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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung mit einem ersten Teil und
einem zweiten Teil, die relativ zueinander beweglich sind.
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Bei
vielfältigen technischen Vorrichtungen, bei denen zumindest
zwei Teile oder Bauelemente Relativbewegungen zueinander ausführen,
besteht häufig die Notwendigkeit, diese Relativbewegung
zu bremsen und/oder (vorübergehend) zu verhindern. Neben
den klassischen Anwendungsbereichen von Bremsen gibt es besonders
anspruchsvolle Anforderungen bei linearen Relativbewegungen von
Teilen, beispielsweise im Werkzeugmaschinenbau oder in der Medizintechnik.
Für letztere sind prominente Beispiele Patientenliegen
in medizinischen Geräten, beispielsweise Röntgengeräten
oder Computertomographen. Hier ist eine besonders zuverlässige
und präzise Bremsfunktion, verlässliche Positionierung und
Feststellfunktion (Feststellbremse) notwendig.
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Im
klassischen Maschinenbau und Spezialmaschinenbau sind leistungsfähige
und zuverlässige Bremssysteme bekannt, bei denen Klemm-
und Bremselemente auf korrespondierende Bremsflächen oder
Bremselemente Bremskräfte ausüben. Diese Kräfte
werden üblicherweise pneumatisch oder hydraulisch erzeugt
bzw. auf die Bremselemente übertragen.
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Allerdings
gibt es Anwendungsfälle, bei denen die Zufuhr des zur Erzeugung
der Bremskraft bzw. Haltekraft erforderlichen Druckmediums mit kostentreibendem
und hohem Aufwand verbunden ist oder aufgrund der spezifischen Einsatzbereichsanforderungen
gänzlich unerwünscht oder unzulässig
ist. Ein Beispiel für die letztere Situation sind medizinische
Anwendungen, bei denen häufig schon aufgrund von Hygiene-
und Sicherheitsanforderungen starke Restriktionen bestehen.
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Insbesondere
zum Bremsen von Linearbewegungen sind verschiedene hydraulische
oder pneumatische Systeme beispielsweise der Firma Zimmer GmbH (www.zimmer-gmbh.de)
bekannt geworden, die mechanisch vergleichsweise aufwändig sind,
teilweise unzulässig lange Verzögerungszeiten aufweisen
und aufgrund ihres Bremsprinzips (Körperreibung) einem
Verschleiß unterworfen sind. Zudem ist im medizinischen
Bereich, beispielsweise bei Patientenliegen, ein Trend dahingehend
erkennbar, dass zunehmend lineare Direktantriebe eingesetzt werden.
Diese haben gegenüber traditionellen Zahnriemen- oder Gewindeantrieben
zwar Vorteile hinsichtlich ihrer Dynamik und ihres Bauraumbedarfs, verfügen
allerdings nicht über selbsthemmende Eigenschaften (Feststellfunktion).
Im medizinischen Bereich, zum Beispiel bei Patientenliegen, ist
jedoch ein selbsthemmender Antrieb wünschenswert wegen der
Möglichkeit, die Patientenliege zuverlässig zu blockieren.
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Vor
diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, eine Bremsvorrichtung, insbesondere für lineare
Direktantriebe, anzugeben, die ohne die Zufuhr eines bremskrafterzeugenden
Mediums wie beispielsweise Druckluft oder Hydrauliköl auskommt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Bremsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Demgemäß umfasst
die erfindungsgemäße Vorrichtung ein erstes Teil
und ein zweites Teil, die relativ zueinander beweglichen sind, wobei
sich zwischen den Teilen eine rheologische Flüssigkeit
befindet. Auf diese Flüssigkeit wirkt bedarfsweise, d.
h. bei gewünschter Verzögerung der Relativbewegung
der beiden Teile oder bei der Notwendigkeit, die Relativbewegung
der beiden Teile (vorübergehend) zu unterbinden, eine Einrichtung
viskositätserhöhend ein. Der Bewegungsantrieb
der beiden Teile kann sowohl maschinell als auch manuell erfolgen.
