Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit gasförmigem oder flüssigem Medium betriebene Verstellvorrichtung.
Hydraulische oder pneumatische Arbeitszylinder werden vielfach nach Bedarf aus normierten Teilen ausgewählt und zusammengestellt. Der Aufbau von Programmen genormter Teile ist dadurch erschwert, dass Arbeitszylinder nebst für verschieden grosse Kraftwirkungen auch für verschieden grosse Hübe erhältlich sein müssen. Für eine Abdeckung aller Bedürfnisse ist daher eine vielfältige Lagerhaltung genormter Teile mit verschiedenen Kolbendurchmessem und Kolbenhüben notwendig. Die Lagerhaltung solcher Teile ist äusserst kapitalintensiv. Bei den bekannten Luftzylinderaggregaten besteht ein grosser Nachteil in der notwendigerweise hohen Präzision bei der Herstellung und entsprechend hohen Kosten.
Ein weiterer Nachteil von pneumatischen oder hydraulischen Arbeitszylindern liegt darin, dass die Grösse der Stirnfläche der Kolbenstange aus der gewünschten Kraft bzw. dem Mediumsdruck resultiert. Verkleinerung der Stirnfläche bedingt eine Erhöhung des Mediumdruckes für gleiche Kräfte. Bei hohen Kräften scheidet daher meist eine pneumatische Betätigung aus, da der hierfür notwendige Herstellungsaufwand zu gross ist.
Es sind zwar druckmediumbeaufschlagte Vorrichtungen bekannt geworden, welche zur Addition von Kräften oder Hüben dienen. Bei diesen Vorrichtungen werden aufblasbare Bälge verwendet, welche entweder parallel geschaltet sind (Kraftaddition) oder hintereinander (Hubaddition). Die Vorrichtungen sind kompliziert im Aufbau, teuer und verletzlich.
Sie sind im Aufbau starr und beliebige Kombinationen von Einzelelementen zu Vorrichtungen, welche den gewünschten Bedingungen in optimaler Form Rechnung tragen ist nicht möglich.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, obgenannte Nachteile dadurch zu beheben, dass eine Einheit zwei einteilige, zusammensteckbare, sich gegenseitig führende Hubelemente mit zwischen den Elementen angeordnetem Balg oder Membran umfasst.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Hubelementes,
Fig. 2 eine Aufsicht auf das Hubelement, gemäss Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht des Hubelementes, gemäss Fig. 2,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Antriebsbalges,
Fig. 5 eine Seitenansicht einer Kraft-Hubeinheit,
Fig. 6 eine Aufsicht auf die Kraft-Hubeinheit gemäss Fig. 5,
Fig. 7 einen Schnitt gemäss Linie VII-VII der Fig. 6 durch eine Kopplung mehrerer Kraft-Hubeinheiten gemäss den Fig. 5 und 6, für eine Kraftvervielfachung,
Fig. 8 einen Schnitt gemäss Linie VII-VII der Fig. 6 durch eine Kopplung mehrerer Kraft-Hubeinheiten gemäss den Fig. 5 und 6, für eine Hub vervielfachung,
Fig. 9 einen Schnitt gemäss Linie VII-VII der Fig. 6 durch eine Kopplung mehrerer Kraft-Hubeinheiten gemäss den Fig. 5 und 6, für einen altemierenden Betrieb.
Wie aus den Fig. 1-3 ersichtlich, ist ein Hubelement 1 aus einer ursprünglich im Querschnitt quadratförmigen Grundplatte 3 geformt. An zwei sich gegenüberliegenden Ecken stehen senkrecht zu einer Plattenoberfläche 2 aus dieser zwei Führungskörper 4 vor. Diese Führungskörper 4 sind prismenförmig ausgebildet mit einer rechtwinklig gleichschenkligen Dreiecksform als Basisfläche. Sie sind so aus der Grundplatte 3 ausgeformt, dass die Kante, die durch die Spitze der Basisfläche geht, zugleich eine Eckkante der Grundplatte 3 bildet.
