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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung zum Erzeugen einer periodischen, linearen Hubbewegung und einer gleichzeitigen Drehbewegung eines langgestreckten Maschinenelements nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Antriebseinrichtungen, die eine gleichzeitige Hub- und Drehbewegung ausführen, werden z. B. in Kolbenpumpen verwendet. Hier wird durch die Hubbewegung eines Kolbens eine Flüssigkeit in einen Pumpenraum gepumpt. Durch die gleichzeitige Drehbewegung während der Hubbewegung kann eine Aussparung des Kolbens mit verschiedenen Öffnungen des Pumpenraums in Kontakt gebracht werden und aus diesen die Flüssigkeit aufnehmen oder in diese abgeben.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits derartige Kolbenpumpen und Antriebseinrichtungen, die eine periodische Hubbewegung mit einer gleichzeitigen Drehbewegung erzeugen, bekannt. So offenbart die Druckschrift
DE 509 222 eine Taumelkolbenpumpe, bei der die Hubbewegung eines Kolbens drehzentral entlang einer Drehachse der Drehbewegung erfolgt. Die in dieser Druckschrift beschriebene Antriebseinrichtung weist eine Antriebswelle auf, durch deren Rotation der Kolben sowohl angehoben und abgesenkt als auch gedreht wird. Die um eine Antriebsachse dieser Antriebswelle erfolgende Rotation wird hierbei durch einen fest mit der Welle verbundenen Mitnehmer aufgenommen, welcher über ein Verbindungsstück mit dem Kolben verbunden ist, sowie in die lineare Hubbewegung und die Drehbewegung umgewandelt. Das Verbindungsstück ist an dem Kolben befestigt, während das Verbindungsstück und der Mitnehmer über ein Kugelgelenk miteinander in Verbindung stehen. Das Kugelgelenk ist in einer Aufnahme des Mitnehmers drehbar geführt und läuft exzentrisch um die Drehachse während der Rotation der Antriebswelle. Durch ein Schrägstellen der Antriebswelle gegenüber der Drehachse wird bei einer Umdrehung um die Drehachse das Kugelgelenk angehoben und abgesenkt und hebt und senkt somit auch den Kolben zusätzlich zu der Drehung.
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Nachteilig an dem in der genannten Druckschrift offenbarten Stand der Technik ist jedoch, dass durch dieses Kippen der Antriebsachse bezüglich der Drehachse starke Querkräfte auf den Kolben wirken, die von einem Kolbenraum aufgenommen werden müssen und die Kolbenbewegung erschweren. Außerdem kann die Antriebseinrichtung nur eine gekoppelte Hub- und Drehbewegung vollführen, d. h. dass durch die Übertragungsvorrichtung ständig sowohl die Hub- als auch die Drehbewegung durchgeführt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinrichtung zu entwickeln, die die genannten Nachteile vermeidet, mit der also eine Hubbewegung und eine gleichzeitige Drehbewegung ohne die Bewegungen hindernde Querkräfte durchgeführt werden können während die genannten Bewegungen voneinander entkoppelt sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die vorgeschlagene Antriebseinrichtung zum Erzeugen einer periodischen, linearen Hubbewegung und einer gleichzeitigen Drehbewegung eines langgestreckten Maschinenelements für labortechnische, lebensmitteltechnische oder pharmazietechnische Anwendungen, bei der die Hubbewegung entlang einer Drehachse der Drehbewegung erfolgt, umfasst eine Antriebsvorrichtung mit einer Antriebsachse und eine mit dem Maschinenelement verbundene Übertragungsvorrichtung. Die Übertragungsvorrichtung wandelt eine von der Antriebsvorrichtung um die Antriebsachse erzeugte Drehbewegung in die Hubbewegung entlang der Drehachse und die Drehbewegung um die Drehachse um. Die Übertragungsvorrichtung umfasst hierzu erste mit der Antriebsachse in Verbindung stehende Übertragungsmittel zum Bewirken der Hubbewegung und zweite Übertragungsmittel zum Bewirken der Drehbewegung, wobei die Hubbewegung und die Drehbewegung voneinander entkoppelt sind. Die Entkopplung der beiden Übertragungsmittel erfolgt durch die Unterteilung der Übertragungsvorrichtung in die beiden Übertragungsmittel, welche jeweils für eine der beiden Bewegungen des Maschinenelements verantwortlich sind, sodass jede der Bewegungen prinzipiell auch ohne Ausführung der anderen Bewegung erreicht werden kann. Eine Umlenkvorrichtung ist mit den ersten Übertragungsmitteln und den zweiten Übertragungsmitteln verbunden und synchronisiert die Drehbewegung und die Hubbewegung miteinander. ”Synchronisieren” soll in diesem Zusammenhang einen zeitlichen Gleichlauf, also eine zeitliche Abstimmung aufeinander, der Hubbewegung und der Drehbewegung bezeichnen.
