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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einem mechanisch bewirkten sanften Anlauf, insbesondere für einen Treppensteigmechanismus. Derartige Treppensteigmechanismen können z. B. zum Transport von Personen in Rollstühlen oder andere Lasten über eine Treppe verwendet werden, wobei eine Bedienperson zum Betrieb des Treppensteigmechanismus notwendig ist.
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Hintergrund
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Aus der Publikation
DE 10 2011 005 550 A1 ist eine Treppensteigvorrichtung bekannt. Ein wesentliches Merkmal für den Betrieb von Treppensteigvorrichtungen mit einem Rollstuhl sind die Hubgeschwindigkeit und der Komfort während der Bewegung in vertikaler sowie in horizontaler Richtung. Im Hinblick auf die Hubgeschwindigkeit (vertikale Bewegung) ist es wünschenswert, dass die Höhe einer Stufe sehr schnell überwunden wird, was sich aber negativ auf den Komfort des Passagiers auswirkt, da mit einer schnellen Hebe- bzw. Senkbewegung ein entsprechend starker Ruck beim Anfahren der Vorrichtung sowie beim Aufsetzen auf die Stufe verbunden ist. Bei der horizontalen Bewegung sollte vor Allem der Komfort für den Bediener des Treppensteiger gesteigert werden, damit er nicht selbst die Kraft für die horizontale Bewegung aufbringen muss.
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Allgemein haben Hubeinrichtungen bekannter Treppensteigvorrichtungen den Nachteil, dass der Rollstuhl vor dem Absenken auf eine tiefere Stufe jedes mal angehoben (und umgekehrt nach dem Heben auf die nächsthöhere Stufe wieder abgesenkt) wird, was von der im Rollstuhl sitzenden Person als unangenehm empfunden wird, und für den Antrieb der Hubeinrichtung einen höheren Energieaufwand bedeutet. Für die Hub- und Senkbewegung können Lineareinheiten verwendet werden, welche zur Erzeugung einer Linearbewegung einen Elektromotor und ein Spindelgetriebe verwenden. Beim Einschalten des Motors steigt die Motordrehzahl rasch auf die Nenndrehzahl an und die resultierende Linearbewegung setzt ruckartig ein. Um diesen Ruck möglichst klein zu halten, muss die Motordrehzahl auf einen Wert begrenzt werden, der nur geringe Lineargeschwindigkeiten zulässt. Alternativ müsste ein sanfter Anlauf der Linearbewegung durch eine Motordrehzahlregelung erreicht werden, was jedoch eine aufwändige und teure Variante darstellt und aus Kostengründen oft nicht in Frage kommt. Da Lineareinheiten sich nur entlang einer Achse bewegen können, ist zudem eine Mechanik für die Umsetzung einer vertikalen Bewegung des Linearantriebes in eine horizontale Bewegung erforderlich.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht also darin, einen Linearantrieb zu schaffen, der bei hohen Nenngeschwindigkeiten einen sanften Anlauf der Linearbewegung ermöglicht. Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Schaffung einer Treppensteigvorrichtung, welche eine sanfte und möglichst wenig ruckelnde Bewegung über die Treppe ermöglicht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Dieses Problem wird durch einen Linearantrieb gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Treppensteigvorrichtung gemäß den Ansprüchen 4 und 5 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Linearantriebsvorrichtung. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst die Linearantriebsvorrichtung eine Lineareinheit, die dazu ausgebildet ist, eine translatorische Bewegung einer Antriebsstange zu bewirken, ein Gehäuse mit einer darin angeordneten Kulisse für eine Kulissenführung, ein in der Kulisse geführtes Gleitstück sowie ein Koppelelement, welches mit dem Gleitstück mechanisch gekoppelt ist. Das Gleitstück ist relativ zum Koppelelement verdreh- oder schwenkbar. Des weiteren ist eine den Abtrieb der Antriebsvorrichtung bildendes Abtriebselement vorgesehen, wobei das Gleitstück und das Koppelelement das Antriebselement und das Abtriebselement mechanisch verbinden, so dass die Bewegung der Antriebsstange auf das Abtriebselement übertragen werden kann. Die Kulisse verläuft in einem mittleren Bereich parallel zur Bewegungsrichtung der Antriebsstange und in an den mittleren Bereichen anschließenden Randbereichen schräg zur Bewegungsrichtung.
