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Die Erfindung betrifft einen fluidisch betreibbaren Linearantrieb mit einem druckbeaufschlagbaren, volumenveränderlichen Arbeitsraum, der wenigstens einen elastisch deformierbaren Wandabschnitt zur Umsetzung von fluidischen Druckkräften in eine Linearbewegung umfasst, sowie mit einer linearbeweglich gelagerten Koppelstange, die mit dem elastisch deformierbaren Wandabschnitt in Wirkverbindung steht und die zur Weiterleitung der Bewegung des elastisch deformierbaren Wandabschnitts eingerichtet ist.
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Aus der
DE 10 2005 056 846 A1 ist ein Linearantrieb mit einem mediumbefüllbaren Aktor bekannt, wobei der Aktor in der Art eines Faltenbalgs ausgebildet ist, der im Wesentlichen aus flexiblen Wandabschnitten aufgebaut ist. Der Faltenbalg dehnt sich bei Befüllen mit Medium längs einer durch die faltenbalgartige Ausbildung vorgegebenen Linearachse aus. Bei einer Reduzierung der Druckbeaufschlagung des Faltenbalgs zieht sich der Aktor aufgrund der elastischen Rückstellkräfte des Faltenbalgs längs der Linearachse selbsttätig zusammen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Linearantrieb bereitzustellen, der im Hinblick auf den maximalen Fluiddruck im Arbeitsraum besonders belastbar ist.
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Diese Aufgabe wird für einen Linearantrieb der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierbei ist vorgesehen, dass der Arbeitsraum zwischen dem elastisch deformierbaren Wandabschnitt und einem gestaltfest ausgebildeten Gehäuse ausgebildet ist, das den elastisch deformierbaren Wandabschnitt umgibt und dass der elastisch deformierbare Wandabschnitt einstückig mit dem formstabilen Gehäuse ausgebildet ist.
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Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Linearantrieb wird der Arbeitsraum durch zwei Befestigungsflansche und einen dazwischen ausgebildeten Faltenbalg begrenzt. Der Faltenbalg ist aus einem elastisch deformierbarem Faltenbalgmaterial hergestellt und mit den Befestigungsflanschen abdichtend verbunden. Bei einer Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums findet eine Ausdehnung des Faltenbalgs statt, wodurch sich die Befestigungsflansche voneinander entfernen und somit die gewünschte Linearbewegung hervorgerufen werden kann. Mit zunehmender Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums nimmt eine Dehnung des Faltenbalgmaterials zu. Bei Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums mit einem vorgebbaren Maximaldruck wird eine maximale Expansion des Aktors erreicht, hierbei liegt auch eine vorgebbare maximale Dehnung des Faltenbalgs vor. Eine weitere Druckerhöhung führt nicht zwingend zu weiteren linearen Ausdehnung des Aktors, jedoch einer zu einer weiteren, beispielsweise radialen Ausdehnung des Faltenbalgmaterials, bis das Faltenbalgmaterial aufgrund der Überschreitung von material- und geometriabhängigen inneren Spannungen versagt und der Aktor zerstört wird.