Somit weist jeder der beiden Führungskörper 4 eine Füh rungsfläche 8 auf, welche senkrecht zur Plattenoberfläche 2 und parallel zur Diagonale des Plattengrundrisses, welche die nicht zu Führungskörpern 4 ausgeformten Ecken verbindet, verläuft. Die Grundplatte 3 ist an den letztgenannten Ecken parallel zur Diagonale, welche die beiden mit Führungskörpern 4 versehenen Ecken verbindet, abgeschrägt, wobei die Länge der so gebildeten Führungsflächen 6 im Grundriss der Basisseitenlänge des Grundrisses der Führungskörper 4 entspricht. Die Grundplatte 3 weist eine an und für sich durchgehende Zentrumsbohrung 10 auf, welche jedoch an der Oberseite 2 der Grundplatte 3 sowie an einer entsprechenden Unterseite 16 verschlossen ist. In den Führungskörpern 4 ist je eine senkrecht zu den Flächen 2 und 16 verlaufende, durchgehende Bohrung 12 vorgesehen.
Eine davon ist durch einen radialen Kanal 14 in der Grundplatte 3 mit der Zentrumsbohrung 10 verbunden. Die Plattenoberfläche 2 weist eine konzentrische Kreisrinne 18 auf, deren Innenkante abgerundet ist.
Solche Hubelemente 1 sind vorteilhafterweise aus Kunststoff gefertigt, so dass die Deckteile, welche die Zentrumsbohrung 10 verdecken, bei Bedarf eingedrückt werden können, um eine voll durchgehende Bohrung 10 zu erhalten. In gewissen Fällen können auch Hubelemente 1 ohne Kanäle 14 zur Anwendung gelangen.
In Fig. 4 ist ein Antriebsbalg 20 dargestellt. Er besteht aus zwei übereinanderliegenden kreisförmigen Folien, vorzugsweise Kunststoffolien, die an ihren Rändern dichtend verbunden, beispielsweise verschweisst sind. Dadurch wird eine Randzone 22 gebildet. Der Innendurchmesser der Randzone 22 ist etwas grösser als der Innendurchmesser der Kreisrinne 18. Eine der kreisförmigen Folien weist eine Zentrumsöffnung 24 auf.
In den Fig. 5 und 6 ist aufgezeigt, wie grundsätzlich zwei Hubelemente 1 mit einem Antriebsbalg 20 zu einer Kraft Hubeinheit wirkverbunden sind. Zwei Hub elemente 1 werden mit den Plattenoberflächen 2 gegeneinander, die Elemente um 90" gegeneinander verdreht, übereinander geschoben, so dass die Führungsflächen 8 der Führungskörper 4 des einen Hubelementes 1 über die Führungsflächen 6 in der Grundplatte 3 des anderen Elementes 1 gleiten. Dadurch sind die beiden Elemente 1 axial in den Führungskörpern 4 geführt, verschiebbar miteinander verbunden. Zwischen die beiden Oberflächen 2 ist ein Antriebsbalg 20 eingelegt.
Der Bereich um ihre Zentrumsöffnung 24 ist beispielsweise über eine beidseitig klebende Lochfolie (nicht dargestellt) so mit der Oberseite 2 des oberen Hubelementes 1 verbunden, dass die Zentrumsöffnung 24 über der nach dieser Seite hin offenen Zentrumsbohrung 10 des entsprechenden Elementes 1 liegt. Dabei ist der Balg 20 im Bereich der Zentrumsöffnung 24 über die erwähnte Lochfolie dichtend mit der Plattenoberseite 2 des oberen Elementes 1 verbunden. Gemäss den Pfeilen in Fig. 5 wird die beschriebene Einheit durch eine untere Öffnung der Leitungsbohrung 12 des oberen Hubelementes 1 mit einem Medium, beispielsweise mit Druckluft, beschickt, welches Medium über den Kanal 14 und die offene Zentrumsbohrung 10 in den Antriebsbalg 24 einströmt. Die nicht zur Speisung benötigte Öffnung der Leitungsbohrung 12 ist mit einem Zapfen 26 dichtend verschlossen.
Es ist festzuhalten, dass es auch Elemente bedarf, bei denen die Leitungsbohrungen 12 beidseitig verschlossen sind. Sie werden je nach Bedarf durchgängig gemacht. Der Antriebsbalg 20 wird aufgeblasen und das obere Bewegungselement 1 hebt sich vom unteren. Die dabei ausgeübte Kraft ist abhängig vom Mediumsdruck sowie von der pneumatisch aktiven Fläche des Antriebsbalges 20 bzw. der Plattenoberseite 2. Wird die Druckluftspeisung unterbrochen, so fällt der Balg 20 zusammen. Durch die Dimensionierung der Bälge 20 und der Kreisrinnen 18 bedingt, weicht bei der Rückstellung nicht alle Luft aus dem Antriebsbalg 20. Es bleibt, entsprechend der Rinnenformgebung (Querschnitt) ein schlauchförmiger Teil des Balges 20 ausgewölbt.
