des flachen Teils 74 eine von der Bandspannung abhängende zusätzliche Federwirkung erreicht werden, die eine stossdämpfende Wirkung hat oder die Spannungseinstellung unkritisch macht.
Auf der Innenfläche der Führungswand 72 kann ein Block 76 angebracht sein, über den eine Rolle und ein Arbeitsband hinwegrollen können, wobei die durch das Arbeitsband eingeführte Normalkraft (N) wiedergewonnen wird. Bietet der Block zwei oder mehr Kontaktpunkte, so kann die Normalkraft infolge der durch den flachen Teil 74 gestellten Federkraft bzw. Nachgiebigkeit von allen Kontaktpunkten gleichmässig geteilt werden. Der durch die leichte Radiusverringerung am flachen Teil bewirkte geringe Schlupf entfernt Oxydfilme oder Verunreinigungen und gewährleistet eine saubere Kontaktfläche. Durch Anlegen des flachen Teils 74 an den Block 76 kann eine zusätzliche Wischwirkung zwischen den Kontakten sowie, je nach der Relativlage von Teil 74, Block 76 und der Mitte der Rolle 66, eine grössere Anschlags-, Sperr- oder Rückstosskraft erzielt werden.
Wird eine besonders hohe Empfindlichkeit gewünscht, so können komplementäre spulenförmige Rollen 77 und 78 gemäss der Figur 5d vorgesehen werden.
Die Rollen 77 und 78 sind so geformt, dass keine in Kontakt mit gegenüberliegenden Flächen des Arbeitsbands 79 tretende Flächen bestehen, wodurch ungünstige Wirkungen der Oberflächenrauheit der Rollen 77 und 78 verringert oder praktisch ausgeschaltet werden. Das gleiche Ergebnis kann auch durch Erhöhen der Bandspannung und plastischer Verformung der Rollen bzw.
Ausgleich der Oberflächenrauheit oder durch Verringerung der Bandspannung und resultierender Bewegung der Rollen auf den Spitzen der Oberflächenrauheit erzielt werden. Ferner kann die spulenförmige Rolle 78 verwendet werden, wenn die Masse des Bandrollengeräts und die Trägheitskräfte verringert werden sollen.
Die Rollen können aus einer grossen Zahl verschiedener Stoffe hergestellt werden und je nach Verwendungszweck und dem von jeder Rolle erwarteten Beitrag zur Kraftvorspannung auch mit Überzügen versehen sein. Typische Stoffe sind z. B. Beryll, Aluminium, rostfreier Stahl, Messing, Legierungen wie z. B. Beryll Kupfer, Wolframkarbid, oder Isolatoren wie z. B. Aluminiumoxyd, strukturelle Kunststoffe und Gummi. Die Führung bzw. das Gehäuse oder seine Stütz- und Führungswände können je nach Verwendungszweck des Geräts aus bekannten Isolatoren oder Metallen und Legierungen bestehen. Wird das Arbeitsband als elektrischer Leiter eingesetzt, so kann die Führung mit einer isolierenden Schicht überzogen sein. Die das Arbeitsband abstützenden Führungswände können mit verschiedenen, z.
B. in den Figuren 1 und 5 gezeigten Sperren, Anschlägen, elektrischen Kontakten u. dgl. versehen sein, die die verschiedensten Funktionen hinsichtlich des Arbeitsbandes und der Rollen erfüllen. Die Führungsseitenwände können mit Rillen oder Öffnungen versehen sein, die in einem eingeschlossenen Gerät zwischen gegenüberliegenden Seiten des Arbeitsbandes und der Rollen eine fluide Dämpfung bewirken. Ferner können die Führungsseitenwände mit Vorsprüngen, Keilen, elektrischen Kontakten, magnetisch betätigten Stiftsperren u.a.m., je nach dem jeweiligen Verwendungszweck, versehen sein. In den Zeichnungen sind die Stützwände im gleichen Abstand voneinander angeordnet gezeigt und sind flach und parallel oder flach und gebogen. Sie können aber auch aufeinander zu- oder auseinanderlaufend angeordnet sein, soweit ihr gegenseitiger Abstand in den einwirkenden Stellen bzw.
Bereichen nicht grösser als die Summe der wirksamen Durchmesser der Rollen ist. Für besondere, spezielle oder komplexe Kräftevorspannungsfunktionen erfordernde Zwecke können die Führungsstützwände als diejenigen Flächen definiert werden, die dadurch erzeugt werden, dass man zwei parallele Linien gleicher Länge entlang zwei ebenen, nichtschneidenden Linien führt, wobei die parallelen Linien senkrecht zu dieser Ebene stehen. An den Endwänden können auch verschiedene Riegel, Klinken, Anschläge und Einstellschrauben zur Einstellung oder Freigabe des Arbeitsbandes und der Rollen hinsichtlich einer Kraftvorspannung vorgesehen sein. In Verbindung mit der folgenden Beschreibung einer Anzahl von Ausgestaltungen des Bandrollengeräts seien gleichzeitig auch verschiedene Variationen und Abänderungen der Rollen, Arbeitsbänder und Führungen und übrigen Bauteile erläutert.
