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Mechanischer Drehmomentverstärker Die gesteuerte Drehmomentquelle
bildet ein bekanntes Prinzip für Drehmomentverstärker, d'. h. in Abhängigkeit vom
Verdrehwinkel y zwischen der Steuerwelle und der Kraftwelle wird ein Drehmoment
auf die Kraftwelle geschaltet, dessen Größe in gesetzmäßiger \\'eise vom Verdrehungswinkel
abhängig ist.
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1?ine saubere Lösung dieses Problems erfordert eine steuerbare l)relimomentquelle,
welche unabhängig ist von der Drehzahl der Kraftwelle, so daß die Steuercharakteristik,
d. h. der 'Zusammenhang zwischen der Größe des \\'inkels @, und dem auf die Kraftquelle
wirkenden Drehmoment, für alle Drehzahlen erbalten bleibt. Bei der Anwendung von
Elektromotoren als gesteuerte Drehmomentquelle ist diese Grundforderung nicht erfüllt,
da infolge der mit der Drehzahl ansteigenden gegenelektromotorischen Ki-aft des
Elektromotors die Steuercharakteristik mit steigender Drehzahl verflacht wird. Will
man trotzdem die Grundforderung einer konstanten Steuercharakteristik erfüllen,
so muß die gegenelektromotorische Kraft kompensiert werden, was einen beträchtlichen
Aufwand erfordert.
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Eine praktisch drehzahlunabhängige steuerbare Drehmomentquelle wird
von einer durch einen Motor angetriebenen Reibkupplung dargestellt, wobei das wirksame
Drehmoment durch Veränderung
des Druckes auf die Reibfläche gesteuert
wird. Kombiniert inan zwei solche l-,eil>kupl>luttgen finit je einer rechts- und
einer linkslaufenden Reibfläche, so erii:ilt man einen primitiven Drehinomentveratä
rker, Wenn entsprechend der Größe und dein Vorzeichen des Verdrehwinkels y, zwischen
der Kraft\\-ellc und der Stetterg%-elle der Reibungsdruck auf die Links-oder rechtslaufende
angetriebene Reibscheibe gesctzrn:il.iig beeinflußt wird. Fig. i zeigt schematisch
e iiieeiiifaclie Anordnun'gdi,eser,Art. Die Scheiben, i, 2 werden von einem 'Motor
3 über das Zahnrad 4 mit konstanter Drehzahl in gegenläufigem Sinne angetrieben,
so daß z. B. i links und 2 rechts dreht. :\m I)itieretltial 3 wird der Verdrehungswinkel
y, zwischen der Steuerwelle S und der Kraftwelle h gebi ldet. Dieser #'erdre`hungswitikel
bewirkt über ein Verstcllorgan 6 eine axiale Verschiebung der Kraftwelle. \velclic
ihrerseits eine Scheibe 7 trägt, die mit (-]nein passenden Reibbelag 8 versehen
sein kann. Damit kommt die Kraftwelle in Reibungskupplung finit der Scheibe i oder
2, je nachdem die Steuer-\wClle eine links- oder 1Zeclitädi-chtitig vollführt. Wird
die Scheibe ; elastisch gemacht, so ergibt sich ein Meil>druck proportional dem
\-erstellwinl:el und damit die gewünschte Steuerung des auf die Kraft-Welle wirkenden
Drehmomentes. Zur Aufnahtne der axialen Verschiebung der Kraftwelle werden zwei
Schicl>ckttl>l>lttngen 9, io vorgesehen, welche itn Hinblick auf eine geringe
Reibung der axialen Steucrl>cWegung ztv-eckmäßigerwcise mit Rollenlagern ausgerüstet
werden.