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Die vorgeschlagene Antriebsvorrichtung erlaubt eine zuverlässige Entkopplung beider Bewegungen. Dies wirkt beide Bewegungen störenden Kräften oder Drehmomenten entgegen, die von einer der Bewegungen ausgehend die jeweils andere beeinflussen. Insbesondere können somit Querkräfte zuverlässig verhindert werden. Die Umlenkvorrichtung, die die beiden Übertragungsmittel miteinander verbindet, ermöglicht dennoch eine Synchronisation der beiden Bewegungen, so dass einer bestimmten Position der Hubbewegung immer noch eine bestimmte Position der Drehbewegung zugeordnet werden kann und ein drehzentraler Hubantrieb verwirklich wird. ”Drehzentral” bezeichnet hierbei einen Verlauf des Hubantriebs entlang der Drehachse, so dass die Drehbewegung zentral um besagte Achse erfolgt. Durch die Verbindung der ersten Übertragungsmittel mit der Antriebsachse und die über die Umlenkvorrichtung erfolgende Verbindung der zweiten Übertragungsmittel mit den ersten Übertragungsmitteln genügt es, die ersten Übertragungsmittel in Bewegung zu versetzen, um die ganze Übertragungsvorrichtung zu bewegen. Zudem kann eine Hubhöhe durch die Entkopplung der Bewegungen einfach eingestellt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Umlenkvorrichtung kann eine um eine Umlenkachse drehbare Rolle und einen verwundenen Riemen umfassen, wobei der verwundene Riemen auf der drehbaren Rolle geführt ist. Durch eine drehbare Rolle werden in besonders einfacher und reibungsarmer Weise Bewegungen in eine bestimmte Richtung umgelenkt. Ebenso ist durch einen Riemen eine mechanisch stabile und zuverlässige Verbindung zwischen den ersten Übertragungsmitteln und den zweiten Übertragungsmitteln hergestellt. Die Verwindung des Riemens führt dazu, dass eine Kraftübertragung durch den Riemen auch in unterschiedliche Richtungen, beispielsweise um 90° gedreht, möglich ist. Der Riemen ist vorzugsweise ein Zahnriemen. Durch einen Zahnriemen wird eine besonders zuverlässige Verbindung der Übertragungsmittel gewährleistet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die ersten Übertragungsmittel einen Pleuelantrieb aufweisen, der mit dem Maschinenelement gekoppelt ist. Der Pleuelantrieb umfasst vorzugsweise ein Antriebsrad und einen Pleuel, wobei ein Ende des Pleuels exzentrisch an dem Antriebsrad befestigt ist. Ein anderes Ende des Pleuels kann dann mit dem Maschinenelement verbunden und somit mit dem Maschinenelement gekoppelt sein. Dreht sich das Antriebsrad, wird das Maschinenelement durch den Pleuel periodisch mit einer Drehbewegung des Antriebsrads angehoben und abgesenkt. Hierdurch wird in sehr einfacher Weise eine Drehbewegung des Antriebsrads in eine translatorische Bewegung, nämlich die Hubbewegung, des Maschinenelements umgesetzt.
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Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Pleuelstange des Pleuelantriebs und ein Ende des Maschinenelements über ein Verbindungsstück miteinander verbunden sind, wobei das Ende des Maschinenelements drehbar in dem Verbindungsstück gelagert ist. Durch die Verbindung der Pleuelstange mit dem Ende des Maschinenelements über das Verbindungsstück wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad der Bewegung gewonnen. Durch das drehbare Lagern des Endes des Maschinenelements in dem Verbindungsstück kann dieser zusätzliche Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad des Maschinenelements sein, welcher die Drehbewegung des Maschinenelements erlaubt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die ersten Übertragungsmittel und die zweiten Übertragungsmittel an unterschiedlichen Punkten des Maschinenelements mit diesem in Verbindung stehen. Dies unterstützt eine Entkopplung der Hub- und der Drehbewegung.
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Das Maschinenelement ist vorzugsweise durch eine Linearführung geführt, welche an einem Rahmen der Antriebseinrichtung parallel zu der Drehachse verläuft. Durch die Linearführung wird die Hubbewegung stabilisiert und eventuell noch auftretende Querkräfte werden aufgenommen. Die Aufnahme dieser Querkräfte erfolgt an dem Rahmen der Antriebseinrichtung, an dem auch andere Elemente der Antriebseinrichtung, wie die Antriebsvorrichtung und die Übertragungsvorrichtung sowie die Umlenkvorrichtung, angeordnet sein können. Durch die parallel zu der Drehachse verlaufende Linearführung wird das Maschinenelement insbesondere entlang der Drehachse, entlang derer auch die Hubbewegung stattfindet, stabilisiert. Die Linearführung umfasst vorzugsweise einen Schlitten, eine Spindel oder eine Zahnstange.
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Hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das erste Übertragungsmittel auf einer ersten Seite des Rahmens angeordnet ist und Umlenkvorrichtung und das zweite Übertragungsmittel auf einer zweiten Seite des Rahmens angeordnet sind. Durch die räumliche Separierung der Übertragungsmittel wird die Entkopplung der beiden Bewegungen erleichtert.