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Bei dem Linearantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Arbeitsraum zwischen dem gestaltfesten Gehäuse, das bei Druckbeaufschlagung innerhalb eines vorgebbaren Druckbereichs keine nennenswerte Deformation erfährt, und dem elastisch deformierbaren Wandabschnitt ausgebildet. Der elastisch deformierbare Wandabschnitt begrenzt den Arbeitsraum derart, dass bei einer Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums eine Kompression des elastisch deformierbaren Wandabschnitts stattfindet. Durch diese Kompression wird die gewünschte Linearbewegung der mit dem elastisch deformierbaren Wandabschnitt in Wirkverbindung stehenden Koppelstange bewirkt. Bei Erreichen eines vorgebbaren Maximaldrucks im Arbeitsraum und somit einer maximal ausgefahrenen Linearposition der Koppelstange wirken die stärksten Druck- bzw. Kompressionskräfte auf den elastisch deformierbaren Wandabschnitt. In diesem Zustand kommen Teilabschnitte des elastisch deformierbaren Wandabschnitts aneinander zur Anlage und stützen sich gegeneinander ab. Vorzugsweise ist der elastisch deformierbare Wandabschnitt derart in dem formstabilen Gehäuse angeordnet, dass sich Teilabschnitte des elastisch deformierbaren Wandabschnitts flächig an dem formstabilen Gehäuse anlegen können und somit zusätzlich abgestützt werden, wodurch auch eine weitere Bewegung der Koppelstange verhindert wird. Bei einer weiteren Druckerhöhung im Arbeitsraum findet keine weitere Dehnung des elastisch deformierbaren Wandabschnitts statt, so dass eine Überbelastung des Materials des elastisch deformierbaren Wandabschnitts sowohl im Hinblick auf eine Überdehnung als auch im Hinblick auf eine zu hohe Druckbelastung vermieden wird. Zudem schützt das gestaltfeste Gehäuse den elastisch deformierbaren Wandbereich vor äußeren mechanischen Einflüssen.
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Durch die einstückige Ausbildung von Gehäuse und elastisch deformierbarem Wandabschnitt kann zwischen diesen auf weitere Abdichtungsmaßnahmen verzichtet werden, um den Arbeitsraum gegenüber der umgebenden Atmosphäre abzudichten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zweckmäßig ist es, wenn eine dem elastisch deformierbaren Wandabschnitt zugewandte Innenoberfläche des gestaltfesten Gehäuses zusammen mit einer der Innenoberfläche des Gehäuses gegenüberliegenden Wandoberfläche des deformierbaren Wandabschnitts den Arbeitsraum bestimmt. Der elastisch deformierbare Wandabschnitt dient somit als flexible Membran, an der die Koppelstange direkt oder mittels eines formstabilen Zwischenstücks angebracht ist und die sich bei Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums zur Erzeugung der Linearbewegung deformieren lässt.
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Vorteilhaft ist es, wenn das gestaltfeste Gehäuse von einer Anschlussausnehmung durchsetzt ist, die für eine Bereitstellung von druckbeaufschlagtem Fluid in den Arbeitsraum ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine leicht zu realisierende Zu- und/oder Abfuhr von druckbeaufschlagtem Fluid in den Arbeitsraum bzw. aus dem Arbeitsraum. Vorzugsweise ist an dem gestaltfesten Gehäuse ein Anschlussstutzen ausgeformt, an den beispielsweise eine starre oder flexible Fluidleitung angeschlossen werden kann. Alternativ kann vorgesehen sein, eine Be- und/oder Entlüftung des Arbeitsraums über die Koppelstange, die beispielsweise endseitig mit dem elastisch deformierbaren Wandabschnitt verbunden ist, vorzunehmen. Hierzu ist allerdings ein größerer technischer Aufwand als bei der im gestaltfesten Gehäuse vorgesehenen Anschlussausnehmung erforderlich.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das gestaltfeste Gehäuse von einer Koppelstangenausnehmung durchsetzt ist, durch die die Koppelstange hindurch geführt ist. Dem gestaltfesten Gehäuse kommt somit eine Doppelfunktion zu. Einerseits dient es als äußere Begrenzung des Arbeitsraums und andererseits dient es als Führungseinrichtung für die linearbewegliche Koppelstange. Hierdurch kann ggf. in Abhängigkeit vom Einsatzfall für den Linearantrieb auf weitere Führungsmittel verzichtet werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn der elastisch deformierbare Wandabschnitt zusammen mit der Koppelstange derart in das gestaltfeste Gehäuse eingepasst ist, dass eine Verkippung der Koppelstange im gestaltfesten Gehäuse zumindest weitgehend ausgeschlossen werden kann.