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Die praktische Realisierung eines Drehmonlentverstärkers auf der beschriebenen
Basis ist im all-<enieincn tt11l>efried'igend wegen der starken Bclastung des
Einganges des Steuerzuges, wodurch sich 11111- ein bescheidener Verstärkungsgrad
der Ant>r(lnung ergibt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein incchanischcr Drehmomentverstärker
mit einer Steuerwelle als Eingang und einer Kraftwelle als Ausgang, wobei die Steuerung
des Drehmomentes der 1,#raftwelle ixt Abhängigkeit der relativen \\ inl;cllage der
Kraftwelle gegenüber der Steuerwelle erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung
des Drehmomentes der Kraftwelle ininclestens zwei durch einen Antriebsmotor zum
Teil in der einen, zum Teil in der anderen Richtung angetriebene Reibscheiben vorhanden
sind, mit welchen mindestens eine auf der Kraftwelle feste Reibscheibe zusaininenwirkt,
derart, daß durch axiale Verschiebung der Kraftwelle die jeweils zur Wirkung komilienden
Reibflächen der Scheiben mit mehr ()der weniger großeng Druck aneinandergepreßt
werden können, tim auf die Kraftwelle ein entslii-ecileildes Drehnionient in der
einen oder andern Richtung zu übertragen, und daß die axiale 'Verschiebung der Kraftwelle
durch einen Unischlitigungsverstärker erzeugt wird, welcher in Abhängigkeit voniDifferenzwinkel
zwischen Steuerwelle und Kraftwelle gesteuert wird.
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Fig.2 zeigt schematisch den Aufbau eines solchen mechanischen Drehmomentverstärkers.
Der Unterschied gegenüber der Anordnung von Fig. i
| hestelit lediglich darin. <laß der zur Steuerung der |
| Kraftwelle K in axialer Richtung aus (lern Diffe- |
| rential @ gewonnene Diffei-etiztwitikel e" die Kraft- |
| welle nicht direkt, sondern iilwr einen U mSchlin- |
| gunga-erstärker tcttet-t. Dieser lx#stcllt i» bekannter |
| Art aus einem Autriebsinotor i i, einer Reibtrommel |
| 12, den Unischlingttitgacilen i3 und id sowie der |
| Eingangswelle > > mit Seilantriebsorgan find der |
| Ausgangswelle ih finit Scilziliti-ieltsorgati. Da der |
| Unischlingti»gsverstiii-kei- titir die Differenzwinkel- |
| 1>ewegttn.g zu verstärken hat, beträgt die Antriebs- |
| leistung seines Antriebsmotors nur wenige Prozent |
| der .Drehmomentverstärkerlcistung. |
| Durch diese Zwischenschaltung Cities Umschlin- |
| gtitigsverstärkers zwischen Ditiere»tial 5 und Ver- |
| stellorgan 6 wird erreicht, (laß die @tettcrwelle dun-li |
| die für die Axialverschicbung der Kraftwelle nötige |
| _\rl>eit nicht »e»»enswert l>t!lastct wird und matt |
| finit sehr geringen Stcucrleistu»@rc» auskommt. |
| Die für (las richtige Funktionieren des Preh- |
| niomentN-erstärkct-s erforderliche Bedingung, daß |
| zwischen (lein arg I)ifferetitial _# gebildeten Verdreh- |
| winkel y, und der iilwr das Verstellorgan 6 bewirk- |
| ten axialen \erschi@l>ung (1(r Kraitwclle keine zeit- |
| liche Phase»verschicl>u»g auftreten darf. ist hei |
| einem L?mschlingu»gsvcrstürl;cr praktisch woll- |
| st:indig erfüllt. |
| Ixt (gen Fig. t 1111c12 wurden der Einfachheit |
| s , halber ti ärkern Ausführungafornien mit mir üincin
Paar von zc,("ciili'Ltifi"er Sclici- |
| ])ei' 1 und 2 und eitler Reibscheibe 7 auf der Kraft- |
| welle dargestellt. Natürlich können auch mehrere |
| Reibscheiben auf der Kraftwelle und ebenso |
| mehrere gegenläufig attgetriehene Rcil>sch eiben vor- |
| gesehen werden. wodurch iler Fl:iche»druch auf die |
| 1Zeil>scheil>eti herabgesetzt werclett katiti. |
| Fig. 11 zeigt eitle solche Ausführungaforin eines |
| mechanischen Drehnionientveratärkers. |
| Der Antriebsmotor 3 treibt mittels des Kegel- |
| rades 4 die gegenläufigen Scheiben i und 2 an. Es |
| sind beispielsweise je 3 Stück Scheiben i und 2 vor- |
| ,'esehen.Auf der hraftwclle K sind die Reibschei- |