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Vorzugsweise ist das Maschinenelement in einem Durchgang der zweiten Übertragungsmittel drehfest, aber entlang der Drehachse gleitend geführt. Die drehfeste Verbindung des Maschinenelements erlaubt eine Drehung mit dem zweiten Übertragungsmittel, während die gleitende Lagerung eine Hubbewegung durch den Durchgang ermöglicht. Der Durchgang, der das Maschinenelement vorzugsweise gänzlich umschließt, sorgt dabei für eine sichere Führung und zuverlässige Mitbewegung während des Drehens.
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Hierzu kann das Maschinenelement mindestens eine seitliche Aussparung aufweisen, in der ein in den Durchgang der zweiten Übertragungsmittel hineinragender Vorsprung zur drehfesten Verbindung geführt ist. Die seitliche Aussparung, die sich vorzugsweise entlang der gesamten Länge des Maschinenelements erstreckt, ermöglicht in besonders einfacher Weise eine drehfeste Verbindung durch die Aufnahme eines Vorsprungs, der fest mit den zweiten Antriebsmitteln verbunden ist.
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Es kann außerdem vorgesehen sein, dass das Maschinenelement ein Kolben ist, wobei die Drehachse vorzugsweise einer Längsachse des Kolbens entspricht. Kolben weisen bei einer Rotation um ihre Längsachse ein geringes Hauptträgheitsmoment auf, so dass eine derartige Rotation energetisch günstig ist.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Drehachse und die Antriebsachse orthogonal zueinander angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine besonders zuverlässige Entkopplung der Hub- und der Drehbewegung und Kräfte oder Drehmomente werden rein axial entlang einer der Achsen eingeleitet. Die Umlenkachse der Umlenkvorrichtung steht vorzugsweise senkrecht auf der Drehachse und der Antriebsachse. Die Antriebsachse und die Drehachse spannen hierbei eine Fläche auf, auf der die Umlenkachse senkrecht steht. Diese Stellung der Achsen zueinander erlaubt ein definiertes Umlenken eines um die Antriebsachse wirkenden Drehmoments um die Umlenkachse auf die Drehachse. Das Drehmoment verbleibt zwar in der aufgespannten Ebene, ändert jedoch seine Richtung.
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Antriebsachse und Drehachse weisen vorzugsweise einen gemeinsamen Schnittpunkt auf. Hierdurch wird eine platzsparende Anordnung einzelner Komponenten der Antriebseinrichtung durch eine kompakte Bauweise ermöglicht.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zweiten Übertragungsmittel ein um die Drehachse drehbares Rad aufweisen. Dieses Rad kann in besonders einfacher Weise mit der Umlenkvorrichtung verbunden werden, insbesondere wenn die Umlenkvorrichtung den verwundenen Riemen umfasst. Mittig in dem Rad kann der Durchgang angeordnet sein, so dass auch dieses Rad eine drehzentrale Bewegung ausführt. Vorzugsweise ist das Rad ein Zahnrad, insbesondere wenn der verwundene Riemen ein Zahnriemen ist. Hierdurch wird eine formschlüssige Verbindung zwischen diesen beiden Elementen erreicht und die zweiten Übertragungsmittel wird in besonders günstiger Weise bewegt.
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Die labortechnischen Anwendungen der beschriebenen Antriebseinrichtung können Analysegeräte jeglicher Art umfassen. Die beschriebene Antriebseinrichtung kann jedoch auch in Abfüllvorrichtungen für Flüssigkeiten, speziell in der Lebensmittelindustrie oder der Pharmaindustrie, eingesetzt werden. Insbesondere kann die beschriebene Antriebseinrichtung für eine Dosierpumpe verwendet werden. Bei einer derartigen Dosierpumpe wird vorzugsweise ein freies Ende des Maschinenelements in einer Zylinderkammer mit mindestens einer Öffnung geführt. Das freie Ende des Maschinenelements soll dabei ein Ende bezeichnen, das mit keinem der Übertragungsmittel in Verbindung steht. In das freie Ende ist mindestens eine Aussparung eingebracht. Das freie Ende öffnet somit in Abhängigkeit von der Drehbewegung die Öffnung zur Aussparung hin oder verschließt diese. Während eines Vollhubs, also einer vollständigen Periode einer Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Maschinenelements, hält das Maschinenelement die mindestens eine Öffnung also zunächst verschlossen und öffnet sie zu einem bestimmten Zeitpunkt zur Aussparung hin, um sie anschließend wieder zu verschließen. Sofern nur eine Öffnung in der Zylinderkammer vorgesehen ist, kann an der öffnung eine Dosiernadel, welche als Probengeber dient und eine Probe in verschiedenen Positionen aufnimmt und wieder abgibt, vorgesehen sein. Somit kann auf ein Ventil an der Öffnung verzichtet werden.
