Die vorliegende Erfindung betrifft Aufzugsysteme und insbesondere Zugelemente für solche Aufzugsysteme.

Ein herkömmliches Traktionsaufzugsystem weist eine Kabine, ein Gegengewicht, zwei oder mehr die Kabine und das Gegengewicht miteinander verbindende Seile, eine Traktionsseilscheibe, um die Seile zu bewegen, und eine Maschine, um die Traktionsseilscheibe zu drehen, auf. Die Seile sind aus gelegtem oder verdrilltem Stahldraht gebildet, und die Seilscheibe ist aus Gusseisen gebildet. Die Maschine kann entweder eine Getriebemaschine oder eine getriebelose Maschine sein. Eine Getriebemaschine erlaubt die Verwendung eines Motors höherer Drehzahl, der kompakter und weniger kostenaufwändig ist, aber zusätzliche Wartung und Platz benötigt.

Obwohl sich herkömmliche, runde Stahlseile und Gusseisenseilscheiben als sehr zuverlässig und kosteneffektiv erwiesen haben, gibt es Beschränkungen bei ihrem Einsatz. Eine solche Beschränkung sind die Traktionskräfte zwischen den Seilen und der Seilscheibe. Diese Traktionskräfte können durch Steigern des Windungswinkels der Seile oder durch Unterschneiden der Nuten in der Seilscheibe erhöht werden. Beide Techniken reduzieren jedoch die Haltbarkeit der Seile als Ergebnis der gesteigerten Abnutzung (Windungswinkel) oder des gesteigerten Seildrucks (Unterschneiden). Eine andere Methode, um die Traktionskräfte zu steigern, ist, aus einem synthetischen Material gebildete Einsätze in den Nuten der Seilscheibe zu verwenden. Die Einsätze steigern den Reibungskoeffizienten zwischen den Seilen und der Seilscheibe, wobei sie gleichzeitig die Abnutzung der Seile und der Seilscheibe minimieren.

Eine weitere Beschränkung beim Einsatz runder Stahlseile ist die Flexibilität und die Ermüdungseigenschaften runder Stahldrahtseile. Aufzugsicherheitsbestimmungen erfordern heute, dass jedes Stahlseil einen Minimaldurchmesser d (d_min =8 mm für CEN; d_min=9,5 mm (3/8") für ANSI) hat und dass das D/d-Verhältnis für Traktionsaufzüge größer oder gleich vierzig ist (D/d ≥ 40), wobei D der Durchmesser der Seilscheibe ist. Dies führt dazu, dass der Durchmesser D für die Seilscheibe mindestens 320 mm ist (380 mm für ANSI). Je größer der Seilscheibendurchmesser D ist, desto größer ist das von der Maschine benötigte Drehmoment, um das Aufzugsystem anzutreiben.

Ein weiterer Nachteil herkömmlicher, runder Seile ist, dass die Lebensdauer des Seils umso kürzer ist, je höher der Seildruck ist. Seildruck (P_rope) wird erzeugt, wenn sich das Seil über die Seilscheibe bewegt und ist direkt proportional zu dem Zug (F) in dem Seil und umgekehrt proportional zu dem Seilscheibendurchmesser D und dem Seildurchmesser d (P_rope ≈ F/(Dd)). Außerdem steigert die Form der Seilscheibennuten einschließlich solche traktionserhöhender Techniken wie Unterschneiden der Seilscheibennuten weiter den maximalen Seildruck, dem das Seil unterzogen wird.

GB-A-2 134 209 offenbart ein flaches Seil für eine Windungsmaschine, welches eine Mehrzahl von Stahlseilen aufweist, die in einem gummiartigen Material eingeschlossen sind.

Ungeachtet des obigen Stands der Technik arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure unter der Leitung des Rechtsnachfolgers des Anmelders daran, effizientere und haltbarere Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, um Aufzugsysteme anzutreiben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Zugelement vorgesehen, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist. Dabei hat in Übereinstimmung mit der Erfindung ein Zugelement für einen Aufzug ein Seitenverhältnis von größer als eins, wobei das Seitenverhältnis definiert ist als das Verhältnis der Zugelementbreite w zu der Dicke t (Seitenverhältnis = w/t).