| 1>e117 mit den 1Zeil>l>clägen l; tttX1 die Reibscheiben
; |
| mit den Reibbelägen g' fest montiert. |
| Beim axialen Verschieben der Kraftwelle nach |
| links kommen die Reibscheiben 7 mit den Schei- |
| ben i in Reibungskupplung, und beim Verschieben |
| der Kraftwelle nach rechts kommen die Reibschei- |
| ben f mit den Scheiben 2 in Reibungskupplung. Die |
| Steuerung der Kraftwelle erfolgt wie bei der Aus- |
| führungsforti gemäß Fig. 2 vom Differential 3 ül>et- |
| den Unischlingungsverstürker 33 auf (las Verstell- |
| organ 6. |
| Für stoßweise llela#tuugen der Arbeitswelle ist |
| es empfehlenswert. eine Schwungmasse vorzusehen |
| und z. B. die 7Zeil,scheil>en i und 2 (Fig. i, =) als |
| Schwungräder auszubilden. Dic Schwunginas#e |
| kann aber auch beispielsweise auf der Welle des _\»- |
| triel)aniotors montiert werden. Ein derartiger Dreli- |
| inotnentverstärker kann eine sehr bedeutende Lei- |
| stungsreserve aufweisen. so (laß die momentane |
| Spitzenleistung desselben ein Vielfaches der An- |
| triebsleistung des Motors lwti-tt:;eil kann. |
| Für einen derartigen Schwungradverstärker mit |
| Speicherung kinetischer Energie ist es besonders |
| vorteilhaft, einen Elektromotor zu verwenden, |
| dessen Stato>r und Rotor sich in entgegengesetztem |
| Sinne drehen. Da der Stator von Natur aus ein |
| großes 'I`rügheitsmoment aufweist, erübrigt sich itn |
| allgemeinen die Anwendung einer besonderen |
| Schwungmasse. |
| Zur l:rzwinguttg gleicher Drehzahlen des Stators |
| und des Rotors wird zwischen Stator und Rotor ein |
| Utnkehrgetriel>e geschaltet. |
| Sofern ein rascher Anlauf des Antriebsmotors |
| notwendig ist, kann ein normaler Motor angewendet |
| werden, w@iltei eine besondere Schwungmasse vor- |
| l;eseiien wird, welche über eine Reibkupplung mit |
| dem Antriebsmotor verbunden werden kann. Der |
| :\nlauf des Motors erfolgt bei ausgekuppelter |
| Schwungmasse. Diese wird erst angekuppelt, nach- |
| dem (ler Motor annähernd seine normale Drehzahl |
| erreicht hat. Wenn die Schwungmasse die Motor- |
| tourenzahl erreicht hat, wird die Reibungskupp- |
| lung durch eine starre Kupplung des Schwungrades |
| auf die Motorwelle überbrückt. |
| f?ine andere Methode zum Schnellstart des Dreh- |
| niomentverst:irkers besteht darin, daß ein' beson- |
| deres Schwutt-rad über eitlen kleinen Motor an- |
| getriclwit wir(l, welcher bei Startbereitschaft |
| (lauernd läuft. Soll der Drehmomentverstärker in |
| Betrieb genommen werden, so wird der Antriebs- |
| niotor mit dein laufenden Schwungrad zuerst über |
| eine Reibungskupplung und beim Erreichen der |
| normalen Drehzahl über eine starre Kupplung ver- |
| littit(len. |
| Zur \'ernieidtnig der hohen Luftreibungsverluste |
| bei einem hochtourigen Startschwungrad kann das- |
| selbe in einem luftdichten Gehäuse montiert wer- |
| den, welches durch eine kleine Vakuumpumpe eva- |
| kuiert wird. |
| Zur Vermeidung unnötiger Reihungsverluste bei |
| niedriger Drehzahl der Kraftwelle des Drehmoment- |
| verstärkers wird vorteilhafterweise die Drehzahl |
| der treil)endeti Reibelemente in gesetzmäßiger Ab- |
| voll der Drehzahl der Kraftwelle -e- |
| steuert. 1 )er Regelung auf einen konstanten Diffe- |
| renzw-ert zwischen der Drehzahl der treibenden |
| Scheiben und der absoluten Drehzahl der Kraft- |
| welle kommt aus Gründen der Einfachheit und der |
| ltetriel>licheti Zw-eckniäßigkeit eine besondere Be- |
| deutung zu. |
| Fig.3 veranschaulicht schematisch ein Aus- |
| fiihrtitigsl>eisl>iel mit gesteuerter Drehzahl der trei- |
| benden Reiltelemente, bei dem die Wirkung des |
| Schwungrades des _\trtrielisniotors unabhängig von |
| der Geschwindigkeit der treibenden Reibscheiben |
| dauernd voll wirksam ist. 3 bedeutet dabei einen |
| .\ntrieltsmotor lxliel»ger Art, dessen Drehzahl |