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In vorteilhafter Weise wird durch Rotation des Maschinenelements die Aussparung an verschiedene Öffnungen bewegt, so dass durch eine der Öffnungen eine Flüssigkeit in den Zylinderraum einströmen kann, während das Maschinenelement eine weitere der Öffnungen des Zylinderraums zu diesem Zeitpunkt verschließt. Durch weitere Rotation wird die bislang verschlossene Öffnung nun geöffnet, während die bislang offene Öffnung verschlossen wird. Dies bietet den Vorteil, dass in sehr einfacher Weise Flüssigkeit aus einer Öffnung in den Zylinderraum eingelassen und durch die andere Öffnungen entnommen wird, was durch die Hubbewegung des Maschinenelements noch unterstützt wird. Durch mehrere derartige Öffnungen kann auch eine ventillose Pumpe gebaut werden, die besonders einfach zu betreiben ist.
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Außerdem kann die beschriebene Antriebseinrichtung für einen Rüttler verwendet werden. Hierbei kann ein Probenkorb zur Aufnahme von Probenmaterial und festen Durchmischungsvorrichtungen, vorzugsweise Kugeln aus Glas, Keramik, Stahl oder einer Metalllegierung, mit dem Maschinenelement verbunden sein. Das Probenmaterial und die festen Durchmischungsvorrichtungen können dann durch die Hub- und die Drehbewegung beschleunigt werden, wobei die Hubbewegung für eine in ihrer Richtung ständig wechselnde Beschleunigung der festen Durchmischungsvorrichtungen sorgt, während die Drehbewegung das Probenmaterial und die festen Durchmischungsvorrichtungen am Rand des Probenkorbs sammelt. Die festen Durchmischungsvorrichtungen stoßen hierbei gegen das Probenmaterial. Hierdurch wird das Probenmaterial verkleinert und homogenisiert, was durch eine vorzugsweise größere Masse der festen Durchmischungsvorrichtung unterstützt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 6 erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Antriebseinrichtung,
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2 eine seitliche Ansicht der in 1 dargestellten Antriebseinrichtung,
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3 eine von 2 verschiedene seitliche Ansicht der in 1 dargestellten Antriebsvorrichtung,
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4 eine Erweiterung der in 1 dargestellten Antriebsvorrichtung mit einem Kolben mit Aussparung, welcher in einem Zylinder mit Zylinderraum geführt ist,
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5 eine 2 entsprechende Erweiterung mit mehreren Öffnungen des Zylinders und einer Längsnut als Aussparung und
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6 eine 3 entsprechende Darstellung der Antriebsvorrichtung mit einem an einem Maschinenelement angebrachten Probenkorb.
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In 1 ist in einer perspektivischen Ansicht eine Antriebseinrichtung 1 zum Erzeugen einer periodischen, linearen Hubbewegung und einer gleichzeitigen Drehbewegung eines langgestreckten Maschinenelements 2 dargestellt. Die Antriebseinrichtung 1 ist für labortechnische Anwendungen, beispielsweise für verschiedene Arten von Analysegeräten verwendbar, kann jedoch auch in anderen Bereichen wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder der Pharmaindustrie Verwendung finden. Das Maschinenelement 2 ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Führungssäule aus Metall oder Kunststoff, die mit weiteren Maschinenelementen, wie beispielsweise Kolben, verbunden werden kann. Selbstverständlich kann auch bereits das Maschinenelement 2 als Kolben ausgestaltet sein.
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Die Hubbewegung erfolgt entlang einer Längsachse des Maschinenelements 2, wobei diese Längsachse auch einer Drehachse 3 der Drehbewegung entspricht. Die Drehbewegung um die Drehachse 3 ist energetisch günstig, da das Hauptträgheitsmoment bei der Drehbewegung um die Drehachse 3 für das dargestellte Maschinenelement 2 kleinstmöglich ist. Das Maschinenelement 2 wird somit durch einen drehzentralen Hubantrieb bewegt. Die Hubbewegung umfasst hierbei eine Hinauf- und Herabbewegung des Maschinenelements 2, welche periodisch, also stets zeitlich wiederkehrend, wiederholt wird.
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Eine das Maschinenelement 2 bewegende Antriebsvorrichtung 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Motor mit einer Antriebsachse 5, die orthogonal zu der Drehachse 3 steht. Die Antriebsvorrichtung 4 ist an einem L-förmigen Rahmen 6 durch Schrauben befestigt, wobei die Antriebsvorrichtung 4 und ein von der Antriebsvorrichtung 4 in einer Drehbewegung um die Antriebsachse 5 angetriebenes erstes Zahnrad 7 auf verschiedenen Seiten des Rahmens 6 angeordnet sind, jedoch drehfest miteinander verbunden sind.