Die Figuren 6 und 7 zeigen die Verwendung des Geräts als G-Schalter oder Beschleunigungsmesser.
Durch ein Arbeitsband 96 wird ein Paar Rollen 80 und 82 in einer Anfangsstellung zwischen Führungsstützwänden 84 und 86 in Spannung gehalten. Das Band selbst wird durch geeignete Befestigungsmittel, wie z. B.
Schrauben 98, gespannt. Das Arbeitsband 96 enthält einen komplexen Ausschnitt 100 und einen rechteckigen Ausschnitt 101. Der Ausschnitt 100 ist, wie dargestellt; entlang der Kontaktlinie der Rolle 80 und Arbeitsbandes 96 mit der Wand 84 gelagert. Der Ausschnitt 101 ist so gelagert, dass er bei der Rollbewegung der Rolle 80 und des Bandes über den Ausschnitt 100 hinweg an der Kontaktlinie zwischen Rolle 82 und Arbeitsband 96 sowie Wand 86 in der Endlage der Vorrichtung anliegt.
Das Arbeitsband 96 enthält auch ein Paar einander gegenüberliegender U-förmiger Ausschnitte 102 und 104 mit einem Paar zungenförmiger Fortsätze 106 und 108 zwischen den Seiten des Arbeitsbandes. Die Zungen 106 und 108 führen infolge der Krümmung des Bandes entsprechend der Darstellung in der Fig. 6 von den Rollen 80 und 82 weg. In der Ausgangsstellung des G Schalters liegt die Zunge 108 am Ende der durch die Endwand 92 geschraubten Einstellschraube 110 an.
Vermittels dieser Schraube kann die Lage der Rollen 80 und 82 in der Führung so eingestellt werden, dass die Kontaktlinie der Rolle 80 und des Arbeitsbandes 96 entlang dem gewünschten Teil des dreieckigen Teils entsprechend der negativen Federkonstanten des Ausschnitts 100 liegt. Die Zunge 106 ist so auf dem Arbeitsband 96 gelagert, dass sie in der Endlage des Bandrollengeräts genau wie der Block 76 gemäss der Figur 5a mit dem flachen Kontakt in Berührung kommt.
Durch Verbindung elektrischer Leiter mit Schrauben 98, 110 und Kontakt 112 wird anfangs ein geschlossener Stromkreis zwischen Schraube 98 und Schraube 110 und anfangs ein offener Kreis zwischen Schraube 98 und Kontakt 112 gebildet. Die Wände 84 und 86 können aus isolierendem Material bestehen oder mit einem solchen überzogen sein (nicht dargestellt). In der Endlage des Geräts ist der Stromkreis zwischen Schraube 98 und Kontakt 112 geschlossen.
In der Figur 8 ist die durch Ausschnitte 100 und 101 und Zunge 106 erzeugte Kraftvorspannung durch die ununterbrochene Linie 114 dargestellt. Die Kraftvorspannung des Ausschnitts 100 enthält die gestrichelte Linie 116, die negative Federkonstante der Linie 114 und die konstante positive Rückstellkraft der Linie 114.
Der Ausschnitt 101 erzeugt die negative Kraftvorspannung oder Sperrkraft 118 der Linie 114. Die Zunge 108 erzeugt eine Schubkraft gegen die Rollen, dargestellt durch die gestrichelte Linie 120, die nach längerer Lagerung eine gute Loslösung oder Start aus der Anfangslage sichert. Dieser federnde Anschlag erzwingt eine kurze vorwärts gerichtete Rollbewegung aus der Anfangslage, bis die Ausbruch- oder Startlage erreicht ist. Die negative Federkonstante sichert eine schnappartige oder plötzliche Auslösung oder Freigabe.
Die Beschleunigung des Bandrollenschalters in Pfeilrichtung erzeugt eine Rückstosskraft in umgekehrter Richtung. Ist die Kraft genügend gross, um die Rollreibungskraft Ft der Gleichung (2) zu überwinden, so können die Rollen und das Arbeitsband aus ihrer durch Schraube 110 und federnde Zunge 108 festgelegten Anfangsstellung wegrollen. Dauert die Kraft an und ist sie grösser als die durch den Ausschnitt 100 erzeugte Kraftvorspannung, so wird die Rollbewegung der Rollen und des Arbeitsbandes entlang der Führung fortgesetzt.