| praktisch koltst@tltt ist. 22 ist ein Schwungrad, das |
| iilxr die Welle 23 (las Reguliergetriebe 2.1 antreibt. |
| \'orteilli<tftet-w-eise wird eilt kontinuierlich regel- |
| ltares Getriebe verwendet, welches heim Verdrehen |
| der Welle 2; alt der :\usgatigswelle 26 eine variable |
| Winkelgeschwindigkeit o>1 liefert, die gesetzmäßig |
| ntit (lein @'erclrehwinkel der Welle 25 zusammen- |
hängt. Die Welle 26 ist mit den treibenden Scheiben i und 2 des Drelimomentverstärkers
gekuppelt. :\n die Kraftwelle K ist darstellungsgemäß mittels der Welle 28 ein Zentrifugalregler
29 bekannter Art gekuppelt. Der gesetzmäßige Zusammenhang der \\'itikelgeschwindigkeit
c)1 der Welle 26 und damit der treibenden Reibelemente mit der Winkelgeschwindigkeit
o>_ der Welle 28 und damit der Kraftwelle K ergibt sich in eindeutiger Weise unter
Berücksichtigung der Charakteristiken des Zentrifugalreglers 29 und des Reguliergetriebes
2,4. Die Anordnung kann beispielsweise so getroffen werden, daB o)l - 0>2 N const.
Bei der beschriebenen Anordnung kann der Antriebsmotor mit konstanter Drehzahl laufen
und mit einer sehr beträchtlichen Schwungmasse gekuppelt werden, ohne daß die Drehzahlsteuerung
der treibenden Reibelemente des Drehmornentverstärkers dadurch beeinträchtigt wird.
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Diese Methode vermeidet die Notwendigkeit der Beschleunigung des Antriebsmotors
und der Schwungmasse bei Beschleunigung der treibenden Reibelemente des Drehmomentverstärkers.
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Besonders vorteilhaft erscheint die Anwendung eines steuerbaren hydraulischen
Reguliergetriebes, da dieses gegenüber starken Belastungsstößen viel unempfindlicher
ist als ein mechanisches Reguliergetriebe.
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Fig. io zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drehinomentverstärkers
mit steuerbarem, hydraulischem Reguliergetriebe.
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Der Antriebsmotor 3, auf dessen Welle das Schwungrad 22 festsitzt,
treibt Tiber ein steuerbares, Hydraulisches Reguliergetriebe 2.4 die gegenläufigen
-Scheiben i und 2 des Drehmomentverstärkers an. Das hydraulische Reguliergetriebe
besteht aus der Axialpumpe 62, dem Leitrad 63 und der Axialturbine 64.
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Der Weg der Flüssigkeit ist durch Pfeile angegeben. Die Anstellwinkel
der Schaufeln der Pumpe sowie der Turbine sind einstellbar, wodurch das Drehzahlverhältnis
zwischen Pumpe und Turbine gesteuert werden kann.
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Diese Steuerung geschieht durch den Zentrifugalregler 29, welcher
über das Getriebe 61, den Umschlingungsverstärker 6o die Verstellung der Pumpen
bzw. Turbinenschaufeln bewirkt. Der Zentrifugalregler ist an die Kraftwelle K angekuppelt
und stellt sich ein gemäß der Winkelgesch-windigkeit (,)z. Dadurch wird die Winkelgeschwindigkeit
(,)l des Antriebes der Reibscheiben i und 2 in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit
der Kraftwelle reguliert, und es kann wiederum z. B. a>1; - o>21 N const. gewählt
werden.
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Die Anforderungen an die Präzision der Drehzahlsteuerung der treibenden
Reibelemente sind sehr bescheiden. Es muß lediglich sichergestellt werden, daß die
treibenden Reibelemente stets schneller laufen als die gesteuerte Kraftwelle des
Drehinomentverstärkers,
deren Bewegung sich aus den Anforderungen beim Durchlaufen eines Steuervorganges
ergibt.
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Die Anwendung einer gesteuerten variablen Cbersetzung bringt eine
sehr weitgehende Verminderung der Verlustleistung des Drehmometitverstärkers bei
voller Ausnutzung der Möglichkeiten einer großen Energiespeicherung durch die Schwungmasse.