Ein prinzipielles Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Flachheit des Zugelements. Die Steigerung beim Seitenverhältnis führt zu einem Zugelement, das eine Eingriffoberfläche hat, definiert durch die Breitendimension, die optimiert ist, um den Seildruck zu verteilen. Daher ist der Maximaldruck in dem Zugelement minimiert. Außerdem kann durch Steigern des Seitenverhältnisses relativ zu einem runden Seil, das ein Seitenverhältnis gleich eins hat, die Dicke des Zugelements reduziert werden, wobei eine konstante Querschnittsfläche des Zugelements aufrecht erhalten bleibt.

Ferner weist gemäß der vorliegenden Erfindung das Zugelement eine Mehrzahl von einzelnen Lasttragesträngen, Litzen und/oder Kabeln auf, die in einer gemeinsamen Schicht einer Umhüllung eingeschlossen sind. Die Umhüllungsschicht trennt die einzelnen Stränge, Litzen und/oder Kabel und definiert eine Eingrifffläche zum Zusammenwirken mit einer Traktionsseilscheibe.

Aufgrund der Ausgestaltung des Zugelements kann der Seildruck gleichmäßiger über das Zugelement verteilt werden. Als Ergebnis ist der maximale Seildruck wesentlich reduziert, verglichen mit einem in einer herkömmlichen Weise mit einem Seil versehenen Aufzug mit einer ähnlichen Lasttragekapazität. Außerdem ist der effektive Seildurchmesser "d" (gemessen in der Biegungsrichtung) für die äquivalente Lasttragekapazität reduziert. Daher können kleinere Werte für den Seilscheibendurchmesser "D" ohne eine Reduzierung beim D/d-Verhältnis erreicht werden. Außerdem erlaubt ein Minimieren des Durchmessers D der Seilscheibe die Verwendung weniger kostenintensiver, kompakterer Motoren hoher Drehzahl als die Antriebsmaschine ohne die Notwendigkeit eines Getriebes.

Die Stränge, Litzen und/oder Kabel in dem Zugelement der Erfindung sind Stahl- und organische Fasern und können in einer Anzahl von Kombinationen vorgesehen sein. Die zwei Materialien können getrennt gehalten sein und einzelne Stahlstränge und Stränge organischer Fasern in einem gemeinsamen Mantel aufweisen; die zwei Materialien können in einem einzelnen Strang kombiniert sein, wobei eine Mehrzahl solcher Stränge in dem gemeinsamen Mantel verteilt ist; die Materialien können umeinander in geordneten Anordnungen innerhalb des gemeinsamen Mantels gewunden sein; und die organischen Fasern können zufällig in dem gemeinsamen Mantel verteilt sein, wobei Stahlstränge auch darin verteilt sind.

Jede der genannten Kombinationen sorgt für ein flexibles, flaches Hybrid-Zugelement mit Stärken und Vorteilen, die bei flachen Zugelementen mit Stahlsträngen oder flachen Zugelementen mit organischen Fasern nicht verfügbar sind. Vorteile jedes Materials weisen für Stahl einzeln auf: zerstörungsfreie Prüfungsmöglichkeiten; hohe Hitzewiderstandsfähigkeit; niedrige Dehnung. Und für organische Fasern: geringes Gewicht und hohe Festigkeit; nicht anfällig auf Korrosion. Die Schaffung eines Zugelements, das sowohl Stahl als auch organische Fasern effektiv einsetzt, wobei Last zwischen den beiden aufgeteilt wird, führt zu einem Zugelement mit wesentlich verbessserten Eigenschaften. Die vorliegende Erfindung sieht mehrere Ausführungsformen vor, die den zwei Materialien erlauben, die "Last zu teilen", was eine Betrachtung der Lasttragefähigkeit jedes der Typen von Materialien erfordert; die Langzeit-Biegungsermüdungswiderstandsfähigkeit der einzelnen Materialien; die Dehnung jedes Materials und Seilnachführstabilität erreichen solch synergistischen Nutzen.

Die vorangehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Licht der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung, deren beispielhafter Ausführungsformen, wie sie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind, ersichtlicher.

Es wird nun Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei ähnliche Elemente in den mehreren Figuren gleich nummeriert sind:

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Aufzugsystems mit einem Traktionsantrieb, in dem das Zugelement der Erfindung funktioniert;

2 ist ein schematischer Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines flexiblen, flachen Hybrid-Zugelements der Erfindung;

3 ist ein schematischer Querschnitt einer zweiten Ausführungsform eines flexiblen, flachen Hybrid-Zugelements der Erfindung;

4 ist ein schematischer Querschnitt einer dritten Ausführungsform eines flexiblen, flachen Hybrid-Zugelements der Erfindung;

5 ist ein schematischer Querschnitt einer vierten Ausführungsform eines gemischten, flexiblen, flachen Zugelements der Erfindung;

6 ist eine grafische Wiedergabe eines Elastizitätsmoduls eines Zugelements der Erfindung; und

7 ist eine grafische Wiedergabe der Festigkeit eines Zugelements der Erfindung.