Wird die Kraft länger aufrecht erhalten, als zur Durchquerung der Führung durch die Rollen und das Arbeitsband und zur Verlagerung der Kontaktlinie zwischen Rolle 80 und Wand 84 über den Ausschnitt 100 und der Kontaktlinie zwischen Rolle 82 und Wand 86 über den Ausschnitt 101 hinweg erforderlich ist, so kann der Bandrollenschalter in Kontaktlage der Zunge 106 mit dem elektrischen Kontakt 112 verriegelt werden. Wird dagegen die Kraft nicht für die hierzu erforderliche Zeit aufrechterhalten, so kann die durch den Ausschnitt 100 erzeugte Kraftvorspannung das Gerät in seine Ausgangslage zurückstellen.
Ein Bandrollengerät spricht naturgemäss auf parallel zur Führungsrichtung einwirkende Kräfte leicht an, ist dagegen infolge der zwischen dem Arbeitsband und den Rollen in Richtung der Normalkräfte (N) wirkenden ausgeglichenen Gegenkräfte gegenüber äusseren Seitenbelastungen oder -kräften verhältnismässig unempfindlich, so dass für die senkrecht zu den Rollenachsen liegenden, N unterschreitenden seitlichen Kraftkomponenten die resultierende Gesamtnormalkraft auf beiden Flächen konstant ist und nur geringe, mit der Nichtlinearität des Verhältnisses zwischen # und Belastung zusammenhängende Veränderungen in # wahrgenommen werden.
Diese Normalkraft erzeugt zwischen den Rollen, dem Arbeitsband und der Führung eine Reibung, welche die parallel zu den Rollenachsen auftretenden Kraftkomponenten daran hindert, die Rollen seitlich zu verschieben. Hierzu trägt auch die Bandsteifigkeit bei.
Eine seitliche Bewegung kann durch entlang der Peripherie der Rollen 80 und 82 an Seitenwänden 88 und 90 vorgesehene Blöcke oder Führungen 122 (Fig. 7) praktisch ausgeschaltet werden. Da sich die entlang der Peripherie der Rollen 80 und 82 vorgesehenen Führungen 122 an der Stelle der geringsten Relativgeschwindigkeit zwischen jeder Rolle und den Führungen befinden, kann die eingeführte Gleitreibung minimal gehalten werden.
Werden Rollen mit gleichem Trägheitsmoment verwendet, so sprechen sie auf die Rotationsbeschleunigungskomponenten um ihre Achsen nicht an. Jedoch kann die entsprechende Empfindlichkeit dadurch erreicht werden, dass Rollen mit verschiedenen Trägheitsmomenten eingesetzt werden.
Die Figur 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Bandrollenschalters oder Beschleunigungsmessers, der die Messung sowohl einer G-Stufe als auch einer Beschleunigungsveränderung gestattet. Das Gerät enthält ein erstes Paar durch ein erstes Arbeitsband 136 zwischen Führungsstützwänden 128, 130 und Endwänden 132, 134 in einer Ausgangslage unter Spannung gehaltene Rollen 124 und 126. Die Rolle 126 kann mit einer durch ihre Mitte gehenden und mit einer Öffnung 140 im Band 136 ausgerichteten Öffnung 138 versehen sein. Ferner weist die Vorrichtung ein durch ein zweites Arbeitsband 146 unter Spannung am Glied 16 anliegend gehaltenes Paar von Rollen 142 und 144 auf. Die beiden Arbeitsbänder 136 und 146 können durch an ihren Enden angebrachte Befestigungsmittel in der gezeigten Weise überlappend in Spannung gehalten werden.
In der gleichen Weise wie in der Figur 8 für das Band 96 erläutert kann auch das Arbeitsband 146 vermittels eines Ausschnitts 100 mit Zungenausschnitt 102 und Zunge 106 mit geeigneter Kraftvorspannung versehen sein. Die Rollen 142 und 144 arbeiten in der gleichen Weise wie die Rollen 80 und 82 des in den Figuren 6 und 7 gezeigten Schalters, indem sie auf die in Pfeilrichtung wirkenden Kräfte ansprechen, wobei die Kraftschwelle ihrer Ansprechbarkeit durch eine Einstellschraube 148 verändert werden kann. Die Kräftevorspannung im Band 146 hält beide Rollenpaare in ihrer jeweiligen Ausgangslage. Ähnlich wie das in der Figur 3a gezeigte Band 52a kann auch Arbeitsband 136 über seine gesamte Länge gleich breit sein. Das Führungsinnere kann mit einem fluiden, d. h. flüssigen oder gasförmigen Dämpfungsmittel angefüllt sein.
Zur Vermeidung von Gasverlusten an ihren Enden sind die Rollen 124 und 126 sowie das Arbeitsband vorzugsweise mit kleinen Toleranzen genau an die Seitenwände passend ausgelegt. Ferner sind die Seitenwände zur Vermeidung von zu starken Seitenreibungsverlusten mit Führungsschienen bildenden Oberflächen ausgestattet.