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Vorzugsweise ist der in das Gehäuseinnere erstreckte, elastisch deformierbare Wandabschnitt im Bereich der Mündung der Koppelstangenausnehmung abdichtend angebracht. Hierdurch wird eine vorteilhafte Ausnutzung des vom formstabilen Gehäuse umschlossenen Volumens als Arbeitsraum gewährleistet.
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Zweckmäßig ist es, dass der elastisch deformierbare Wandabschnitt als, vorzugsweise rotationssymmetrischer, Faltenbalg mit, insbesondere doppel-S-förmigem, längs der Koppelstange in gleicher Teilung wiederkehrendem Querschnitt ausgebildet ist. Durch die Ausgestaltung des elastisch deformierbaren Wandabschnitts als Faltenbalg kann eine schlanke und kompakte Gestaltung des Linearantriebs und ein großer Verstellweg für die Koppelstange erreicht werden. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Faltenbalg rotationssymmetrisch ausgebildet ist, da hierdurch innere Spannungen während der elastischen Deformation bei Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums auf ein Mindestmaß reduziert werden können. Besonders bevorzugt ist die Koppelstange konzentrisch zu einer Rotationssymmetrieachse des Faltenbalgs angeordnet, wodurch ebenfalls eine sehr gleichmäßige elastische Deformation des Wandabschnitts erreicht werden kann. Bei einer Ausbildung des Faltenbalgs mit einem doppel-S-förmigen Querschnitt wird eine homogene und somit über viele Lastspiele zuverlässig belastbare Geometrie für den Faltenbalg erzielt, da Spannungsspitzen im Faltenbalgmaterial vermieden werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung trennt der deformierbare Wandabschnitt den Arbeitsraum von einem Ausgleichsraum, wobei die Koppelstange zumindest teilweise in dem Ausgleichsraum aufgenommen ist. Vorzugsweise steht der Ausgleichsraum in kommunizierender Verbindung mit der den Linearantrieb umgebenden Atmosphäre, so dass stets ein Druckausgleich zwischen dem Ausgleichsraum und der Atmosphäre gewährleistet ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass durch die elastische Deformation des Wandabschnitts und die damit einhergehende Verkleinerung des Ausgleichsraums kein unerwünschter Bewegungswiderstand aufgebaut wird, der die Linearbewegung der Koppelstange behindern könnte.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elastisch deformierbare Wandabschnitt derart ausgebildet ist, dass er in einem drucklosen Zustand des Arbeitsraums ein maximales Volumen in dem gestaltfesten Gehäuse einnimmt. Dementsprechend ist der deformierbare Wandabschnitt derart ausgebildet, dass er bei Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums eine Volumenvergrößerung des Arbeitsraums und dadurch eine lineare Bewegung der Koppelstange ermöglicht. Dabei wird der elastisch deformierbare Wandabschnitt mit zunehmender Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums immer stärker komprimiert. Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Faltenbalg stellt sich mit Annäherung an die maximal ausgefahrene Position der Koppelstange eine aufgrund der gegenseitigen Anlage von Teilabschnitten des elastisch deformierbaren Wandabschnitts eine selbst begrenzende elastische Deformation ein. Da sich der elastisch deformierbare Wandabschnitt zudem an das formstabile Gehäuse anlegt und von diesem abgestützt wird, kann eine Überbeanspruchung des elastisch deformierbaren Wandabschnitts auch bei deutlicher Überschreitung des zur Erreichung der maximalen Ausfahrstellung der Koppelstange vorgegebenen Maximaldrucks für den Linearantrieb vermieden werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind der elastisch deformierbare Wandabschnitt und das formstabile Gehäuse einstückig, vorzugsweise mittels eines generativen Verfahrens, insbesondere durch Lasersintern, hergestellt. Durch Einsatz eines generativen Verfahrens, insbesondere Lasersintern, bei dem das formstabile Gehäuse und der elastisch deformierbare Wandabschnitt einstückig aus einer formlosen Masse, beispielsweise einem Metall- oder Kunststoffpulver hergestellt werden, ist es möglich, hinterschnittene Geometrien zu realisieren. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Herstellung des, vorzugsweise faltenbalgartig ausgeführten, elastisch deformierbaren Wandabschnitts, der von dem formstabilen Gehäuse umgeben ist, von Vorteil. Vorzugsweise wird als generatives Herstellungsverfahren das selektive Lasersintern (SLS) eingesetzt.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
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1 eine Schnittdarstellung eines generativ erzeugten Linearantriebs.