In 1 ist ein Traktionsaufzugsystem 12 veranschaulicht. Das Aufzugsystem 12 weist eine Kabine 14, ein Gegengewicht 16, einen Traktionsantrieb 18 und eine Maschine 20 auf. Der Traktionsantrieb 18 weist ein Zugelement 22, das die Kabine 14 und das Gegengewicht 16 verbindet, und eine Traktionsseilscheibe 24 auf. Das Zugelement 22 wirkt mit der Seilscheibe 24 zusammen, so dass eine Drehung der Seilscheibe 24 das Zugelement 22 und dadurch die Kabine 14 und das Gegengewicht 16 bewegt. Die Maschine 22 wirkt mit der Seilscheibe 24 zusammen, um die Seilscheibe 24 zu drohen. Obwohl als eine Getriebemaschine 20 veranschaulicht, sollte angemerkt werden, dass diese Konfiguration nur zu veranschaulichenden Zwecken dient und die vorliegende Erfindung mit Getriebemaschinen oder getriebelosen Maschinen verwendet werden kann.

Die Erfindung stellt ein flexibles, flaches Hybridmaterial-Zugelement mit besseren Eigenschaften als flexible, flache Einzelmaterial-Zugelemente bereit. Es sollte angemerkt werden, dass nicht alle möglichen Mischungen von Lasttragematerialien ein synergistisches Ergebnis bei dem geschaffenen Zugelement liefern. Vielmehr ist eine sorgfältige Analyse struktureller Lasttrageeigenschaften nötig, um die zwischen den Typen von Lasttragematerialien ausgeübte Last auszubalancieren und bessere Eigenschaften sowie exzellente Zugelementnachführstabilität zu erhalten.

Bezugnehmend auf 2 ist eine ersten Ausführungsform eines flexiblen, flachen Hybrid-Zugelements der Erfindung schematisch im Querschnitt veranschaulicht. Das Zugelement 22 weist einen gemeinsamen Urethan- oder anderen Polymermantel 26 auf. Stahllasttragematerial befindet sich in mit 28 markierten Bereichen, wohingegen organisches Lasttragematerial als 30 identifiziert ist. Wie ein durchschnittlicher Fachmann erkennen wird, ist das Lasttragematerial relativ gleichmäßig über die Breite des Zugelements 22 beabstandet. Es ist bevorzugbar, zwei Stahlstränge 28 Seite an Seite an einer zentralen Stelle des Zugelements 22 vorzusehen, um die Nachführung (tracking) Seite zu Seite auszubalancieren. Symmetrie ist an beiden Seiten einer longitudinalen Mittellinie des Zugelements wichtig, um stabiles Nachführen des Zugelements an einer Seilscheibe zu gewährleisten.

Die organischen Fasern 30 sind derart veranschaulicht, dass sie einen größeren Querschnitt haben als die Stahlstränge 28, dies ist aber nicht notwendig. Es ist vielmehr die Frage, welche Gewichtauslegung gewünscht ist und welche Hitzewiderstandsfähigkeit gewünscht ist, sowie ähnliche Parameter. Es wird dann eine mathematische Berechnung, die im Bereich der Fähigkeiten eines gewöhnlichen Fachmanns durchführbar ist, ausgeführt, um den Betrag zu verwendender organischer Faser und den Betrag zu verwendender Stahlstränge zu bestimmen. Die Berechnungen werden eingesetzt, um zu gewährleisten, dass die Last zwischen den verschiedenen Strängen in dem flachen Zugelement geteilt wird, was erlaubt, dass die Vorteile und Eigenschaften eines jeden genutzt werden. Es ist auch wichtig, dass die axiale Steifigkeit des Zugelements derart ist, dass bei jeder gegebenen ausgeübten Last beide Typen von Strängen sich die elastische Reaktion des Zugelements teilen. Die Verdrillung und der Aufbau dieser zwei Strangtypen kann derart gewählt werden, dass diese Lastverteilung ermöglicht wird. Die Stränge ihrerseits sind nicht in der Größe, Anzahl oder Verteilung (abgesehen von der Nachführung) beschränkt, um dieses Ergebnis zu ermöglichen, noch ist es nötig, dass eine gleiche Anzahl von Strängen organischer Faser und Stahlsträngen verwendet wird. Was wichtig ist, ist, dass die Eigenschaften der zwei Strangtypen hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften des Zugelements ausgeglichen sind, so dass diese gewünschten Eigenschaften erreicht werden können. Für jedes gewünschte Ergebnis ist mehr als eine Art des Auslegens der Stränge und Dimensionen, etc., möglich. Es wird angemerkt, dass eine Verteilung wichtig ist, um einen Nachführaspekt des Zugelements zu vereinfachen, und eines der einfacher erreichbaren Verteilungsschemata zum geeigneten Nachführen ist eine gleichmäßige Verteilung von Strangtypen über eine axiale Mittellinie des Zugelements.