Dagegen sind die Rollen 142 und 144 sowie das Arbeitsband 146 locker ausgelegt, um eine praktisch ungedämpfte Bewegung zu ermöglichen.
Wird dieses Bandrollengerät einer bestimmten Beschleunigung nach links ausgesetzt, so können die Rollen 142, 144 und das Arbeitsband 146 bis zum Ende der Führung rollen und liegen dann an der Endwand 134 an, wobei die Zunge 106 an einem Vorsprung 150 in der Wand 134 anliegt bzw. hier verriegelt ist.
Gleichzeitig können die Rollen 124, 126 und das Arbeitsband 136 in die gleiche Richtung rollen, da eine die Rollen und das Arbeitsband in ihrer jeweiligen Ausgangslage haltende Vorspannung fehlt. Die Geschwindigkeit der Rollbewegung der Rollen 124, 126 entlang der Führung hängt dabei von dem Durchflusswert der Dämpfungsflüssigkeit bzw. -gase durch die Öffnungen 138 und 140 ab, so dass eine Integration der Beschleunigungskraft mit dem Faktor Zeit erfolgt.
Durch geeignete auf der Führung und den Arbeitsbändern angebrachte elektrische Kontakte kann die durch die Rollen 124,126 und das Arbeitsband 136 abgetastete G-Stufe, sowie die durch die Rollen 124, 126 und das Arbeitsband 146 gemessene Geschwindigkeitsänderung angezeigt werden. Die Rückstellung des Bandrollengeräts in seine Ausgangslage kann durch Betätigung der die Zunge 106 von dem Vorsprung 150 wegstossenden Schraube 152 erfolgen.
Die Figur 10 zeigt einen zur Abtastung einer oder mehrerer G-Stufen geeigneten Bandrollenbeschleunigungsmesser oder G-Schalter. Er enthält ein Paar anliegender, spulenförmiger, durch ein Arbeitsband 166 zwischen Führungsstützwänden 158 und 160 und Endwänden 162 und 164 in Spannung gehaltener Rollen 154 und 156.
Das Arbeitsband 166 besitzt über einen erheblichen Teil seiner Länge einen dem Ausschnitt 60b der Figur 3b ähnlichen Ausschnitt 168, der jedoch ein Paar äussere, die Rollen 154 und 156 an ihren Randteilen tragende Bandteile freilässt (die Randteile sind mit 170 und 172 bezeichnet). Da die äusseren Bandteile an jeder Kontaktlinie die gleichen Abmessungen haben, trägt das Arbeitsband nicht zur Kräftevorspannung des Schalters bei. Mit geeigneten Befestigungsmitteln kann das Arbeitsband in der weiter oben erläuterten Weise an diagonal gegenüberliegenden Enden der Führung befestigt werden. Ferner können entlang den äusseren Bestandteilen durch bekannte Laminierungsverfahren in Längsrichtung orientierte und isolierte Leiter angebracht werden (nicht dargestellt), wobei das Band um die Aussenseite der Abschlusswand 164 gefaltet wird.
Ein übertrieben dick eingezeichneter Ausgangskontakt 174 befindet sich am äusseren Bandteil des Bandes 166 und ein weiterer, nicht gezeigter Kontakt kann im Längsab- stand rechts vom Kontakt 174 am anderen äusseren Bandteil angeordnet sein. Die Leiter können in dem um die Abschlusswand 164 gefalteten Teil des Spannbandes unterbrochen sein, so dass zwei Leiteranordnungen entstehen; werden diese durch den Schalter verbunden, so entstehen bei Anschluss in bekannter Weise an nicht gezeigte Verbraucher oder Messvorrichtungen zwei getrennte, vollständige Stromkreise. So kann z. B. der um die Abschlusswand 164 gefaltete Teil des Arbeitsbandes unmittelbar an eine geeignete Verbindung oder ein Schaltbrett angeschlossen werden, so dass der Kontakt mit den unterbrochenen Leitern hergestellt und der Stromkreis mit z. B. der Messvorrichtung geschlossen wird.
Da die Rollen anscheinend an jedem Punkt entlang der Führung um die Kontaktlinien rotieren, können eine Verschiebung oder Kräfte dadurch unbegrenzt verstärkt oder abgeschwächt werden, dass der betreffende Mechanismus mit einem beliebigen Punkt auf beliebigem Radius der Rolle entweder ober- oder unterhalb der Rollenachse und inner- oder ausserhalb des Rollendurchmessers, je nach dem gewünschten Ergebnis, verbunden bzw. mit ihm gekuppelt wird. So kann z. B.
eine Zugfeder 178 in der dargestellten Weise zwischen den Rändern oder Flanschen der Rolle 156 und der Abschlusswand 162 befestigt werden; damit wird der Federweg gegenüber demjenigen einer an der Peripherie der Rolle befestigten Feder verringert. Daher kann eine kürzere Feder benützt werden. Die Feder kann mit einem anfangs kleineren Radius der Rolle (z. B. dem Tan- gentialausschnitt in der äusseren Peripherie, der eine erhebliche Fläche der Aussenfläche belässt) befestigt werden, der bei Rollbewegung der Rolle zunimmt und damit am Anfang der Bewegung einen grösseren Federweg bewirkt, so dass die Feder mit geringerer Vorspannung gelagert werden kann. Die Zugfeder 178 hat vorzugsweise eine positive lineare Federkonstante.
