DE102005028061A1

DE102005028061A1 - Universell einsetzbarer Linearantrieb

Info

Publication number: DE102005028061A1
Application number: DE200510028061
Authority: DE
Inventors: Hubertus Viessmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen universell einsetzbaren Linearantrieb, der mindestens ein vorzugsweise elektromagnetisch angetriebenes Schlagelement aufweist, das auf ein Klemmelement schlägt, welches auf dem anzutreibenden Element (z. B. eine Schubstange) sitzt und dieses in kleinen Schritten auf dem anzutreibenden Element verschiebt, wobei die eigentliche Längsbewegung dann durch ein von der Gegenseite auf das Klemmelement wirkendes Druckelement erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Universell einsetzbaren Linearantrieb, der mindestens ein Schlagelement aufweist, das auf ein Klemmelement schlägt, welches auf dem anzutreibenden Element (z. B. Schubstange) sitzt und dieses in kleinen Schritten auf dem zu bewegenden Element verschiebt, wobei die Längsbewegung durch ein auf das Klemmelement wirkendes Druckelement erzeugt wird.

Linearantriebe findet man in zahlreichen Varianten in der Technik.

Im Maschinenbau werden meist hydraulische oder pneumatische Systeme verwendet.

Da für deren Betrieb allerdings entsprechende Ölpumpen bzw. Kompressoren notwendig sind, weicht man auch häufig auf elektrische Linearantriebe aus. Diese bestehen im einfachsten Fall aus einem Getriebemotor der eine Arbeitsspindel antreibt.

Antriebe mit Schlagwerk gibt es auch für zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Ausführungen. Bei diesen Ausführungen wird allerdings die Schlagkraft des Schlagelementes direkt zum Vortrieb in Arbeitsrichtung verwendet. Presslufthämmer und Schlagschrauber sind die bekanntesten Geräte mit dieser Technik.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Linearantrieb darzustellen, welcher einerseits kostengünstig herzustellen ist, indem wenige und unkomplizierte Bauteile Anwendung finden, und der andererseits je nach Ausführung im Verhältnis zur Baugröße große Druck -bzw. Zugkräfte aufweist sowie in jeder Zwischenstellung angehalten werden kann und seine Position dort hält, so dass er auch für Anwendungen genutzt werden kann, die bisher weitgehend der Hydraulik vorbehalten waren.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 11 gelöst.

Der Erfinder hat erkannt, dass beim schlagartigen Aufeinandertreffen von Bauelementen extrem hohe Kräfte entstehen. Diese Kräfte kann man dazu nutzen z. B. ein auf einer Schubstange befestigtes Klemmelement Stück für Stück in eine bestimmte Richtung zu treiben.

Wird das Klemmelement von der anderen Seite mit einem Druckelement, z B. mit einer vorgespannten Druckfeder, gegen die Schlagrichtung geschoben, ergibt sich hieraus eine Bewegung der Schubstange gegen die Schlagrichtung des schlagenden Elementes mit der Kraft, mit der die Druckfeder vorgespannt ist.

Voraussetzung hierfür ist, dass die Masse des schlagenden Elementes im Verhältnis zu der Masse des Klemmelementes relativ groß ist, dass der Schlag kurz und hart und die Masse der Schubstange relativ groß ist.

Außerdem muss die Haftreibung des Klemmelementes auf der Schubstange größer sein als die Druckkraft des Druckelementes aber kleiner als die Kraft, die durch das Schlagelement beim Aufschlag entsteht.

Durch konstruktive Maßnahmen, die vorsehen, dass die Klemmkraft des Klemmelementes im Augenblick des Aufschlages des Schlagelementes auf das Klemmelement verkleinert oder ganz aufgehoben wird, kann die Effektivität verbessert und der Verschleiß reduziert werden. Dieses kann z. B. durch Piezoelemente, die das Klemmelement während des Schlages für Bruchteile von Sekunden öffnen oder auch durch entsprechende Formgebung von Klemmelement und Schlagelement erfolgen.

Letzteres wäre z. B. eine Kegelform des Schlagelementes wodurch das Klemmelement während des Schlages etwas aufgedrückt würde.

Das ganze Funktionsprinzip kann auch für die Erzeugung von Kreisbewegungen verwendet werden.

In diesem Fall ist, wie im Anspruch 2 beschrieben, die Schubstange durch eine axial gelagerte Scheibe zu ersetzten und das Klemmelement in Form „Backen" zu gestalten, die z. B. wie Bremsklötze auf einer Bremsscheibe angeordnet sind.

Durch die Ansprüche 4, 5 und 6 werden weitere vorteilhafte Konstruktionsmerkmale beschrieben.

Die im Anspruch 4 beschriebenen Merkmale ermöglichen es das System während der Stillstandszeit in einer bestimmten Stellung zu fixieren. Hierbei wird, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, die Hubstange (1) vom Klemmring (2) gehalten, welcher wiederum über die Scheiben 7a und 7b in Verbindung mit den, im Gehäuse (6) liegenden Anschläge in der Position fixiert wird.

Die im Anspruch 5 beschriebenen Merkmale ermöglichen es das System mit unterschiedlichem Verhältnis zwischen Kraft und Vorschubgeschwindigkeit zu betreiben, so dass sich bei geringer Belastung des Linearantriebes eine große Vorschubgeschwindigkeit und bei großer Belastung eine große Schub -bzw. Zugkraft bei entsprechend langsamer Bewegung ergibt. Hierfür ist es notwendig das System mit mindestens zwei verschiedenen Druckelementen (4) auszustatten. Das Druckelement mit der größeren Kraft ist etwas kürzer und tritt erst dann in Funktion, wenn die Kraft des schwächeren längeren Druckelementes nicht mehr ausreicht. Das Klemmelement (2) wird dann vom Schlagelement (3) weiter getrieben bis es an dem zweiten stärkeren Druckelement zum anliegt und dieses zusammendrückt. In der Zeit zwischen den einzelnen Schlägen wirkt dann das stärkere Druckelement über den Klemmring auf die Schubstange.