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Bei Verwendung eines Elektromotors als Energiequelle für die treibenden
Reibelemente ergibt sich die Möglichkeit, ihre Drehzahl direkt durch Steuerung des
Antriebsmotors ohne Zwischenschaltung eines Reguliergetriebes zu variieren. Die
Erläuterung dieser Art der Steuerung erfolgt an Hand .von Fig. B.
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Fig. ` zeigt die Anordnung eines Drehmomentverstärkers ähnlich @vie
Fig.2. Zum Unterschied gegeniiber Fig. 2 ist jedoch die Drehzahl des Antriebsmotors
3 in folgender Art und Weise geregelt: Der mechanische Gleichrichter 73, welcher
weiter unten genauer beschrieben wird, ist mit seiner AntriebsWelle 72 an die Kraftwelle
K des Drehmometitverstärkers gekuppelt und mit seiner Abtriebswelle 68 an das Differential
74. Die zweite :\chse (Welle) des Differentials 74 ist an den Antriebsmotor 3 bzw.
dessen Welle und die dritte Achse (Welle) an den Zentrifugalschalter 75 gekuppelt.
Die Stromspeisung des Elektromotors erfolgt von den Klemmen 77 aus, und zwar ist
der Zentrifugalschalterkontakt 79 in Serie mit dem Motor geschaltet. Bei einer bestimmten
Tourenzahl, der sog. Ansprechtourenzahl des Zentrifugalschalters, wird der Kontakthebel
76 durch die Zentrifugalkraft, entgegen der Federkraft der Feder 78, nach
außen gezogen und der Kontakt 79 geöffnet.
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Die Wirkungsweise ist wie folgt: Bei einer beliebigen Drehzahl der
Kraftwelle h hat die Abtriebswelle 68 des mechanischen Gleichrichter: die nämliche
Drehzahl wie K, jedoch zufolge der Gleichrichterwirkung mit stets gleichbleibender
Drehrichtung. Mit der im Differential 74 gebildeten Differenztourenzahl zwischen
Antriebsmotor 3 und \\'elle 68 wird der Zentrifugalschalter 75 angetrieben, so daß
der Antriebsmotor 3 stets um diese Differenztourenzahl schneller läuft als die Welle
68. Liegt nun die Differenztourenzahl unter der Ansprechtourenzahl des Zentrifugalschalters,
so erhält der Antriebsmotor 3 Strom, und seine Tourenzahl erhöht sich, bis der Zentrifugalschalter
die Ansprechtotirenzahl erreicht. Eine größere Tourenzahl kann der .Antriebsmotor
3 nicht erreichen, da dann der Kontakt 79 öffnet und die Stromzufuhr unterbricht.
Mit der beschriebenen Anordnung wird somit erreicht, daß die Drehzahl des Antriebsniotors
stets um die Ansprechtourenzahl des Zentriftigalsclialters höher liegt, als die
absolute Drehzahl der Kraftwelle beträgt.
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Fig.9 veranschaulicht eine mögliche Ausführungsform eines mechanischen
Gleichrichters. Die beiden Kegelräder 65 und 66, welche lose auf der \\'elle 68
drehbar gelagert sind, werden durch das auf der :\ntriel>swelle 72 feste Kegelrad
67 in gegenläufigem Sinne angetrieben. _\uf jedem der, beiden Kegelräder
65 und 66 ist je eine Sperrklinke 70 bzw. 71 befestigt, welche mit einem
Sperrad 69 irn Eingriff steht. Dieses Sperrad sitzt fest auf der Abtriebswelle 68.
Aus der Anordnung ist klar ersichtlich, daß für beide Drehrichtungen der Antriebswelle
72 das Sperrad 69 und somit die Abtriehswelle 68 stets in der gleichen, durch Pfeil
markierten Richtung gedieht wird.
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Bei größeren Antriebsmotoren wird die Stromzufuhr ,derselben z,N-eckmäßigerweise
nicht direkt voni Zentrifugalsclialter aus gesteuert, sondern es werden Schaltschützen
oder gittergesteuerte Schaltröhren in den blotorstroinkreis des Antriebsmotors geschaltet,
welc'lie vorn Zentrifugalschalter gesteuert werden.