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Unter
einer rheologischen Flüssigkeit ist eine Nicht-Newtonsche
Flüssigkeit zu verstehen, die ein von außen steuerbares
viskoelastisches Verhalten aufweist. Eine rheologische Flüssigkeit
verändert ihr Verhalten – nämlich ihre
Viskosität – innerhalb kürzester Zeit
beim Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines Magnetfeldes.
In diesem Fall verfestigt sich das zuvor noch suspensionsartige – im
Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein als Flüssigkeit – bezeichnete
Medium.
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Dieser
für sich bekannte Effekt ist darauf zurückzuführen,
dass in der Flüssigkeit zunächst eine sehr große
Anzahl polarisierbarer oder magnetischer Teilchen gleichmäßig
verteilt ist. Mit dem Anlegen eines äußeren Feldes
(z. B. durch Anlegen einer elektrischen Spannung) bilden die Teilchen
Dipole mit differenzierten positiv bzw. negativ geladenen Ladungsbereichen
und verbinden sich aufgrund der zwischen unterschiedlichen Ladungen
existierenden Anziehungstendenzen zu langen Ketten.
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Dadurch
verfestigt sich das Medium. Dieser Effekt tritt innerhalb von wenigen
Millisekunden ein. Mit dem Entfernen des Feldes verteilen sich die
Teilchen wieder gleichmäßig, so dass sich das
Medium wieder verflüssigt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil,
dass für das Einbringen und Speichern des rheologischen
Mediums ein weitgehend frei gestaltbarer Zwischenraum zwischen den
beiden Teilen der Bremsvorrichtung genutzt werden kann. Damit sind – im
Gegensatz zu konventionellen Bremsvorrichtungen – erhebliche
Maß- und Spieltoleranzen der Bauteile zulässig
und zudem ist auch eine sehr bauraumsparende Ausgestaltung der Bremsvorrichtung möglich,
weil das eigentliche Bremsmedium sich dem zur Verfügung
stehenden Aufnahmeraum anpasst.
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Ein
weiterer ganz erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen
Bremsvorrichtung besteht darin, dass sie ohne Körperreibung
wirkt, so dass keine verschleißbehafteten und zu überwachenden,
zu wartenden bzw. auszutauschenden Bremselemente existieren. Je
nach Einwirkungsintensität der Einrichtung auf die rheologische
Flüssigkeit kann die Bremswirkung bzw. die Haltekraft der
Bremsvorrichtung sehr fein und bedarfsgerecht dosiert werden. Zudem zeichnet
sich die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung durch
eine äußerst geringe Ansprechzeit aus.
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Wie
zuvor schon erwähnt, kann als rheologische Flüssigkeit
ein auf ein äußeres Magnetfeld reagierendes Medium
(magneto-rheologische Flüssigkeit) verwendet werden. Hinsichtlich
des Realisierungsaufwandes, der Ansteuerung und der Ansprech- bzw.
Abfallzeiten der Bremsvorrichtung ist eine Ausgestaltung besonders
vorteilhaft, bei der die Flüssigkeit elektro-rheologisch
ist und die Einrichtung bedarfsweise ein elektrisches Feld erzeugt.
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Besonders
vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
bei einem Linearantrieb – insbesondere bei einem linearen
Direktantrieb – Anwendung finden, indem das erste Teil
eine Stange eines Linearantriebes und das zweite Teil ein die Stange umgebendes
Gehäuse ist.
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Konstruktiv
sind hier weite Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet,
insbesondere kann die Stange verschiedenste Querschnittsformen und
auch einen Hohlquerschnitt aufweisen. Besonders bevorzugt kann die
Stange mit einem beweglichen Teil einer medizinischen Vorrichtung
wie beispielsweise einer Patientenliege verbunden sein. Das Gehäuse
ist bevorzugt auf der Stange verschiebbar und seinerseits ortsfest.
Selbstverständlich kann in kinematischer Umkehr auch das
Gehäuse mit einem verschieblich auszugestaltenden Vorrichtungsteil
verbunden sein, während dann die Stange ortsfest gelagert
ist. Bei der Auslegung dieser Relativbewegung ist ein Optimierungsaspekt
die Kabelführung zur felderzeugenden Einrichtung.