Dadurch und durch die praktisch kantenlose Einformung der Rinne 18 wird erreicht, dass die durch die Wechselbeanspruchung meist angegriffene Innenkante des Balgrandes 22 weniger beansprucht wird, da die Randzone eine bleibende Deformation beibehalten kann.
Anstelle der beidseitig klebenden Lochscheibe kann zum Verbinden von Antriebsbalg 20 und Zentrumsbohrung 10 auch ein Nippel dienen.
Einige Kopplungskombinationen von Kraft-Hubeinheiten und ihre spezifischen Effekte werden anschliessend erläutert. In Fig. 7 sind zwei Gruppen zu drei Hubelementen 1, also drei Kraft-Hubeinheiten so übereinander angeordnet, dass das unterste auf seinen Führungskörpem 4 die Plattenunterseite 16 des nächsten und dieses wiederum auf seinen Führungskörpern 4 die Unterseite 16 des obersten der Elemente 1 stützt.
Die aufeinander ausgerichteten Leitungsbohrungen 12 sind durch in die Wandung der Leitungsbohrungen 12 eingeschobene Dichtungshülsen 36 dicht verbunden. Die Verbindungshülsen 36 können, anstatt in die Wandung der Leitungsbohrung 12 eingeschoben zu sein, auch Kragen oder Nippel umfassen, um die Bohrungen 12 zweier Hub elemente 1 dicht miteinander zu verbinden. Das unterste Element 1 trägt auf seiner Oberseite 2 einen Antriebsbalg 20, welcher wiederum die Oberseite 2 eines Hubelementes abstützt, welches um 90" gegen das unterste verdreht, gemäss den Fig. 5 und 6 auf dieses geschoben ist. Die gleiche Anordnung eines Arbeitsbalges 20 und eines um 90" gedrehten Hubelementes 1 wiederholt sich auf den Oberseiten 2 des zweiten und dritten, dicht mit dem untersten Hubelement 1 verbundenen Element.
Die Zentrumsbohrungen 10 dieser drei Elemente 1 sind an der Plattenoberseite 2 offen, und dichtend mittels zweiseitig klebenden Lochfolien mit dem Bereich um die Zentrumsöffnungen 24 der Bälge 20 verbunden (nicht dargestellt). Diese mit den Führungskörpern 4 nach oben gerichtete Dreiergruppe von Bewegungselementen list so zusammengebaut, dass die jeweiligen Leitungsbohrungen 12, welche über Kanäle 14 mit den Zentrumsbohrungen 10 verbunden sind, durchgehend sind. Die Leitungsbohrung 12 des obersten Elementes 1 ist durch einen Dichtungszapfen 50 verschlossen.
Durch die untere Öffnung dieser kombinierten Leitungsbohrung 12 im untersten Bewegungselement 1 wird, wie mit Pfeilen angedeutet, ein Druckmedium, beispielsweise Druckluft, vorzugsweise über einen an der entsprechenden Plattenunterseite 16 befestigten Nippel (nicht dargestellt) über die Kanäle 14 und die Zentrumsbohrungen 10 in die Antriebsbälge 20 gepresst. Je drei korrespondierende Bewegungselemente 1 bilden eine Bewegungsgruppe. Durch Zuführen des Druckmediums wird die Bewegungsgruppe, deren Bewegungselemente 1 nach unten weisende Führungskörper 4 aufweisen, mit einer Kraft angehoben, die dreimal der Kraft entspricht, die ein Balg bei gleichem Druck des Mediums bewirken würde. Wirken externe Kräfte auf eine der Bewegungsgruppen, so ist es wenn nötig ohne weiteres möglich, diese beiden Gruppen von Hubelementen 1 untereinander durch Spannschrauben (nicht dargestellt) zu verbinden.
Diese werden durch die übereinanderliegenden Leitungsbohrungen 12 gesteckt. Dabei ist darauf zu achten, dass zwischen der Wandung der Leitungsbohrungen 12 und der Spannschraube ein freier Durchgang bestehen bleibt, durch welchen die Antriebsbälge 20 mit Druckmedium beschickt werden können.
Werden eine grössere Zahl von Elementen 1 und Bälgen 20 auf diese Art zu grösseren Bewegungsgruppen gekoppelt, so ergibt sich die Möglichkeit, mit gleichen Elementen 1, d.h. bei gleichbleibender aktiver Fläche und gleichem Mediumsdruck sehr grosse resultierende Hubkräfte zu erzeugen. Die Gesamtkraft ist dann proportional dem Produkt aus der Anzahl der Arbeitsbälge und der Kraft eines einzigen Arbeitsbalges.