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Der Drelnnomentverstärker gemäß der Erfindung kann mit einem lwliel>igeli
Verbrennungsmotor, z. B. mit einem Benzinmotor, angetrieben werden. Dieser Verbrennungsmotor
kann grundsätzlich in gleicher Weise in Abhängigkeit von der Drehzahl der-Kraftduellegestetiert
werden, wie dies vorstehend für eineu Elektromotor lxschriclnn wurde. Der Drehzahlregler
des Verbrennungsmotors wird dabei vom Differentialrotor aus angetrieben, dessen
Drehzahl konstant gehalten wird. Dieser Regler tritt also an Stelle des Zentrifugalschalters.
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Für eine einwandfreie Wirkungsweise eines Drehmomentverstärkers der
vorliegenden Art ist es von besonderer Wichtigkeit, daß der Verschleiß der Reibscheiben
möglichst klein gehalten wird und d'aß derkeibungs'koeffizient derselbenpralktisch
konstant bleibt. Diese Anforderungen werden in besonders glücklicher Weise durch
Reibscheiben aus Graphit erfüllt, wobei die nietallisclie Gegenscheibe zweckmäßigerweise
geschliffen und Kochglanz poliert wird. Diese Anordnung gibt ein dauernd einwandfreies
und sauberes Arbeiten des Scheibenverstärkers, woilei der Verstärkungsgrad annähernd
konstant bleibt.
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Die zulässige Dativi-helastung des Scherenverstärkers ist vor allein
durch die Erwärmung der Reibelemente begrenzt. Durch zusätzliche forcierte Luftkühlung
kann die Belastungsfähigkeit desselben um ein Mehrfaches gesteigert werden.
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Zweckinäßigerweise wird die Tragkonstrukt-1011 der Reibscheiben als
Gebläse ausgebildet.
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Der Antrieb des LTmscliliiiguiigsverstärkers wird normalerweise mittels
eines besonderen kleinen :Motors gemacht, was namentlich beim drehzahlgesteuerten
:'\ntriellsniotor Vorteile bietet.
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Sofern der Antriebsmotor ständig mit konstanter Drehzahl läuft, wird
der Antrieb des Umschlingurigs\-erstärkers zweckmal.4igerweise vom Hauptmotor aus
gemacht.
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Zur \'ernieidung kleiner @-il@rationslxwegungen der Kraftwelle de:
1)relinionielitverstärkers bei stillstehender Steuerwelle wird in der Nullstellung
der relativen \\'inkellager zwischen Steuerwelle und Kraftwelle ein kleines axiales
Spiel zwischen der auf der Kraftwelle festsitzenden Keilischeibe und den durch den
.-\nti-ieliscnotoir gegenUiufig ailgetricl"eneil Reibscheiben v@lr@@esehen.
Für
die Stabilität des 1)relimomentverstärket-s ist die sog. ltelativdäinlifutig, d.
h. die Dämpfung der Relativbewegung zwischen der Steuerwelle und der Kraftquelle,
von ausschlaggebender Bedeutung, wie im folgenden gezeigt wird.
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Bei festgehaltener Steuerwelle, d. h. a1 = 0, a2 der Kraftwelle =
4p, und unbelasteter Kraftwelle sowie ferner unter der Voraussetzung, daß das durch
die von p ge.tctierte axiale Verschiebung der Kraftwelle von (len gegenläufigen
Scheiben i und 2 durch lteibtingskupplung auf die Kraftwelle übertragene Drehmoment
JIK zum negativen Verdrehwinkel proportional ist, (l. 1i. wenn .lIK---aM worin a,Nt
eine Proportionalitätskonstante, nämlich die Steife des Drehmomentverstärkers bedeutet,
lautet die Differentialgleichung für die Kraftwelle des 1)rehnionientverstärkers
gemäß Fig. 2
worin 0m (las Trägheitsinotnent der Kraftwelle bedeutet.
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Die Lösung dieser Differentialgleichung ist bekanntlich die harmonische
Schwingung. nämlich
worip die Eigenkreisfrequenz des Systems und A
und (1, von den Randbedingungen abhängige Integrationskonstanten bedeuten. Würde
man also bei festgehaltener Steuerwelle die Kraftwelle um einen \\'inkel verdrehen
und loslassen, so würde sie Tiber die Nullage hinaus zurückpendeln und mehr oder
weniger lang mit der Eigenfrequenz
Weiterschwingen, je nach Größe der zufällig vorhandenen Reibungsdämpfung.