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Auf diese Weise wird in den Randbereichen der Kulisse eine Verdrehung oder Verkippung des in der Kulisse geführten Gleitstücks bewirkt, wodurch die translatorische Bewegung der Antriebsstange zumindest teilweise kompensiert und nicht auf das Abtriebselement übertragen wird. Im mittleren Bereich der Kulisse wird eine Relativbewegung zwischen Gleitstück und Koppelelement durch die Kulisse verhindert, wodurch die translatorische Bewegung der Anstriebsstange auf das Abtriebselement ungehindert übertragen wird.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einer Treppensteigvorrichtung. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist eine solche folgendes auf: einen Rahmen, an dem eine Last, insbesondere ein Rollstuhl, montierbar ist, eine an dem Rahmen montierte Linearantriebsvorrichtung und einen von der Linearantriebsvorrichtung angetriebenen Stützfuß, der derart gelagert ist, dass er in Bezug auf den Rahmen schwenkbar ist. Des weiteren ist ein Kurbeltrieb oder eine Kulissenführung vorgesehen, mit deren Hilfe der Stützfuß am Rahmen derart geführt wird, dass dieser bei einer von der Linearantriebsvorrichtung bewirkten Hebe-/Senkbewegung gleichzeitig eine Schwenkbewegung quer zur Hebe-/Senkbewegung durchführt.
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Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung kann die Treppensteigvorrichtung eine in oder an dem Rahmen angeordnete Kulisse aufweisen. Diese umfasst zwei Teilkulissen, die jeweils vor der oberen bzw. unteren Endposition zusammenlaufen. An dem Stützfuß ist zumindest ein Zapfen befestigt, der als Kulissenstein in der Kulisse geführt wird, wobei bei einer Abwärtsbewegung des Stützfußes der Zapfen durch den jeweils anderen Kulissenteil geführt wird als bei einer Aufwärtsbewegung, um so die Schwenkbewegung des Stützfußes zu bewirken.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Die Erfindung wird in der Folge unter Bezugnahme auf die folgenden Abbildungen näher erläutert. Die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele sind dabei nicht als Einschränkung in Bezug auf die vorliegende Erfindung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip zu erläutern. In den in den Abbildung dargestellten Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten bzw. Signale mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
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1 zeigt ein Beispiel einer Linearantriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 dient zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung aus 1 anhand einer Darstellung von Teilen der Vorrichtung in unterschiedlichen Positionen;
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3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Linearantriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt anhand einer einfachen Skizze die Anwendung einer erfindungsgemäßen Linearantriebsvorrichtung als Stützfuß einer Treppensteigvorrichtung gemäß einem Beispiel der Erfindung, wobei die Vorwärtsbewegung mit Hilfe eines Kurbeltriebs realisiert wird;
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5 zeigt die Geschwindigkeit der Treppensteigvorrichtung in Längsrichtung des Stützfußes;
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6 zeigt eine Kulissenführung zur Realisierung einer Vorwärtsbewegung der Treppensteigvorrichtung als Alternative zu dem Kurbeltrieb aus 4;
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7 zeigt eine Sequenz von (Zwischen-)Positionen der Treppensteigvorrichtung beim Aufstieg über eine Treppe; und
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8 zeigt eine Sequenz von (Zwischen-)Positionen der Treppensteigvorrichtung beim Abstieg über eine Treppe.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie eingangs bereits erläutert, können für die Realisierung von Treppensteigvorrichtungen, insbesondere zum Transport von Personen in Rollstühlen, aber auch zum Transport anderer Lasten (z. B. Möbelstücke) durch ein Treppenhaus, Lineareinheiten eingesetzt werden, um die notwendige Hub- und Senkbewegung zu ermöglichen. Um während der Hebens und Senkens der Treppensteigvorrichtung eine zügige Bewegung der Vorrichtung zu ermöglichen, muss die Lineareinheit (Elektromotor plus Spindelgetriebe) eine entsprechend schnelle Linearbewegung gewährleisten, beispielsweise Geschwindigkeiten von 50 mm/s und mehr. Um den Ruck beim Einschalten der gesamten Antriebsvorrichtung möglichst gering zu halten, ist ein ”sanfter Anlauf” der Hub- bzw. Senkbewegung notwendig. Dies wird gemäß den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung durch eine einfache mechanische Konstruktion der Kraft- und Bewegungsübertragung von der Lineareinheit (Antrieb) auf die angetriebene Stange (Abtrieb), die einen Teil des Stützfußes der Treppensteigvorrichtung sein kann, erreicht.