Sie kann mit geeigneten Befestigungsmitteln an der Abschlusswand befestigt sein, so dass entlang der Kraftvorspannungskennlinie die erforderliche Federspannung eingestellt werden kann. Durch eine Einstellschraube 180 kann das Auslösungskraftniveau eingestellt werden. Sobald auf den in der Figur 10 gezeigten Schalter eine die vorgewählte Auslösungskraft übersteigende zunehmende Kraft in Pfeilrichtung ausgeübt wird, können die Rollen mitsamt dem Arbeitsband die Führung entlangrollen.
Durch Fortsetzung dieser Bewegung wird das Band gedehnt und eine zunehmende Kraftvorspannung auf die Rolle 156 gegeben. Nimmt das Kräfteniveau nicht zu, so können die Rollen und das Band eine stabile Gleichgewichtslage erreichen oder in ihre Ausgangslage zurückkehren. Bei ausreichender Zunahme des Kräfteniveaus rollen die Rollen und das Arbeitsband über die elektrischen Kontakte 174 und 176, sobald ein vorgewähltes Kraftniveau erreicht ist, und schalten damit die Messoder Verbraucherstromkreise ein.
Die Zugfeder und die Lage der Kontakte 174 und 176 kann mit Standardgewichten in bekannter Weise geeicht werden.
Die Figur 11 zeigt ein Bandrollengerät, das als praktisch reibungsfreier Kolben in einer mit einem fluiden Mittel arbeitenden Pumpe dienen kann. Es enthält ein Paar aneinander anliegender und durch ein Arbeitsband 194 zwischen Führungsstützwänden 186, 188, Endwänden 190, 192 und nicht gezeigten Seitenwänden in ihrer Ausgangslage unter Spannung gehaltene Rollen 182 und 184. Das Arbeitsband 194 ist vorzugsweise in der in der Figur 3b dargestellten Weise mit einer Rückstellvorspannung beaufschlagt. Dazu können die die Rollen 182 und 184 teilweise umgebenden Teile 196 und 198 des Arbeitsbands 194 z. B. durch Kaltverformen S-förmig gebogen sein, wobei der Teil 196 einen grösseren Radius besitzt als der Teil 198.
Die Bewegung der Rollen 182, 184 und des Arbeitsbandes 194 von einen zum anderen Ende der Führung kann durch geeignete elektrische Kontakte oder Mikroschalter 200 und 202 in der gezeigten Weise abgetastet werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Rollen und das Arbeitsband vorzugsweise mit möglichst kleinen Toleranzen den Innenabmessungen der Seitenwände angepasst, so dass auf beiden Seiten je eine Kammer 201 bzw. 203 gebildet und Verluste des fluiden Mittels um ihre Enden vermieden werden. Typische Toleranzen sind z. B. 5,08 #-0,762 mm. Über einen mit Regelschaltern 200, 202 und Ventil 205 versehenen Einlass 204 kann über die Abschlusswand 190 ein Antriebsdruckmittel mit der Kammer 201 in Verbindung stehen.
Das Ventil 205 kann aus einem geeigneten Stellventil bestehen, das in einer Stellung das fluide Mittel (Gas oder Flüssigkeit) in die Kammer 201 einlässt und in einer zweiten Stellung den Einlass 204 schliesst und die Kammer 201 mit der Atmosphäre verbindet. In der Abschlusswand 192 ist ein mit einem geeigneten Druckentlastungs- oder Regelventil 208 versehener Auslass 206 für das fluide Mittel vorgesehen, während sich in der Wand 188 ein mit einem Druckentlastungs- oder Regelventil 212 versehener Einlass 210 für das fluide Mittel befindet.
In der in der Figur 11 gezeigten Ausgangslage des Bandrollengeräts gelangt durch das geöffnete Ventil 212 fluides Mittel in die Kammer 203; der betätigte Schalter 200 hat das Ventil 205 zu dem Einlass 204 geöffnet, so dass die Kammer 201 gefüllt wird; und der Schalter 202 ist unbeaufschlagt. Bei Einlass des fluiden Mittels in die Kammer 201 werden die Rollen 182, 184 und das Arbeitsband 194 die Führung entlang getrieben und schalten den Schalter 200 ab. Gleichzeitig nimmt der Druck in der Kammer 203 zu, schliesst das druckempfindliche Ventil 212 und öffnet das Ventil 208, so dass das fluide Mittel durch den Auslass 206 treten kann. Haben die Rollen und das Arbeitsband das Ende der Führung erreicht, so wird der Schalter 202 betätigt und damit das Ventil 205 zur Atmosphäre geöffnet, so dass Antriebsgas oder -flüssigkeit durch dieses aus der Kammer 201 entweichen können.