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In
dem Gehäuse ist das rheologische Medium aufgenommen. Der
Gehäuseinnenraum ist gegenüber der Stange und
der Außenwelt flüssigkeits- und staubdicht abgedichtet.
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Grundsätzlich
kann zwischen den beiden Teilen durch entsprechende Spannungs- und/oder Magnetfeldbeaufschlagung
das zur Beeinflussung der Viskosität der rheologischen
Flüssigkeit erforderliche Feld erzeugt werden. Nach einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch zwischen dem
ersten und dem zweiten Teil ein felderzeugendes Element angeordnet,
das von der Einrichtung in Bezug auf das erste und zweite Teil entgegengesetzt polarisierbar
ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das rheologische
Medium sowohl dem zwischen dem felderzeugenden Element und dem ersten
Teil als auch dem zwischen dem felderzeugenden Element und dem zweiten
Teil bestehenden Feld ausgesetzt ist. Dadurch wird die Bremswirkung
bzw. die realisierbare Feststellkraft weiter erhöht.
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Bevorzugt
ist das felderzeugende Element dabei als Hohlzylinder ausgebildet,
der die Stange umgibt.
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Eine
weitere Erhöhung der Bremswirkung lässt sich nach
einer bevorzugten Fortbildung der Erfindung dadurch erreichen, dass
das felderzeugende Element gegenüber dem ersten und/oder
zweiten Teil durch einen oder mehrere Isolatoren isoliert ist. Bevorzugt
ist der bzw. sind die Isolatoren wendelförmig gestaltet.
Die Isolatoren sind bevorzugt aus einem isolierenden Material wie
z. B. Kunststoff oder Teflon hergestellt und verlängern
durch ihre Form den Fließweg des rheologischen Mediums,
wodurch sich die Reibung und damit die Bremswirkung erhöht.
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Als
Isolator sind nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung
Ringe, beispielsweise O-Ringe, vorgesehen, die jeweils mindestens
eine Durchflussausnehmung für die rheologische Flüssigkeit
aufweisen.
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Weitere
Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergänzend
aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung; darin zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Bremsvorrichtung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Bremsvorrichtung und
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3 Einzelteile
der Vorrichtung nach 2.
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1 zeigt
eine Bremsvorrichtung 1 für einen linearen Direktantrieb
beispielsweise einer Patientenliege. Zur Bewegung der Patientenliege
ist eine Stange 2 vorgesehen, die an ihren Enden Befestigungsmöglichkeiten 3, 4 für
die nicht dargestellte Patientenliege aufweist. Die Länge
der Stange 2 ist dabei entsprechend dem gewünschten
Fahrweg der Patientenliege bemessen. Die Stange 2 ist von
einem zweiten Teil 5, nämlich einem in diesem
Ausführungsbeispiel als Hohlzylinder ausgebildeten Gehäuse 6,
umgeben und durchdringt das Gehäuse durch axiale Gehäuseöffnungen 8, 9,
wobei der jeweilige Durchdringungsbereich 10, 11 durch
Dichtungen 12, 14 zum Innenraum 15 des
Gehäuses 6 staub- und flüssigkeitsdicht
abgedichtet ist. Damit ist also ein Gehäuseinnenraum oder
Hohlraum 18 geschaffen, in den eine rheologische Flüssigkeit
(auch als rheologisches Medium bezeichnet) 19 eingebracht
ist. Das Gehäuse 6 (zweites Teil 5) ist
ortsfest in nicht näher dargestellter Weise fixiert.