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1 zeigt in vier Ansichten (Draufsicht in 1a, Ansicht in 1b, Schnittdarstellung in 1c, Detaildarstellung in 1d) ein Beispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, die konstruktionsbedingt (d. h. durch die Verwendung eines speziell ausgebildeten Getriebes im allgemeinen Sinne) einen sanften Anlauf der abtriebsseitigen Linearbewegung gewährleistet. Die verwendete Lineareinheit (in 1 als Motor M bezeichnet) kann dabei im Wesentlichen nur zwei unterschiedliche Geschwindigkeiten erzeugen (nämlich ±vMAX, d. h. die Nenngeschwindigkeit in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung). Diese Geschwindigkeiten hängen wiederum nicht (oder nur in vernachlässigbar geringem Ausmaß) von der Kraft ab, welche die Lineareinheit aufbringen muss.
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Das in 1 dargestellte Beispiel zeigt eine Lineareinheit M (z. B. mit Elektromotor und Spindelgetriebe), die mit einer Zahnstange Z mechanisch derart gekoppelt ist, dass die von der Lineareinheit M erzeugte Bewegung (Geschwindigkeit ±vMAX) auf die Zahnstange Z übertragen wird. Als ”Zahnstange” ist in diesem Zusammenhang jedes längliche Maschinenelement zu verstehen, das Nuten oder Ausnehmungen quer zur Längsrichtung aufweist, die so geformt sind, dass zwei parallele Streben 15 eines Gleitstücks G in diese Nuten eingreifen können. Auf diese Weise kann die Zahnstange Z das Gleitstück G in Bewegungsrichtung ”mitnehmen”. Das Gleitstück G wird also über die Bewegung der Zahnstange Z angetrieben.
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Das Gleitstück G wird mit Hilfe von Zapfen oder Rollen 11 in einer Kulisse K geführt, die in einer Gehäusewand angeordnet ist. Das Gleitstück G dient damit auch als Kulissenstein und die Form der Kulisse K erzwingt die Bewegungsrichtung des Gleitstücks G. Die Bewegung des Gleitstücks G ist in der Seitenansicht (1b) zu sehen. Das Gleitstück G kann sich in und gegen die mit x bezeichnete Richtung bewegen. Die Lage des Gleitstücks wird durch die Position der seitlich am Gleitstück angeordneten Zapfen bzw. der Rollen 11 festgelegt. Das Gleitstück kann von einer ersten Endposition E1 (Lineareinheit eingefahren) bis zu einer zweiten Endposition E2 (Lineareinheit ausgefahren) verschoben werden. Zwischen den zwischen diesen Endpositionen E1 und E2 liegenden Zwischenpositionen Z1 und Z2 verläuft die Kulisse K im wesentlichen parallel zu der Zahnstange Z und damit parallel zur Verschiebung der Lineareinheit M. In diesem Bereich hat das Gleitstück G bei eingeschalteter Lineareinheit M eine Geschwindigkeit von v = vMAX oder v = –vMAX (je nach Drehrichtung des Motors).