In Fig. 8 ist zwischen zwei unteren, gegeneinandergerichteten, um 90" verdrehten Hubelementen 100 ein erster Arbeitsbalg 200 eingelegt. Das obere Hubelement 100 trägt auf seiner Unterseite 116 die Unterseite 116 eines weiteren gleich gerichteten Elementes 100. Zwischen der Oberseite 102 des letzt genannten Elementes 100 und der Oberseite 102 eines weiteren, wiederum um 90" gedrehten Elementes 100, ist ein zweiter Arbeitsbalg 200 eingelegt. Das vierte Hubelement 100 trägt seinerseits auf seiner Unterseite 116 die Unterseite 116 eines wiederum gleich gerichteten, fünften Elementes 100, zwischen dessen Oberseite 102 und derjenigen eines sechsten Elementes 100 ein dritter Arbeitsbalg 200 liegt. Das zweite und dritte bzw. vierte und fünfte bzw. sechste Element, bilden je eine Hubgruppe, so dass gemäss Fig. 8 drei Hubgruppen vorhanden sind.
Die Zentrumsbohrung 110 des untersten Elementes 100 ist nach der Plattenoberseite 102 hin durchgehend, und wie schon beschrieben, über eine Lochfolie dicht mit der Zentrumsöffnung 240 eines Balges 200 verbunden. Die normalerweise nicht gelochte Folie dieses Arbeitsbalges 200 wird für dieses Kombinationsbeispiel mit einer zweiten, entsprechenden Zentrumsöffnung 240 versehen, welche dichtend mit der Zentrumsbohrung 110 des zweiten Hubelementes 100 verbunden ist. Die Zentrumsbohrungen 110 des zweiten und dritten Elementes 100 sind, ähnlich wie die Leitungsbohrungen 12 im Kopplungsbeispiel gemäss Fig. 7, durch Dichtungshülsen 35 dicht verbunden. Die Zentrumsbohrung 110 des dritten Elementes 100 mündet über die entsprechende Zentrumsöffnung 240 des zweiten Antriebsbalges 200 in letztere. Der zweite Antriebsbalg 200 ist ebenfalls auf beiden Seiten gelocht.
Seine zweite Zentrumsöffnung 240 ist wiederum dicht mit der Zentrumsbohrung 110 des vierten Hubelementes 100 verbunden, welches über die Dichtungshülse 35 mit der Zentrumsbohrung 110 des fünften Hubelementes 100 verbunden ist. Diese Zentrumsbohrung 110 des fünften Hubelementes 100 mündet über die Zentrumsöffnung 240 eines nur einseitig gelochten Antriebsbalges 200 in letztere. Die ganze Anordnung wird, wie mit Pfeilen in Fig. 8 angedeutet, über die Leitungsbohrung 12 des untersten Hub elementes 100, welches mit der Zentrumsbohrung 110 über den Kanal 14 verbunden ist, mit einem Druckmedium beispielsweise Druckluft gespiesen.
Da das zweite, dritte, vierte und fünfte Hubelement 100 keine Kanäle 14 aufweisen, strömt das Druckmedium durch die in Serie geschalteten drei Arbeitsbälge 200 in diese ein. Es ist für diese Anwendung vorteilhaft, entsprechend der Ausführung gemäss Fig. 8, auch Hubelemente zu verwenden, die keine Kanäle 14 aufweisen. Sind trotzdem überall solche Kanäle 14 vorhanden, so müssen die entsprechenden Leitungsbohrungen 12 nach aussen hin mit Zapfen dicht verschlossen werden.
Da die drei Hubgruppen gegenseitig axial verschiebbar sind, wirkt aufjede die Kraft, die durch einen einzelnen Antriebsbalg 200 bewirkt wird. Der Hubweg des obersten Elementes 1 jedoch entspricht dem sechsfachen Hubweg, den ein einzelner Arbeitsbalg 200 bei gleichem Mediumsdruck bewirken würde.
In Fig. 9 sind zwei Hubelemente 1 mit ihren Führungs- körpern 4 aufeinandergestellt. In dem so gebildeten Zwischenaum liegen zwei weitere Hubelemente 1, welche gegeneinander gedreht, mit ihren Unterseiten 16 aufeinanderliegen.