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Ferner
ist eine nur schematisch in Form einer Spannungsquelle angedeutete
Einrichtung 20 vorgesehen, die das zweite Teil 5 und
die Stange (erstes Teil) 2 der Bremsvorrichtung auf ein
erstes Potential – aus Sicherheitsgründen auf
geerdete Masse – 22 legt. Die Einrichtung 20 beaufschlagt
ein felderzeugendes Element 24 in Form einer eine Elektrode
mit einem positiven Potential (+). Die Elektrode 24 befindet
sich in dem Hohlraum 18 zwischen den Teilen 2 und 5 und
ist gegenüber diesen elektrisch isoliert. Wenn die Einrichtung 20 durch
entsprechende Verbindung die Teile 2, 5 einerseits
auf ein erstes (Masse)Potential und die Elektrode 24 durch
Verbindung mit der Spannungsquelle 25 auf positives Potential (+)
legt, entsteht zwischen der Elektrode 24 und dem Teil 2 einerseits
und der Elektrode 24 und dem zweiten Teil 5 andererseits
ein elektrisches Feld, das die elektro-rheologische Flüssigkeit 19 augenblicklich ausrichtet.
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Die
Flüssigkeit kann beispielsweise auf Silikon- oder Mineralölbasis
in Form einer Suspension ein Medium bilden, dessen bei Anlegung
eines elektrischen Feldes auftretende Dipol-Eigenschaft zu einer
Orientierung dieser polarisierbaren Teilchen mit der Folge führt,
dass diese vergleichsweise lange Teilchenketten ausbilden. Dadurch
erhöht sich die Viskosität der Flüssigkeit 19 zu
einem gelartigen oder sogar festen Medium. Dadurch ist die Relativbeweglichkeit
der Teile 2, 5 stark eingeschränkt (Bremswirkung)
oder so gar völlig unterbunden (Feststellwirkung). In diesem
Zustand lässt sich also die Stange 2 nur unter
erheblich erhöhtem Widerstand oder überhaupt nicht
mehr in ihrer linearen Bewegungsrichtung 35 relativ zu
dem ortsfesten Teil 5 bewegen.
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2 zeigt
eine modifizierte Bremsvorrichtung, wobei der 1 entsprechende
Elemente mit denselben Bezugzeichen versehen sind. In dem Ausführungsbeispiel
nach 2 ist die Elektrode 24 in dem Gehäuse 6 (zweites
Teil 5) auf der Außenseite und in ihrer Innenseite
gegenüber der Stange 2 (erstes Teil) durch jeweils
einen wendelförmigen Isolator 40, 41 elektrisch
isoliert. Die Isolatoren 40, 41 behindern Flüssigkeitsströmungen
zwischen den Teilen 2, 5 und bestehen bevorzugt
aus isolierendem Material, beispielsweise Kunststoff oder Teflon.
Durch die damit für die Flüssigkeit 19 verlängerten
Fließwege wird die bei der Relativbewegung der Teile 2, 5 in
der Flüssigkeit entstehende Reibung erhöht und
damit die Bremswirkung verstärkt. Alternativ könnten
die Isolatoren 40, 41 auch durch mehrere axial
beabstandete O-Ringe realisiert sein, die an einem Teil ihres Umfangs
geöffnet sind oder Ausnehmungen aufweisen. Durch diese
bleibt eine für die Bewegung notwendige Flüssigkeitsströmung
möglich, wobei im Bremsfall auch bei dieser Variante durch
die erheblich erschwerte Flüssigkeitsbewegung eine erhöhte
Bremswirkung erzielt wird.
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3 zeigt
zur abschließenden Verdeutlichung isoliert die Elektrode 24 aus 2,
an deren äußerer Mantelfläche 43 die
sich herumwindende Wendel 44 erkennbar ist, die den Isolierkörper 40 bildet.
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- 1
- Bremsvorrichtung
- 2
- erstes
Teil
- 3,
4
- Befestigungsmöglichkeiten
- 5
- zweites
Teil
- 6
- Gehäuse
- 8,
9
- axiale
Gehäuseöffnungen
- 10,
11
- Durchdringungsbereich
- 12,
14
- Dichtungen
- 15
- Innenraum
- 18
- Hohlraum
- 19
- rheologische
Flüssigkeit
- 20
- Einrichtung
- 22
- erstes
Potential
- 24
- felderzeugendes
Element
- 25
- Spannungsquelle
- 35
- lineare
Bewegungsrichtung
- 40,
41
- Wendelförmiger
Isolator
- 43
- äußere
Mantelfläche
- 44
- Wendel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.zimmer-gmbh.de [0005]