Ein Druckelement mit entsprechender Progression hätte eine ähnliche Wirkung. Die im Anspruch 6 beschriebenen Merkmale ermöglichen es, das System mit einstellbaren Zug- oder Druckkräften zu betreiben, indem die Druckelemente (4) an einem, mit dem Gehäuse verbundenen, verstellbaren Anschlag (10) anliegen, wodurch sich die Druckkraft der Druckelemente (4) und damit die Kraft des Antriebes verstellen lässt.

Die 1, 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linearantriebes während verschiedener Betriebszustände.
Der dargestellte Linearantrieb besitzt auf beiden Seiten des Klemmrings (2) je ein Schlagwerk, welches in diesem Ausführungsbeispiel von je einem Elektromagneten (8) und den, von den Elektromagneten betätigten, Schlagelementen (3a bzw.3b) gebildet wird.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel ermöglicht also eine Arbeitsbewegung der Schubstange (1) in beide Richtungen.
Das in den 1,2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel beinhaltet folgende Einzelbauteile:

1: Schubstange
2: Klemmelement
3: Schlagelement
4: Druckelement (Druckfeder)
5: Druckfeder
6: Gehäuse mit innenliegendem Anschlag für die Positionsarretierung.
7: Scheibe
8: Elektromagnet mit Spule
9: Schubstangenführung mit Schmutzabstreifer
10: Anschlag (fix oder verstellbar)

Die mit den Zusatzbuchstaben „a" und „b" gekennzeichneten Bauteile gehören je zu einer Funktionseinheit, die für je eine Bewegungsrichtung benötigt wird.
1 zeigt die Ruhestellung des Linearantriebes. Beide Schlagelemente (3a und 3b) sind von den Druckfedern (5a und 5b) in ihre jeweiligen Ausgangspositionen zurückgedrückt worden. Die beiden Druckelemente (4a und 4b) haben die Scheiben (7a und 7b) an den im Gehäuse befindlichen Anschlag gedrückt und damit den Klemmring (2) und die Schubstange (1) in ihrer Position fixiert.
2 zeigt den Augenblick während des Aufschlages des Schlagelementes (3a) auf das Klemmelement (2)
Durch Wucht des Aufschlages wird das Klemmelement (2) etwas auf der Schubstange (1a) nach links verschoben, wobei das Druckelement (4a), welches in diesem Ausführungsbeispiel aus einer vorgespannten Druckfeder besteht, etwas zusammengedrückt wird.
Bedingt durch die Massenverhältnisse der Bauteile und deren Massenträgheit, bleibt die Bewegung der Schubstange nahezu unverändert.
3 zeigt den Augenblick nach dem Aufschlag des Schlagelementes (3a) auf das Klemmelement (2)
Während das Schlagelement (3a) zurück schwingt, drückt das Druckelement (5a) das Klemmelement (2) zusammen mit der Schubstange (1) in Arbeitsrichtung nach rechts.
Die Scheibe (7a) dient der Kraftübertragung vom Druckelement (5a) auf das Klemmelement (2) und umgekehrt.

Claims

Linearantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Bewegung eines Elementes z. B. einer Schub – bzw. Zugstange(1) dadurch erreicht wird, dass ein auf der Schubstange (1) befindliches Klemmelement (2) durch ein vorzugsweise elektromagnetisch angetriebenes Schlagelement (3) mit jedem Schlag etwas verschoben wird, und dass auf der Gegenseite des Klemmelementes (2) mindestens ein Druckelement (4), welches vorzugsweise aus einer vorgespannten Druckfeder besteht, gegen das Klemmelement (2) drückt und somit die lineare Vorwärtsbewegung des zu bewegenden Elementes z. B einer Schubstange (1), welche entgegen der Schlagrichtung des Schlagelementes (3) erfolgt, bewirkt.
Linearantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die im Anspruch 1 benannte Schubstange (1) durch eine axial gelagerte Scheibe ersetzt ist, und dass der Klemmring (2) durch Klemmscheiben ersetzt ist.
Linearantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile nach Anspruch 1 in ein Schub -bzw. Zugrohr integriert sind, und das Klemmelement an der Innenwand des Rohres klemmt und dort von dem Schlagelement schrittweise verschoben wird.
Linearantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Klemmelement (2) und Druckelement (4) mindestens einseitig ein Zwischenring (7) vorhanden ist, der an mindestens einem Anschlag im Gehäuse zum anliegen kommt.
Linearantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (3) mindestens zweistufig aufgebaut ist.
Linearantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (3) einen progressiven Spannungsverlauf aufweist.
Linearantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (3) im Gehäuse (6) an einem einstellbaren Anschlag anliegt
Linearantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmwirkung des Klemmelementes (3) durch entsprechende Gestaltung, z.B. durch ein oder mehrere Piezokristalle, im Augenblick des Aufschlages des Schlagelementes (3) auf das Klemmelement (2), aufgehoben oder zumindest reduziert wird.
Linearantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig vor und hinter dem Klemmelement (2) sich je ein Schlagelement und ein Druckelement befindet, wodurch sich ein wechselseitiger Betrieb ermöglicht.
Linearantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Druckkraft eines Druckelementes einstellbar ist.
Linearantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Klemmelementes (3) mindestens einseitig durch einen Anschlag (4) begrenzt ist.