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Der in der 1 dargestellte Linearantrieb 1 umfasst ein formstabiles, insbesondere innerhalb eines vorgebbaren Druckbereichs, gestaltfestes Gehäuse 2. Exemplarisch umfasst das Gehäuse 2 einen zylinderhülsenförmig ausgebildeten Mantelabschnitt, der jeweils endseitig mit scheibenförmigen Gehäuseabschnitten verschlossen ist. In dem Gehäuse 2 ist ein beispielhaft faltenbalgartig ausgeführter, elastisch deformierbarer Wandabschnitt 3 aufgenommen. Der Wandabschnitt 3 ist mit einer exemplarisch zylindrisch ausgeführten Koppelstange 4 verbunden. Das Gehäuse 2 und der elastisch deformierbare Wandabschnitt 3 bestimmen einen volumenveränderlichen Arbeitsraum 5, der zur Beaufschlagung mit einem druckbeaufschlagtem Fluid, beispielsweise einer Hydraulikflüssigkeit oder Druckluft, ausgebildet ist.
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Bei einer Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 5 wirkt das druckbeaufschlagte Fluid sowohl auf eine Innenoberfläche 6 des Gehäuses 2 als auch auf eine Innenoberfläche 7 des Wandabschnitts 3. Aufgrund der gestaltfesten Ausbildung des Gehäuses 2 kommt es bei Beaufschlagung des Arbeitsraums 5 mit druckbeaufschlagtem Fluid zumindest in einem vorgebbaren Druckbereich lediglich zu einer Deformation des elastisch deformierbaren Wandabschnitts 3 und damit zu der gewünschten Linearbewegung der Koppelstange 4. Das formstabile und gestaltfest ausgebildete Gehäuse 2 erfährt hingegen durch das druckbeaufschlagte Fluid keine wesentliche Gestaltänderung.
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Zur Einleitung von druckbeaufschlagtem Fluid in den Arbeitsraum 5 ist am Gehäuse 2 eine Anschlussausnehmung 8 vorgesehen, die das Gehäuse 2 im Bereich eines stutzenartigen Anschlussbereichs durchsetzt. An den stutzenartigen Anschlussbereich kann beispielsweise ein Druckluftschlauch angeschlossen werden, der seinerseits mit einer Ventileinrichtung zur Beeinflussung eines Druckluftstroms in den Arbeitsraum 5 versehen ist.
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Zur Übertragung der bei Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 5 auftretenden linearen Relativbewegung zwischen dem elastisch deformierbarem Wandabschnitt 3 und dem formstabilem Gehäuse 2 auf eine nicht dargestellte, exemplarisch linear zu betätigende Maschinenkomponente ist eine Koppelstange 4 vorgesehen. Die Koppelstange 4 ist durch eine im Gehäuse 2 ausgebildete Koppelstangenausnehmung 9 geführt. Durch eine elastische Deformationsbewegung des Wandabschnitts 3 wird die gewünschte lineare Bewegung der Koppelstange 4 erzeugt. Die Koppelstange 4 wird in Raumrichtungen senkrecht zur Mittelachse 10 von dem Gehäuse 2 in einer Weise abgestützt, die zusätzliche Abstützmaßnahmen oder Lagerungsmaßnahmen entbehrlich macht. Zudem wird durch einen engen Spalt zwischen Koppelstange 4 und Koppelstangenausnehmung 9 auch bei einer Beaufschlagung des Arbeitsraums 5 mit einem sehr hohen Druck verhindert, dass der elastisch deformierbare Wandabschnitt 3 sich zumindest bereichsweise nach außen aus dem formstabilen Gehäuse 2 stülpt, was auch als Spaltextrusion bezeichnet wird.