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Mit dem Maschinenelement 2 verbunden ist eine Übertragungsvorrichtung, die eine von der Antriebsvorrichtung 4 um die Antriebsachse 5 hervorgerufene Rotation in die Hubbewegung und die Drehbewegung des Maschinenelements 2 umwandelt, Die Übertragungsvorrichtung umfasst hierbei erste, mit der Antriebsachse 5 in Verbindung stehende Übertragungsmittel 8 für den Hub und zweite Übertragungsmittel 9 für die Drehung. Die ersten Übertragungsmittel 8 umfassen ein Antriebsrad 10, welches ebenfalls als Zahnrad ausgebildet ist, und über einen Zahnriemen 11 mit dem ersten Zahnrad 7 der Antriebsvorrichtung 4 verbunden ist, sowie eine Pleuelstange 12 und ein Synchronrad 17. Eine durch die Antriebsvorrichtung 4 angetriebene Rotation des ersten Zahnrads 7 wird durch den Zahnriemen 11 somit auf das Antriebszahnrad 10 übertragen. Das erste Zahnrad 7 und das Antriebszahnrad 10 weisen hierbei zur Einstellung eines Übersetzungsverhältnisses unterschiedliche Größen auf. Das Antriebszahnrad 10 wird somit durch die Antriebsvorrichtung 4 um eine zu der Antriebsachse 5 parallel verlaufende Achse 35 rotiert.
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Die Achse 35 steht senkrecht auf der Drehachse 3 und schneidet diese oberhalb des Maschinenelements 2. Der Schnittpunkt liegt außerhalb der Bauteile der Antriebseinrichtung 1. Das Antriebszahnrad 10, der Zahnriemen 11 und das erste Zahnrad 7 befinden sich auf der gleichen Seite des Rahmens 6. Der Zahnriemen 11 ist aus Gummi oder Kunststoff und weist nur auf einer auf dem ersten Zahnrad 7 und dem Antriebsrad 10 aufliegenden Seite Zähne auf, kann jedoch auch auf einer nicht aufliegenden Seite Zähne aufweisen. An dem Antriebszahnrad 10 ist exzentrisch die Pleuelstange 12 angebracht. Das Antriebszahnrad 10 und die Pleuelstange 12 bilden somit einen Pleuelantrieb für das Maschinenelement 2. Die Pleuelstange 12 ist hierzu über ein Verbindungsstück 13 mit dem oberen Ende des Maschinenelements 2 verbunden, wobei die Pleuelstange 12 um eine Achse 14 des Verbindungsstücks 13 drehbar gelagert ist. Die Achse 14 ist an dem Verbindungsstück 13 befestigt und erlaubt eine Bewegung der Pleuelstange 12 in einer Aussparung des Verbindungsstücks 13.
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Das Maschinenelement 2 ist im unteren Teil des Verbindungsstücks 13 drehbar in diesem gelagert. Hierfür ist ein in 1 nicht sichtbares Kugellager in dem Verbindungsstück 13 enthalten, welches das Ende des Maschinenelements 2 aufnimmt, wobei dieses Ende einen größeren Durchmesser als das restliche Maschinenelement 2 aufweist. Das Verbindungsstück 13 wird durch eine Linearführung 15 geführt. Die Linearführung 15 umfasst einen Schlitten, der an einer dem Rahmen 6 zugewandten Seite eine Nut aufweist, die auf einer an dem Rahmen 6 angebrachten Schiene 16 geführt wird. Die Schiene 16 läuft hierbei parallel zu der Drehachse 3. Das Antriebszahnrad 10 der ersten Übertragungsmittel 8 ist drehfest mit dem Synchronrad 17 verbunden. Das Antriebsrad 10 und das Synchronrad 17 befinden sich hierbei auf verschiedenen Seiten des Rahmens 6. Eine durch die Antriebsvorrichtung 4 angetriebene Rotation des Antriebsrades 10 wird hierdurch auch auf das Synchronrad 17 übertragen.
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Die zweiten Übertragungsmittel 9 umfassen ein um die Drehachse 3 drehbares Zahnrad 18, welches an dem Rahmen 6 an einem kürzeren Teil der L-Form befestigt ist. Das Zahnrad 18 ist um 90° gegenüber dem Antriebsrad 10, dem ersten Zahnrad 7 und dem Synchronrad 17, welche parallel zueinander angeordnet sind, gedreht. Die ersten Übertragungsmittel 8 und die zweiten Übertragungsmittel 9 stehen an verschiedenen Stellen mit dem Maschinenelement 2 in Verbindung. Die ersten Übertragungsmittel sind, ebenso wie die Linearführung 15, an einem längeren Teil der L-Form des Rahmens 6 angeordnet. Das Zahnrad 18 weist mittig eine Aussparung auf, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kugelbuchse, in der das Maschinenelement 2 gleitend gelagert ist. Das Zahnrad 18 ist mit dem Maschinenelement 2 jedoch drehfest verbunden. Das Maschinenelement 2 weist zur drehfesten Verbindung eine an seiner Außenseite über seine komplette Länge sich erstreckende seitliche Aussparung 19 auf. In diese seitliche Aussparung 19 greift ein in den Durchgang weisender Vorsprung, der die drehfeste Verbindung herstellt. Dieser Vorsprung ist im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kugelreihe der Kugelbuchse. Die Kugelreihe ist fest in der Kugelbuchse gelagert, jedoch rotierbar, so dass das Maschinenelement 2 darauf gleiten kann. Die Kugelbuchse selbst ist fest mit dem Zahnrad 18 verbunden und wird mit diesem mitgedreht.