Ein Parameter, der vorzugsweise zu kontrollieren ist, ist ein Verbiegen. Es ist bevorzugbar, dass Stahlstränge vor organischen Strängen beim Biegen versagen, so dass zerstörungsfreie Prüfverfahren eingesetzt werden können, um die Integrität des Zugelements zu bestimmen. Solche Verfahren umfassen einen elektrischen Widerstand oder eine Magnetflussleckage.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bezugnehmend auf 3, ist jeder Strang des Zugelements 22 von Hybrid-Natur. Dargestellt ist ein Zugelement im Querschnitt, wobei ein organisches Fasermaterial sich in einem Ring 32 um einen Kern 34 aus Stahl befindet. Obwohl das Zugelement mit Materialtypen in nur einer Art veranschaulicht ist, ist es verständlich, dass das organische Fasermaterial den Kern ausmachen kann, wobei Stahl für den ring verwendet wird. Es sollte auch angemerkt werden, dass nicht alle der in der Ausführungsform verwendeten Stränge das gleiche Kernmaterial verwenden müssen. Ein oder mehrere der Stränge können Stahl als Kern 34 verwenden, während ein oder mehrere der Stränge organische Fasern als Kern verwenden können. Die Verdrillung und der Aufbau jedes Strangs im Bereich des Rings und im Bereich des Kerns beeinflussen die Eigenschaften des gesamten Zugelements, und dies muss in Betracht gezogen werden. Einem gewöhnlichen Fachmann ist bewusst, wie die verschiedenen möglichen Verdrillungen und der Aufbau zu berechnen sind, um zu den gewünschten Eigenschaften des gesamten Zugelements zu gelangen. Der Grad, bis zu dem Elastomerpenetration in die einzelnen Stränge gewünscht ist, sollte auch in Bezug auf die Position und die Größe der verwendeten Stränge beachtet werden. Wenn die für die Stränge ausgewählten Positionen Strang-zu-Strang-Kontakt aufweisen, muss auch Reibverschleiß beachtet werden. In einem bevorzugten Aufbau für die Ausführungsform werden "s"- und "z"-Strangkonstruktionen in gleicher Anzahl über die axiale Mittellinie des Zugelements verwendet.

In 4 der Erfindung ist eine weitere, alternative Ausführungsform veranschaulicht. Die Figur ist eine vergrößerte Ansicht von nur zwei Strängen 38, um den Aufbau jedes Strangs zu veranschaulichen. In dieser Ausführungsform ist jeder Strang 38 aus mehreren Litzen aufgebaut, z.B. neun (acht um eine), und jeder Strang ist von Hybrid-Natur. Die Stränge 40 in der Zeichnung sind derart dargestellt, dass sie einen organischen Zentraldraht 42 und acht Stahldrähte 44, die darum herum positioniert sind, haben. Sechs dieser Stränge werden dann um einen Zentralstrang 46 herum positioniert, um einen Hybrid-Strang 38 zu bilden. Es ist verständlich, dass die Anordnung der Stahldrähte 44 und der organischen Fasern 42 umgekehrt sein kann. Ähnliche Berechnungen, wie sie in den vorangehenden Ausführungsformen genannt sind, müssen für diese Ausführungsform gemacht werden, wobei solche Berechnungen im Bereich der Fähigkeiten des gewöhnlichen Fachmanns liegen. Hybrid-Stränge sind auch dahingehend vorteilhaft, dass der spezielle Aufbau der Stränge für spezifische Zwecke variieren kann. Beispielsweise werden, wenn eine Kronseilscheibe (nicht gezeigt) bei einem speziellen Aufzugsystem verwendet wird, bei dem das Zugelement verwendet wird, um ein Nachführen zu verbessern, die Stränge, die nahe oder direkt über der Krone verlaufen, höher belastet als andere Stränge in dem Zugelement. Die Hybrid-Stränge können dahingehend zugeschnitten werden, dass sie die höhere Belastung bewältigen.