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\Vird nun die Steuerwelle z. B. mit konstanter (seschwindigkeit angetrieben
und plötzlich abgestoppt, so wird die Kraft\i-elle nicht ebenfalls sofort die Geschwindigkeit
Null annehmen, sondern mit ihrer Eigetifrcquenz eine Zeitlang Weiterpendeln. Der
1#.tfekt tritt ganz allgemein bei großen Beschleunigungen der Steuerwelle oder plötzlichen
Laständerungen der Kraftwelle auf. Da jedoch bei einem Drehmomentverstärker die
Winkelbewegungen von Steuerwelle und Kraftwelle stets möglichst genau übereinstimmen
sollen, ist dieser Effekt sehr unerwünscht. Durch die im folgenden beschriebenen
Maßnahmen kann er jedoch in einfacher \\'eise beseitigt werden.
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Fig.4 zeigt schematisch eine Ausführungsform des mechanischen Drehmomentverstärkers
mit Relativdämpfung. Das Drehmoment MK der Kraftwelle, welches durch die axiale
Verschiebung der Reibscheibe ; infolge Anpressens an die gegenläufig angetriebenen
Scheiben t und 2 entsteht, soll wiederum proportional dem negativen, am Verstellorgan
6 auftretenden Winkel ; proportional sein, d. h. JIK = -am
- x, worin am die obenerwähnte Steife des Drehmomentverstärkers bedeutet.
Der Differenzwinkel V = a2 - a1 zwischen Steuerwelle und Kraftwelle, welcher
im -Differential 5 gebildet wird, wird über den Umschlingungsverstärker 32 dem Geschwindigkeitsableiter
33 zugeführt. Dieser Geschwindigkeitsableiter, dessen Aufbau weiter unten erläutert
wird, weist an seiner 3 1 eine Winkelverdrehung auf, welche stetsproportional der
Differenzwinkelgeschwi.ndigkeit
ist, d. h. der Verdrehwinkel der Ausgangswelle 31
ist
worin K eine Proportionalitätskonstante bedeutet. Dieser Verdrehwinkel
wird nun im Differential 34 zum Verdrehwinkel yp hinzuaddiert. so daß vor und nachdem
Umschldngungsverstärker 35 der Winkel
entsteht. Am Verstellorgan 6 tritt somit der Winkel
auf. Bei festgehaltener Steuerwelle, d. h. a1 = 0 22 = V und unbelasteter Kraftwelle,
wirken som=it folgende Drehmomente auf die Kraftwelle: erstens das durch die axiale
Verschiebung erzeugte, von St abhängige Drehmome'ht
und zweitens das Beschleunigungsdrehmoment
welches für a1 = 0 zu
wird. Diese beiden Drehmomente halten sich das Gleichgewicht, so daß die Differentialgleichung
lautet:
Dies ist die bekannte Differentialgleichung der gedämpften Schwingung, welche je
nach Größe der Konstanten, nämlich des Trägheitsmoments 0m, der Dämpfungskonstante
(K # am) und der Steife um
periodische, aperiodische oder überaperiodische
Lösungen liefert.
die Relativgeschwindigkeit zwischen Steuerwelle und Kraftwelle bedeutet, wird (K
- am) mit Relativdämpfungskonstante und die Art der Dämpfung mit Relativdämpfung
bezeichnet. Man wählt nun zweckmäßigerweise
wobei die Lösung der Differentialgleichung den aperiodischen Grenzfall ergibt, bei
welchem die Rückführung der Kraftwelle in die Nullage raschmöglichst,
iecloch
ohne über die -Nullage hinauszupendeln erfolgt. Die aperiodische Relativdämpfung
verhindert somit die unerwünschten Pendelungen der Kraftwelle. Da die Relativdämpfung
bei jeder Relativbewegung zwischen Steuerwelle und Kraftwelle wirksam wird, verhindert
sie auch relative Pendelungen zwischen Steuerwelle und Kraftwelle lxi drehender
Steuerwelle. Die Einführung der lzclativdämpfung verhindert somit, daß bei starken
Beschleunigungen der Steuerwelle oder plötzlichen Belastungsänderungen der Kraftwelle
Relativpendelungen zwischen Steuerwelle und Kraftwelle auftreten können.
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.\1s Geschwindigkeitsableiter kommt ein mechanischer oder elektrischer
Drehdämpfer in Betracht. Die Wirkungsweise eines solchen Geschwindigkeitsableiters
wird an einem mechanischen OIdämpfer gezeigt.