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Die ersten Übertragungsmittel 8 und die zweiten Übertragungsmittel 9 sind über eine Umlenkvorrichtung 36 in Kontakt miteinander. Die Umlenkvorrichtung 36 umfasst einen verwundenen Riemen 20 sowie eine Umlenkrolle 21. Der verwundene Riemen 20 ist wiederum ein Zahnriemen aus Gummi oder Kunststoff, der das Synchronrad 17 mit dem Zahnrad des zweiten Übertragungsmittels 18 verbindet. Die Umlenkrolle 21 der Umlenkvorrichtung 36 führt den verwundenden Riemen 20 um eine Umlenkachse 22 und ist an dem Knick des L-förmigen Rahmens 6 angebracht und an dem Rahmen 6 befestigt. Die Umlenkachse 22 steht sowohl senkrecht auf der Drehachse 3 als auch senkrecht auf der Antriebsachse 5 und ist daher die Flächennormale einer von der Achse 35 und der Drehachse 3 aufgespannten Fläche. Die Hubbewegung und die Drehbewegung des Maschinenelements 2 sind entkoppelt, da sie durch das erste Übertragungsmittel 8 bzw. das zweite Übertragungsmittel 9 hervorgerufen werden. Die Umlenkvorrichtung 36 synchronisiert diese beiden Bewegungen jedoch miteinander, so dass einer bestimmten Position des Maschinenelements 2 während der Hubbewegung eine korrespondierende Position der Drehbewegung zugeordnet ist.
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Das Synchronrad 17 wirkt als Schwungmasse, welche die Bewegung der zweiten Übertragungsmittel 9 antreibt. Eine Drehung des Antriebsrads 10 bzw. des Synchronrads 17 um 360° erzeugt hierbei einen Vollhub des Maschinenelements 2, also ein Durchlaufen einer kompletten Periode der Hubbewegung, und eine Rotation des Maschinenelements 2 um ebenfalls 360°. Der Vollhub des Maschinenelements 2 kann auch durch Drehung des Antriebsrads 10 bzw. des Synchronrads 17 um 180° in eine erste Richtung und nachfolgendes Drehen des Synchronrads 17 um 180° in eine der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung erreicht werden. Das Maschinenelement 2 führt in diesem Fall eine reversierende Drehbewegung aus, d. h. bei der ersten Drehung des Synchronrads 17 um 180° wird das Maschinenelement 2 nach rechts gedreht (beispielsweise ebenfalls um 180°), um anschließend die gleiche Strecke nach links gedreht zu werden. Es können selbstverständlich auch Drehungen um von 180° verschiedene Winkel durchgeführt werden. Das Zahnrad 18, das Synchronrad 17, das Antriebsrad 10, die Pleuelstange 12, der Rahmen 6, die Linearführung 15 und das erste Zahnrad 7 sind aus Metall, können jedoch auch aus Kunststoff bestehen.
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In 2 ist die in 1 dargestellte Antriebseinrichtung 1 in einer seitlichen Ansicht dargestellt. Gleiche Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Antriebseinrichtung 1 ist in dieser Figur von der Seite des Rahmens 6 gezeigt, auf der die Linearführung 15 angeordnet ist. In dieser Darstellung ist zu erkennen, dass die Drehachse 3 zentral zu dem Antriebszahnrad 10 verläuft und daher die in 2 aufgrund der Darstellungsweise nicht sichtbare Achse 35, um die das Antriebszahnrad 10 gedreht wird, und die Drehachse 3 einen Schnittpunkt unter einem Winkel von 90° zueinander haben. Das Antriebszahnrad 10 und das erste Zahnrad 7 sind auf gleicher Höhe an dem Rahmen 6 angeordnet. Die Befestigung der Pleuelstange 12 an der Linearführung 15 durch die Achse 14 wird entlang der Drehachse 3 bewegt.
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In 3 ist in einer gegenüber 2 um 90° um die Drehachse 3 gedrehten seitlichen Darstellung die Antriebseinrichtung 1 gezeigt. Der Rahmen 6 ist nun nicht in Aufsicht, sondern in einer seitlichen Darstellung gezeigt, so dass auf beiden Seiten des Rahmens 6 befindliche Bauteile sichtbar sind und die L-Form des Rahmens 6 deutlich wird. Die Antriebsvorrichtung 4, das Synchronrad 17, der verwundene Riemen 20, die Umlenkrolle 21 und das Zahnrad 18 befinden sich auf einer ersten Seite des Rahmens 6, während der Antriebsriemen 11, das Zahnrad 10, die Pleuelstange 12, die Linearführung 15 sich auf einer anderen Seite des Rahmens 6 befinden. Das Maschinenelement 2 ist durch den Durchgang des zweiten Übertragungsmittels 9 geführt und befindet sich somit auf jeder der beiden Seiten des Rahmens 6. Der verwundene Riemen 20 wird durch die Umlenkrolle 21 um 90° umgelenkt. Somit steht auch das Zahnrad 18 im rechten Winkel zu dem Synchronrad 17 und dem Antriebszahnrad 11. Die Verwindung des verwundenen Riemens 20 erfolgt hierbei auf jeder der beiden Seiten der Umlenkrolle 21, also sowohl zwischen der Umlenkrolle 21 und dem Zahnrad 18 als auch zwischen der Umlenkrolle 21 und dem Synchronrad 17.