Nun bezugnehmend auf 5 wird noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, die nur zwei Stränge zeigt. Es ist verständlich, dass die Ausführungsform mehr Stränge enthalten kann. In dieser Ausführungsform sind Stahlstränge 50 mit vorzugsweise sieben Drähten jeweils in einem Muster von sechs um einen vorgesehen und sind nicht direkt Hybrid-Stränge. Vielmehr ist das Zugelement 22 hybrid, da es in dem gemeinsamen Umhüllungsmaterial 28, welches die Stränge umgibt, einzelne organische Fasern 52 aufweist. Die Fasern 52 sind vorzugsweise parallel zu der Hauptachse des Zugelements orientiert und über das Material 28 verteilt. Die Steifigkeit der Stahlstränge 50 dieser Ausführungsform ist durch die Steifigkeit der Stahldrähte gesteuert, wobei die organischen Fasern für ihre eigene Steifigkeit sorgen. Das Material 28 in dieser Ausführungsform ist, wie in den vorangehenden Ausführungsformen, vorzugsweise aus Polyurethan aufgebaut.

Für alle hierin zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann das Elastizitätsmodul des Zugelements gesteigert werden durch Steigern des darin verwendeten Volumenprozentanteils von Stahl. Wie der Fachmann erkennt, basieren Modulberechnungen auf der "Regel der Mischungen", d.h.: E₁₁ = U_f1E_11f1 + V_f2E_11f2 + V_mE_m wobei:

• E₁₁ = longitudinales FFR-Modul
• E_11f1 = longitudinales Modul von Faser 1
• E_11f2 = longitudinales Modul von Faser 2
• E_m = Matrixmodul
• V_f1 = Volumenprozent von Faser 1
• V_f2 = Volumenprozent von Faser 2
• V_m = Volumenprozent von Matrix 3

Die Änderung beim Elastizitätsmodul ist in 6 grafisch zu sehen.

Eine Berechnung einer Zugfestigkeit eines beispielhaften Zugelements der Erfindung als Funktion des Stahl/organische Faser- (z.B. Kevlar) Anteils innerhalb der gemeinsamen Umhüllung des Zugelements, d.h. der Polyurethanbeschichtung in einer bevorzugten Ausführungsform, ist in 7 grafisch veranschaulicht, wobei der Volumenprozentanteil von Stahl/Kevlar zu dem gemeinsamen Umhüllungsmaterial bei 60 Vol.-% gehalten wird, aber der Prozentanteil von Stahl und Kevlar relativ zueinander variiert wird.

Der genaue Kurvenänderungspunkt in dem Grafen ist bei 24% Stahl und 16% Kevlar 29. (Der Wert würde für Kevlar 49 variieren.) Rechts des 24/16-Punkts dominiert Kevlar die Festigkeitskurve, und links dominiert Stahl die Festigkeitskurve. Stahl versagt bei 2,0% Dehnung, wohingegen Kevlar bei 3,6% Dehnung versagt. Wenn Stahl dominiert, bewirkt ein Versagen des Stahls aufgrund von Dehnung, dass auch das Kevlar überlastet wird und versagt. Wenn Kevlar dominiert, beeinflusst jedoch ein Stahlversagen bei 2,0% Dehnung nicht das Versagen des Kevlars, welches bis 3,6% Dehnung hält.

An dem Übergangspunkt von 24/16 behält der Stahl ausreichend Festigkeit in dem Zugelement für einen Betriebseinsatz eines Aufzugsystems, welches ein solches Zugelement einsetzt, nachdem das Kevlarmaterial sich verschlechtert hat, versagt hat oder zerstört wurde. Um dieses Ergebnis für verschiedene Volumenprozentanteile von Strangmaterial zu Unhüllungsmaterial zu erhalten, dient die Gleichung: V_S ≥ (&sgr;_k/&sgr;_s) V_k wobei

• V_S = Volumenprozentanteil von Stahldrähte
• V_k = Volumenprozentanteil von Kevlar
• &sgr;_s = Zugfestigkeit von Stahl
• &sgr;_k = Zugfestigkeit von Kevlar

Obwohl bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen und Ersetzungen daran durchgeführt werden, ohne von dem Gedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist verständlich, dass die vorliegende Erfindung im Wege von Veranschaulichungen und nicht von Beschränkungen beschrieben wurde.