Das Arbeitsband 194 kann dann die Rollen in ihre Ausgangslage zurückstellen, wobei der Druck in der Kammer 203 abfällt, das Ventil 208 schliesst und das Ventil 212 öffnet. Hierauf wird zu einer neuen Pumpenbetätigung der Schalter 202 ab- und der Schalter 200 angeschaltet.
Die Vorrichtung gemäss der Figur 11 kann auch als Kolben in einer Maschine, einer Steuervorrichtung oder einem Stossdämpfer dienen.
Die Figur 12 zeigt ein Bandrollengerät mit Rollen ungleichen Durchmessers. Die Vorrichtung enthält ein Paar anliegender, durch ein Arbeitsband 226 zwischen Führungsstützwänden 218, 220 und Abschlusswänden 222, 224 unter Spannung gehaltener Rollen 214 und 216. Das Arbeitsband kann jede beliebige Kräftevorspannung aufweisen, und die relative Grösse der Rollen wird je nach dem Verwendungszweck gewählt. Bei Entlangrollen der Rollen und des Arbeitsbandes entlang der Führung kann sich z. B. die Rolle 214 je nach dem Durchmesserverhältnis mit grösserer Geschwindigkeit drehen als die Rolle 216. Es konnten bereits Bandrollengeräte mit einem Umdrehungsverhältnis von 200: 1 hergestellt werden.
Ein doppelt integrierender Beschleunigungsmesser kann durch starre Befestigung eines Paars nicht gezeigter Schwungräder an der Rolle 214 hergestellt werden.
Die Trägheit der Schwungräder liefert die integrierende Kraft, so dass die lineare Bewegung der Rollen und des Arbeitsbands die Bewegung eines tragenden Fahrzeugs darstellt. Die Vorrichtung kann auch als Zahnstangengetriebe arbeiten, wobei die eine Rolle als Zahnstange und die andere als Ritzel dient.
Die Figur 13 zeigt ein als elektrisches Potentiometer und Funktionsgenerator arbeitendes Bandrollengerät. Es enthält, ein Paar hohle Rollen 226 und 228, die zwischen Führungsstützwänden 230, 232 und Abschlusswänden 234, 236 durch ein Arbeitsband 238 unter Spannung gehalten werden. Je nach der angestrebten Verwendung des Funktionsgenerators oder Potentiometers kann das Arbeitsband jede gewünschte Kräftevorspannung haben. Die Wand 230 enthält hier eine äussere Führung 240, einen ersten Widerstandsdraht 242 und einen zweiten seitlich zum ersten Draht angeordneten Widerstandsdraht 244, sowie die die Widerstandsdrähte von der Wand 240 trennende Isolierschicht 246. Das aus geeignetem, elektrisch leitendem Material bestehende Arbeitsband 238 rollt unmittelbar den Widerstandsdrähten 242 und 244 entlang.
Die letzteren können mit einer geeigneten Kraftquelle und einem Verbraucher (beide nicht dargestellt) verbunden werden. Beim Abrollen der Rollen und des Arbeitsbandes entlang der Führungsbahn dient das Arbeitsband 238 als eine eine veränderliche Widerstandsschleife bildende, an ihren Kontaktlinien mit den Widerstandsdrähten entlangrollende elektrische Kurzschliessung.
Wird einer oder werden beide Widerstandsdrähte 242, 244 relativ zueinander gebogen oder gekrümmt, so kann die lineare Bewegung des Arbeitsbandes 238 entlang den Widerstandsdrähten jede beliebige Widerstandsfunktion hinsichtlich Zeit oder anderer mit der Rollenverschiebung zusammenhängender Veränderlicher erzeugen. Der eine oder andere der Drähte 242, 244 kann aus einem guten Leiter bestehen, und einer der Drähte kann anstatt auf der gleichen Wand (wie gezeigt) entlang der Führungsstützwand verlaufen.