Bezüglich der beiden äusseren Hubelemente 1 sind die beiden inneren um 90" gedreht. Die beiden äusseren Hubelemente 1 sind mittels Spannschrauben 48 verspannt. Diese Spannschrauben 48 ragen durch die übereinstimmenden Leitungsbohrungen 12 beider Hubelemente 1 hindurch. Sie sind so dimensioniert, dass zwischen der Wandung der Leitungsbohrungen 12 und den Spannschrauben 48 ein freier Durchgang bestehen bleibt. Die Bohrungen 12 sind an ihren Enden mittels Dichtungsscheiben 49 abgedichtet. Zwischen den beiden inneren Hubelementen 1 und dem oberen bzw. unteren der äusseren Hubelemente 1 sind zwei Antriebsbälge 20 angeordnet.
Der obere wird durch die Zentrumsbohrung 10, welche nur gegen die entsprechende Plattenoberseite 2 durchgehend ist, gespiesen. Der untere Antriebsbalg 20 wird entsprechend über die Zentrumsbohrung 10 des untersten Hubelementes 1 gespiesen. Die äusseren Hub elemente 1 sind so übereinander angeordnet, dass in die kombinierte Leitungsbohrung 12 nur einer der beiden Kanäle 14 einmündet, beispielsweise in die linke Bohrung 12 der des unteren Hubelementes 1, in die rechte Bohrung 12 der des oberen Hubelementes 1. Die Leitungsbohrungen 12 sind wiederum durch Dichtungshülsen 36 dicht miteinander verbunden. Diese sind so dimensioniert, dass zwischen ihnen und den Spannschrauben 48 ein Durchgang bestehen bleibt. In dieser Kopplungsform können die beiden inneren Hubelemente, je nach dem, welcher der beiden Antriebsbälge 20 mit einem Druckmedium beschickt wird, alternierend bewegt werden.
Es handelt sich m.a.W. hier um eine gesteuerte Rückstellung. Die Leitungsbohrungen 12 können beispielsweise durch Zuführöffnungen 60 in den Führungskörpern 4 beschickt werden.
Da allgemein die Hübe stark von der Dimensionierung der Führungskörper 4 bezüglich der Dicke der Grundplatte 3 abhängig sind, ist es ohne weiteres möglich, durch Zulegen von Distanzstücken, entweder auf Führungskörper oder auf die Plattenoberseite 2, die Hubbereiche zu variieren.
Dabei müssen diese Distanzstücke (nicht dargestellt) entsprechend ihrer Anwendung mit Bohrungen, z.B. zur Verlängerung der Leitungsbohrungen 12 oder der Zentrumsbohrung 10, versehen sein. Bei hubaddierenden Kopplungsanordnungen, wie eine z.B. in Fig. 8 beschrieben ist, müssen bei Kombinationen mit mehreren Einzelelementen diese seitlich zusätzlich geführt werden. Die Hub elemente können auch andere Querschnittsformen, beispielsweise Kreisformen, aufweisen, und mit mehr als zwei, beispielsweise drei Führungskörpern versehen sein. Die quadratische Querschnittsform der Grundplatte ist allerdings insofern vorteilhaft, als die aktive Fläche, eine Kreisfläche, verglichen mit der Plattenfläche, optimal ist.
Die beschriebene Vorrichtung weist den bemerkenswerten Vorteil auf, dass sich verschiedene Kombinationen hier aufgeführter Möglichkeiten ausnützen, z.B. Kombinationen von Kraft- und Hubvervielfachern, Anordnungen, bei denen Kräfte sequentiell zu- oder weggeschaltet werden können. Auch die Rückstellung kann durch Federn oder wiederum durch Arbeitsbälge vorgenommen werden. Die gleichen Einheiten lassen sich entsprechend gekoppelt zur Kraft- und/oder Hubaddition verwenden. Durch die internen Verbindungsleitungen, wie Leitungsbohrungen 12, Zentrumsbohrungen 10 u. dgl. ist es ferner möglich, mit einem Minimum an externen Verbindungsmitteln, z.B. Gummischläuchen, auszukommen. Durch die Druckkräfte der Antriebsbälge 20, welche auf die entsprechenden Hubelemente wirken, wird gewährleistet, dass die Verbindung über den zweiseitig klebenden Schweissring mit zunehmendem Druck verbessert wird.
Anstelle der Antriebsbälge können auch Membranen, beispielsweise Rollmembranen verwendet werden. Da die Hubelemente aus Kunststoff gefertigt werden können, ist der Herstellungsaufwand sowie der Lagerungsaufwand minim, verglichen mit für gleiche Aufgaben ausgelegte, herkömmliche Ausführungen.