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Vorzugsweise bildet die Mittelachse 10 auch eine Rotationssymmetrieachse für den faltenbalgartig ausgeführten, elastisch deformierbaren Wandabschnitt 3, der einstückig an das Gehäuse 2 angeformt ist. Dabei trennt der elastisch deformierbare Wandabschnitt 3 den Arbeitsraum 5 von einem durch die Koppelstangenausnehmung 9 kommunizierend mit der Umgebung verbundenen Ausgleichsraum 11. Um das vom Gehäuse 2 umschlossene Raumvolumen möglichst weitgehend für die Erzeugung einer Linearbewegung ausnutzen zu können, ist der elastisch deformierbare Wandabschnitt 3 exemplarisch unmittelbar an der Mündung der Koppelstangenausnehmung 9 abdichtend angebracht.
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In der dargestellten Ruhestellung gemäß der 1 ist der Linearantrieb 1 drucklos, so dass die Koppelstange 4 in einer maximal eingefahrenen Position im Gehäuse 2 aufgenommen ist und der elastische deformierbare Wandabschnitt 3 soweit entspannt ist, dass keine oder nur geringe innere Spannungen im Material des Wandabschnitts 3 vorliegen.
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Bei einer nicht dargestellten Funktionsstellung des Linearantriebs 1 ist der Arbeitsraum 5 mittels eines durch die Anschlussausnehmung 8 zugeführten, druckbeaufschlagten Fluids mit einem Innendruck beaufschlagt, der erheblich höher als der atmosphärische Druck im Ausgleichsraum 11 ist. Die im Arbeitsraum 5 vorliegenden Druckkräfte bewirken eine Deformation des elastisch deformierbaren Wandabschnitts 3. Diese Deformation äußert sich dahingehend, dass die einzelnen Falten des exemplarisch mit Doppel-S-förmigem Querschnitt ausgebildeten elastisch deformierbaren Wandabschnitts 3 komprimiert werden. Hierdurch tritt eine Verkürzung der faltenbalgartigen Struktur des elastisch deformierbaren Wandabschnitts 3 ein. Bedingt durch diese Verkürzung wird die Koppelstange 4 aus der in 1 dargestellten Ruhestellung längs einer linearen Bewegung in eine aus dem Gehäuse 2 ausgeschobene, nicht dargestellte Funktionsposition überführt.
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Bei dieser Linearbewegung nähern sich die einzelnen, S-förmigen Teilbereiche des elastisch deformierbaren Wandabschnitts 3 aneinander an und kommen in der maximal ausgeschobenen Stellung der Koppelstange 4 aneinander zur Anlage. Bei einer weiteren Erhöhung des Drucks im Arbeitsraum 5 stützen sich die S-förmigen Bereiche des elastisch deformierbaren Wandabschnitts 3 gegeneinander und an dem stirnseitigen scheibenförmigen Gehäuseabschnitt des Gehäuses 2 ab. Hierdurch wird eine lokale Überbeanspruchung des elastisch deformierbaren Wandabschnitts 3 vermieden und der Linearantrieb 1 kann dadurch erheblich höheren Drücken ausgesetzt werden, wie dies bei innendruckbeaufschlagten Faltenbalganordnungen von konventionellen Linearantrieben, die mit zunehmendem Druck im Arbeitsraum eine weitere Längenausdehnung und gegebenenfalls eine radiale Dehnung erfahren, der Fall ist.
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Erfindungsgemäß sind das Gehäuse 2 und der elastisch deformierbare Wandabschnitt 3 sowie ggf. die Koppelstange 4 einstückig ausgeführt, insbesondere mittels eines generativen Verfahrens hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005056846 A1 [0002]