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In 4 ist die in 1 dargestellte Antriebseinrichtung 1 mit einer Erweiterung dargestellt. Das Maschinenelement 2 ist über eine Buchse 23 als Kupplungsstück verdrehgesichert, also drehfest, mit einem Kolben 24 aus Keramik verbunden. Die Buchse 23 weist hierbei eine Schraubverbindung sowohl mit dem Maschinenelement 2 als auch mit dem Kolben 24 auf. Selbstverständlich kann auch das Maschinenelement 2 bereits als entsprechender Kolben 24 ausgeführt sein. Ein freies Ende des Kolbens 24 wird in einer Zylinderkammer 28 geführt. Die Zylinderkammer 28 weist zwei Öffnungen auf, einen Eingang 26 und einen Ausgang 27, die in ihren Abmessungen übereinstimmen, und durch die ein mittig in der Zylinderkammer 28 befindlicher Zylinderraum 25 mit einer Flüssigkeit be- und entfüllt werden kann. Der Eingang 26 und der Ausgang 27 können natürlich auch unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Der Kolben 24 verschließt den Zylinderraum 25 nach oben. Der Eingang 26 und der Ausgang 27 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Zylinderraums 25 einander gegenüberliegend auf gleicher Höhe angebracht.
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Der Kolben 24 weist an seinem freien Ende eine Aussparung 29 auf, die durch Abfräsen eines Teils des freien Endes gebildet wird. Der Kolben 24, und somit auch die Aussparung 29, werden durch die Drehbewegung in dem Zylinderraum 25 rotiert. Hierbei überstreicht die Aussparung 29 abwechselnd den Ausgang 27 und den Eingang 26. Durch die Kombination dieser Drehbewegung mit der Hubbewegung wird eine ventillose Kolbenpumpe für ein Laboranalysegerät verwirklicht. Der Kolben 24 wird dabei derart bewegt, dass, wenn die Aussparung 29 an dem Eingang 26 liegt und den Eingang 26 somit zu der Aussparung 29 öffnet, eine Aufwärtsbewegung des Kolbens 24 durchgeführt wird. Hierdurch kann eine Flüssigkeit, beispielsweise ein zu analysierender biologischer Stoff, durch das sich vergrößernde Volumen des Zylinderraums 25 aufgenommen werden. Währenddessen liegt der nicht ausgesparte Teil des Kolbens 24 bündig an dem Ausgang 27 an und verhindert ein Verlassen der Flüssigkeit aus dem Zylinderraum 25. Sobald die Aussparung 29 den Eingang 26 verschließt und der Ausgang 27 zu der Aussparung 29 hin geöffnet ist, dreht auch die Hubbewegung ihre Bewegungsrichtung um und verkleinert das Volumen des Zylinderraums 25. Hierdurch wird die darin geführte Flüssigkeit durch den Ausgang 27 befördert, der in der Zylinderkammer 28 bewegte Kolben 24 wirkt somit wie ein Ventil für die Kolbenpumpe. Das Volumen des Zylinderraums 25 erlaubt somit das Pumpen von wässrigen Lösungen mit einem Volumen von 10 μl bis 20 ml mit einem Kolbenhub. Als Totvolumen, also als Volumen, welches permanent mit Flüssigkeit gefüllt ist, die nicht gepumpt werden kann, verbleibt lediglich das Volumen der Aussparung 29.