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Fig. S zeigt den schematischen Aufbau des Ceschwindigkeitsableiters;
hit. 6 zeigt eine konstruktive Ausfiihrtingsform im Längsschnitt; Fit. ; zeigt dieselhe
Ausführungsform in einem Schnitt 1-I.
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Im zylindrischen Gehäuse .4i mit dein daran befestigten Flansch .42
ist der Rotor .43 konzentrisch drehbar gelagert. Der Rotor sitzt fest auf der Rotorwelle
d4 und trägt den Rotorflügel 45. Der Rotorilügel wirkt als Drehkolben im Gehäuse
4i. Am aus dein Gehäuse herausragenden Ende der Rotorwelle ist das innere Ende einer
Spiralfeder 46 festgemacht, deren äußeres Ende am Lagerbock 4; berc:tigt ist. Das
Gehäuse ist im Lagerbock 47 drehhar gelagert. In der am Gehäuse befestigten Treitiiwand
.@8 befindet sich die Öldurchflußöffnung .49, welche durch einen Ventilbolzen 5o
mehr oder weniger geöffnet werden kann. Auf den Ventilbolzen wirkt ein Bimetallstreifen
5i ein. Der Biinctallstreifen ist am Gehäuse befestigt und kann sich in der Gehäusekammer
52, entsprechend der "I'eiiilxrattir, mehr oder weniger durchbiegen. Die t Gehäusekammer
52 wird durch eine Deckwand 53 al>teschlossen. Die Membran 5 4 bildet
mit der I >ecktvand 53 die Gehäusekammer 55. Die Gehäusekainniern 52 und 55 sind
durch eine kleine Durchtluiaöttnung 56 miteinander verbunden. Ferner sind die Gehäusekammern
57 und 52 durch eine kleine Durchflußöffnung 58 innerhalb des Ventilbolzens So miteinander
verl>und'en. Die Schrauhe 59 deckt die Ginfüllöffnung ab. Die drei Gehäusekammern
sind finit einer Flüssigkeit, beispielsweise 01, vollständig gefiillt. Die
Wirkungsweise ist wie folgt: Wird das Gehäuse finit der Winkelgeschwindigkeit
verdreht, so wird bei festgehaltenem Rotor auf diesen ein zu
proportionales Drehmoment . IM, d. h. es ist :
wobei ß die Drehdämpfungskonstante zwischen Gehäuse und Rotor bedeutet. Die Grieße
von ß ist abhängig von der Größe der Öldurchflußöffnung -49 sowie \-oit der Zähigkeit
der Flüssigkeit. da bei einer lZclativ1>ewegung von Gehäuse und Rotor das voni Rotorflügel
4 S geförderte Öl durch die Oldurchflußöffnung 49 gepreßt wird. Praktisch
wird der Rotor jedoch nicht festgehalten, sondern er kann sich entsprechend der
Steif?g'keit o der Feder 46 um kleine Winkel verdrehen. Bei genügend großer Steifigkeit
der Feder ist der Verdrehwinkel des Rotors der Winkelgeschwilidigkeit
proportional, und es gilt
worin rEder absolute `'erdrehwinkel des Rotors, ß die Drehdämpfungsko nstante zwischen
Rotor und Gehäuse,
die \\'inkcigeschwin<ügkeit des Gehäuses bedeutet. Der Winkel @r :st die tesuchte.
zur Winkelgeschwindigkeit
proportionale Größe.
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Bei Temperatur-,indei-uligen ändert sich die Zähigkeit der Flüssigkeit.
So wird lwispielsweise bei Temperaturerhöhung die Zähigkeit kleiner, so daß sich
ohne besondere Maßnahmen eilte temperaturabhängige Dämpfung ergäbe, was durchaus
unerwünscht ist. Dies wird darstellungsgemäß vermieden durch den Binietallstreifen
St. der mit ansteigender Temperatur die Öldurchflußöffnung 49 vermittels des Ventilbolzens
So verkleinert. Dadurch ist es möglich, daß die Prehdämpfungskonstante ß auch bei
schwankender Temperatur praktisch konstant bleibt.
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Die Membran 5d dient der Aufnahme von Volumänderungen bei Tempci-aturschwankungen.
Die sehr engen Durchflußö ffnun-M S6 und 5 <bleuen dem
Druckausgleich bei
den \-crliältnisniäßig langsamen Temperaturschwankungen. Sie haben sonst keinen
Einfluh auf die =1rbeit:@v-Llise (ks (@eschwinditkeitsal>leiters.