Die Figur 14 zeigt ein als Kraftverstärker oder Schlagvorrichtung dienendes Bandrollengerät, das mit gegebener Eingangskraft sehr grosse Normalkräfte erzeugen kann. Es enthält ein Paar aneinander liegende Rollen 250 und 252, die durch ein Arbeitsband 262 in der gezeigten Ausgangslage zwischen einer sich über die gesamte Länge der Vorrichtung erstreckenden oberen Führungsstützwand 254, einer sich lediglich über einen Teil der Vorrichtung erstreckenden ersten unteren Führungsstützwand 256 und Abschlusswänden 258 und 260 unter Spannung gehalten sind. Eine zweite untere Führungswand 264 ist von der Wand 254 um einen grösseren Abstand getrennt als die Wand 256 und erstreckt sich vom Ende der Wand 256 über die übrige Länge der Vorrichtung bis zur Abschlusswand 260. Ein Endstück 257 der Wand 256 dient daher als stufenförmige Zunahme des Abstands der Führungssttüzwände.
Das Arbeitsband ist mit einem Ende an der oberen Wand 254 der Abschlusswand 258 anliegend befestigt und mit seinem anderen Ende um das Endstück 257 der Wand 256 gelegt und an der Zugfeder 266 festgelegt, deren freies Ende an einem beliebigen Festpunkt, wie z. B. der Aussenfläche der Wand 256 festliegt. Die Zugfeder 262 liefert die erforderliche Spannkraft für das Band 262. Das letztere kann je nach Verwendung eine geeignete Kräftevorspannung aufweisen, wie dies weiter oben ausführlich erläutert wurde.
Die Durchmesser der Rollen 250 und 252 werden so gewählt, dass ihre addierten Durchmesser wenigstens etwas grösser sind als der Abstand zwischen den Wänden 254 und 264. (Je enger die Abmessung desto grösser die Kraftverstärkung). Obwohl die Rollen aus einem Fest- oder Hohlzylinder bestehen können, weisen sie zur Verringerung von Trägheitsverzögerungen auf Grund des Schwungradeffekts einen schweren mittleren Kern 268 auf, der von einem leichteren Rohrteil 270 umgeben ist (vgl. die Darstellung der Rolle 250). Der Kern 268 besteht z. B. aus einer gesinterten Wolframlegierung, der Rohrteil 270 z. B. aus Aluminium.
Werden die Rollen und das Arbeitsband mit einer Kraft z. B. einer G-Kraft in Pfeilrichtung belastet, so rollen sie die Führung zwischen den Wänden 254 und 256 entlang. Sobald die Rolle 252 den Endteil 257 erreicht und die stufenförmige Zunahme im Wandabstand wahrnimmt, wird die dem Arbeitsband 262 von der Federkraft der Zugfeder 266 gelieferte Kraft der Rolle 252 in Form von kinetischer Energie abgegeben.
Dadurch wird die Rolle 250 in die durch die gestrichelten Linien angedeutete Lage zurückgezogen und die Rollen 252 schlägt auf die Wand 264 auf. Zusätzlich zu dem grossen, durch die Federkombination und die fast senkrechte Anordnung der Rollen beim Aufschlag erzielten mechanischen Vorteil macht die Vorrichtung auch die sehr hohen beim nahezu momentanen Abstoppen der Rollenbewegung entstehenden Kräfte nutzbar.
Beim Aufschlag und der Festlegung der Rollen durch Reibung wird fast die gesamte kinetische Energie der Rollen nutzbar gemacht.
An der Wand 264 kann in Ausrichtung zur Rolle 252 ein Zündstift 272 und eine Sprengkapsel 274 vorgesehen sein, so dass die Sprengkapsel 274 beim Aufschlag der Rolle 252 gezündet wird. Die Sprengkapsel 274 kann wirkungsmässig mit einem Gebrauchsmittel, z. B. einem Sprengstoff oder einem in einer thermi schen Batterie vorgesehenen pyrotechnischen Mittel verbunden sein, oder die Rolle kann unmittelbar eine mechanische Arbeit verrichten, z. B. eine Verformung, Spanabhebung, Scherarbeit und dergleichen.
Die Figur 15 zeigt eine zur Unterstützung hoher Belastung geeignete Vorrichtung mit einer Mehrzahl von Rollengruppen. Gemäss der Figur 15 kann eine Last 276 zwischen einem Paar von Bandrollengeräten 278 und 280 abgestützt sein. Da die beiden Geräte im wesentlichen identisch sind, wird im folgenden nur das Gerät 278 beschrieben
Das Gerät 278 enthält eine Mehrzahl von Rollengruppen, deren jede ein Paar anliegender Rollen 282 und 284 umfasst und durch ein Arbeitsband 292 zwischen Führungsstützwänden 286, 288 und Abschlusswänden 290, 292 unter Spannung gehalten wird.
Das Arbeitsband 292 kann in der oben beschriebenen Weise an beiden Enden an den Wänden 286 und 288 festgelegt und S-förmig um jede der Rollen 282, 284 eines jeden Rollenpaars gelegt sein. Zwischen und an den Rollen 284 anliegend und zwischen Arbeitsband 292 und Last 276 können in einem Schlitz 296 in der Wand 288 eine Gruppe von Trag- oder Stützrollen 294 vorgesehen sein. Durch eine zweite Gruppe von in einem ähnlichen Schlitz in der Vorrichtung 280 angeordneten Trag- oder Stützrollen wird die Last zwischen den Geräten 278 und 280 getragen.