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5 stellt eine weitere Ausführungsform der in 4 beschriebenen Kolbenpumpe dar. Das Maschinenelement 2 ist wiederum über die Buchse 23 mit dem Kolben 24 verbunden, welcher mit dem freien Ende in einer Zylinderkammer 28 geführt ist. Die Zylinderkammer 28 weist nun jedoch insbesondere sechs Öffnungen auf, drei Eingänge 26 und drei den Eingängen gegenüberliegende Ausgänge 27, welche in ihren Abmessungen übereinstimmen. Die Eingänge 26 und die Ausgänge 27 sind hierbei wie bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel auf gleicher Höhe in der Zylinderkammer 28 angeordnet. Das freie Ende des Kolbens 24 weist nun jedoch statt der Aussparung 29 eine Längsnut 30 auf, deren Breite gerade einem Durchmesser der Eingänge 26 bzw. der Ausgänge 27 entspricht. Das Prinzip der in 5 dargestellten Pumpe ist identisch zu dem der in 4 dargestellten. Befindet sich die Längsnut 30 einem der Eingänge 26 deckungsgleich gegenüber und öffnet diesen somit zu der Aussparung 29 und den damit verbundenen Zylinderraum 25 hin, wird durch die aufwärts gerichtete Hubbewegung des Kolbens 24 Flüssigkeit in den Zylinderraum 25 aufgenommen, der Kolben 24 gedreht, bis er einem der Ausgänge 27 gegenüberliegt, und durch eine abwärts gerichtete Hubbewegung die in dem Zylinderraum 25 enthaltene Flüssigkeit durch den Ausgang 27 entleert. Durch die Vielzahl von Eingängen 26 und Ausgängen 27 können nun mehrere Flüssigkeiten, die an jeweils einem der Eingänge 26 anliegen, in einem Aufwärtshub aufgenommen sowie miteinander gemischt werden und durch jeweils einen der Ausgänge 27 bei einem Abwärtshub abgegeben werden. Die Längsnut 30 verringert zudem gegenüber der Aussparung 29 das Totvolumen der Pumpbewegung. Selbstverständlich können statt drei Eingängen 26 und drei Ausgängen 27 auch mehr oder weniger als drei derartige Öffnungen vorgesehen sein.
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In 6 ist in einer 3 entsprechenden Darstellung die Antriebseinrichtung 1 dargestellt. An dem freien Ende des Maschinenelements 2 ist nun jedoch ein Probenkorb 31 aus Metall oder Kunststoff befestigt. Die Befestigung erfolgt hierbei stoffschlüssig durch eine Schweißverbindung, kann jedoch auch eine Schraubverbindung zum leichteren Austausch des Probenkorbs 31 umfassen. Der Probenkorb 31 ist drehzentral an dem Maschinenelement 2 angebracht und wird durch das Maschinenelement 2 sowohl gedreht als auch angehoben und abgesenkt. Der Probenkorb 31 dient als Schwungmasse dieser Bewegung, sodass die in 6 nicht dargestellte Antriebsvorrichtung 4 in ihrer Leistung kleiner ausgelegt werden kann. In dem Probenkorb 31 befinden sich mehrere Probenröhrchen 32 (im dargestellten Ausführungsbeispiel zwölf, von denen aufgrund der seitlichen Ansicht jedoch nur sechs sichtbar sind) aus Glas, Metall oder Kunststoff, die radial um die Drehachse 3 angeordnet sind. Hierzu weist der Probenkorb 31 an einer der Antriebsvorrichtung 1 abgewandten Unterseite Aufnahmen für die Probenröhrchen 32 auf. Die Unterseite 36 ist durch in ihrer Höhe einstellbare Abstandshalter 37 von einer Oberseite 38 des Probenkorbs 31 beabstandet. Die Abstandshalter 37 sind fest mit der Unterseite 36 verbunden und können bajonettartig in die Oberseite 38 eingehängt werden. Zwischen der Unterseite 36 und der Oberseite 38 sind zwei Zwischenplatten 39 angeordnet, die ebenfalls Aufnahmen für die Proberöhrchen 32 aufweisen. Die Probenröhrchen 32 sind an beiden Enden verschließbar, vorzugsweise jedoch an ihrem unteren Ende geschlossen und somit nur an ihrem oberen, dem Maschinenelement 2 zugewandten Ende zu öffnen und zu verschließen. In den verschlossenen Probenröhrchen 32 befinden sich Stahlkugeln 33, welche auch als ”beads” bezeichnet werden, und biologisches oder chemisches Probenmaterial 34. Durch die Dreh- und Hubbewegung werden die Stahlkugeln 33 und das Probenmaterial 34 durch die Fliehkräfte zunächst an den Rand der Probenröhrchen 32 gedrängt und durch die Hubbewegung in periodisch wechselnde Richtungen beschleunigt. Die Stahlkugeln 33 weisen eine größere Masse als das biologische oder chemische Probenmaterial 34 auf. Durch die ihre Richtung ständig wechselnde Beschleunigung stoßen die Stahlkugeln 33 sowohl gegeneinander als auch gegen das Probenmaterial 34 und zerkleinern und homogenisieren dieses hierdurch. Die Drehbewegung erfolgt vorzugsweise zum effizienteren Homogenisieren des Probenmaterials 34 in Form einer reversierenden Drehbewegung, bei der mit dem Vollhub des Maschinenelements 2 dieses um einen definierten Winkel nach rechts und nach links gedreht wird. Zur mechanischen Stabilisierung ist die Antriebsvorrichtung 1 über den Rahmen 6 an einem Halter 40, welcher auf einem Fuß 41 angebracht ist, befestigt. Der Halter 40 und der Fuß 41 sind aus Metall. Außerdem ist die Linearführung 15 sowie Teile des Maschinenelements 2 und des Pleuels 12 unter einer Abdeckung 42 aus Kunststoff oder Metall verborgen, damit diese beweglichen Teile vor ungewollter Beschädigung geschützt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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