Je nach der Grösse der Last kann jede beliebige Anzahl von Rollengruppen verwendet werden. Eine zusätzliche Lastkapzität kann durch eine oder mehrere zusätzliche Reihen von mit jeder Rollengruppe wie 282 und 284 ausgerichteten Rollengruppen und Umschlingen des Arbeitsbandes um jede Gruppe in der dargestellten Weise erreicht werden, solange die Summe der Durchmesser der Rollen in jeder Gruppe grösser als der Abstand zwischen den Führungsstützwänden 286 und 288 ist.
Die in der Fig. 16 gezeigte Vorrichtung 332 enthält eine Führung mit einem äusseren, rohrförmigen Teil oder Wand 334 und einem inneren konzentrischen runden Teil oder Wand 335, z. B. dem gezeigten Zylinder. Mehrere Rollengruppen, von denen jede ein Paar anliegender Rollen 336, 338 umfasst, sind in der durch die Wände 334 und 335 gebildeten Führung angeordnet und werden durch ein endloses Arbeitsband 340 in Lage gehalten. Das Band wird durch die zwischen den Rollen und den Führungswänden erzeugte Festhaltekraft unter Spannung und in Abstand von den Wänden 334, 335 gehalten. Jede Rolle ist hier als Hohlzylinder dargestellt.
Das Bandrollengerät 332 kann z. B. als Lager für eine durch die kreisförmige Wand 335 der Führung dargestellte rotierende Welle dienen. Da das Arbeitsband 340 die Achsen der Rollen parallel hält, werden die normalerweise in bekannter Wälzlagern auftretenden Effekte und -Verluste an den Enden vermieden. Die Vorrichtung arbeitet mit einer praktisch aussschliesslich rollenden Bewegung, da zwischen benachbarten Teilen des Geräts nur geringe oder gar keine Gleitbewegung auftritt.
Das in den Figuren 6-14 gezeigte Bandrollengerät kann in einfacher Weise nach dem Baukastenprinzip und in Mikrominiaturbauweise hergestellt werden und unter Verwendung gleicher Bauelemente zahlreichen Funktionen angepasst werden.
Die Führung kann z. B. aus auf Vorrat gespritztem oder gepresstem Vierkantrohr gebildet werden, dessen Querschnittsabmessungen z. B. 6,35 mmx 6,35 mm und dessen Länge ca. 7,92-31,75 mm betragen, was ein mittleres Volumen von ca. 0,8 cm3 ergibt. Es können Rollen mit Durchmessern von 2,921-5,207 mm hergestellt werden, die zur Ausübung einer beliebigen Funktion in Gruppen bzw. Paaren angeordnet werden. Einige Rollen können in der in der Figur 9 dargestellten Weise mit einer Öffnung versehen werden, die dann mit bekannten Stopfen versehen werden können, um eine gewünschte Leckage und Dämpfung zu erzeugen. Es können Arbeitsbänder mit einer Standardkraftvorspannung (Fig. 3a-3b) und mit mehrfachen Leitern (Fig. 4a und b) versehen hergestellt werden, und gewünschte Vorspannungskräfte können durch Photoätzverfahren oder in sonstiger bekannter Weise vorgesehen werden.
Die Geräte können so ausgelegt werden, dass sie von einer Auslösungskraft zwischen ca. 0,002-7 000 G an arbeiten und G-Sekunden über einen Bereich von etwa 0,25-200 G-Sekunden messen. Sie können auch weitere zahlreiche Funktionen ausüben oder komplexe Kräfteverhältnisse abtasten und mehrfache Anzeigen derselben liefern, wobei die Bauabmessungen und die Zahl der Bauteile sehr klein gehalten werden können.
Das Bandrollengerät arbeitet mit erheblich geringerer Reibung als bekannte Vorrichtungen, und zwar unter sonst gleichen Arbeitsbedingungen. In einigen Fällen wurde ein Reibungskoeffizient von nur 0,0001 gemessen. Insbesondere unter extremen, die Verwendung von Schmierstoffen ausschliessenden Betriebsbedingungen arbeitet das beschriebene Gerät mit einem Minimum an Reibung und Abnutzung. Falls es erwünscht ist und die Bedingungen es zulassen, können natürlich auch Schmierstoffe verwendet werden, um die auftretenden Rollreibungsverluste noch weiter zu vermindern.
Infolge ihrer geringen Reibungskoeffizienten und der praktischen Ausschaltung von Verlusten infolge der Oberflächenrauheit können die Vorrichtungen hohe Normalkräfte zwischen elektrischen Kontakten verwenden, ohne die Genauigkeit ernstlich zu beeinträchtigen.