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In den Randbereichen der Kulisse K, d. h. zwischen den Positionen E1 und Z1 sowie Z2 und E2, verläuft die Kulisse nicht mehr parallel zum Verschiebeweg der Lineareinheit M, sondern schräg. Die Geschwindigkeitskomponente des Gleitstücks in x-Richtung (in Richtung der Längsachse der Lineareinheit) beträgt in diesen Randbereichen dann v = ±vMAX·cos(φ), wobei der Winkel φ jener Winkel ist, um den das Gleitstücks G relativ zur Längsachse der Lineareinheit verkippt ist. Durch die Form der Kulisse hebt das Gleitstück G in den Randbereichen der Kulisse teilweise von der Zahnstange Z ab. Dieser Effekt sowie die Funktion des Getriebes mit ”sanftem Anlauf wird in der Folge unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert.
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In 1d ist ein Beispiel des Gleitstücks G detaillierter dargestellt. Die zwei Streben 15, die in entsprechende Nuten (bzw. zwischen jeweils zwei Zahnflanken) der Zahnstange Z eingreifen können, sind parallel zueinander angeordnet, und deren Stirnseiten sind über Verbindungsstücke 16 verbunden. Verbindungsstücke 16 und die Streben 15 bilden – in der Draufsicht – eine im Wesentlichen rechteckige Anordnung. Parallel zu den Streben 15 und beispielsweise symmetrisch zwischen diesen sind an den Außenseiten der Verbindungsstücke 16 zwei Zapfen oder Rollen 11 angeordnet, die in die Kulissen K eingreifen, wodurch das Gleitstück G in der Kulisse geführt wird.
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In den 2a bis 2c ist die (durch die Zahnstange Z und die Kulisse K erzwungene) Bewegung des Gleitstücks G detaillierter dargestellt. 2a zeigt in einem Diagram den Verlauf der Geschwindigkeit v des Gleitstücks G in x-Richtung (Richtung der Längsachse des Linearantriebs). Zwischen der Endposition E1 und der ersten Zwischenposition Z1 (d. h. im linken Randbereich der Kulisse K) steigt die Geschwindigkeit von Null allmählich auf den Maximalwert vMAX an. Die Geschwindigkeit bleibt dann zwischen den beiden Zwischenpositionen Z1 und Z2 konstant auf dem Wert vMAX und fällt dann zwischen der zweiten Zwischenposition Z2 und der zweiten Endposition E2 (d. h. im rechten Randbereich der Kulisse K) allmählich wieder auf Null ab. 2b zeigt den korrespondierenden Verlauf der Kulisse K in einer Gehäusewand der Antriebsvorrichtung. (vgl. 1). In den Randbereichen der Kulisse K verläuft diese in einem Winkel φ zur (in der Abbildung horizontalen) Längsachse der Lineareinheit. Die 2c zeigt die dazugehörigen Positionen des Gleitstücks G in drei unterschiedlichen Positionen, nämlich in der ersten Endposition E1 (obere Skizze der 2c), in einer mittleren Position (mittlere Skizze in 2c) und in einer zweiten Endposition (untere Skizze in 2c). In der mittleren Position liegen beide Streben 15.1 und 15.2 des Gleitstücks 3 in korrespondierenden Nuten oder, anders ausgedrückt, zwischen jeweils zwei Zahnflanken der Zahnstange Z. Die Geschwindigkeit der Zahnstange hat in jeder Position immer den Wert vMAX. In der mittleren Position ist das Gleitstück G vollständig formschlüssig mit der Zahnstange gekoppelt und hat folglich ebenfalls die Geschwindigkeit vMAX. Nähert sich das Gleitstück (bei einer Bewegung nach rechts der zweiten Endposition E2 (siehe untere Skizze in 2c) wird die Strebe 15.2 allmählich aufgrund der Führung in der Kulisse K von der Zahnstange abgehoben während die andere, gegenüberliegende Strebe 15.1 an der Zahnstange Z anliegt. Das Gleitstück G ”kippt” also gegen den Uhrzeigersinn und die effektive Geschwindigkeit in x-Richtung (Längsachse der Lineareinheit) sinkt zunehmend bis auf den Wert Null. In diesem Moment (in dem die Geschwindigkeit Null wird) ist das Gleitstück G um φ = 90° verkippt im Vergleich zu seinem ”Normalzustand” außerhalb der Randbereiche der Kulisse K. Bei einer Bewegung in die oder aus der gegenüberliegenden Endposition E1 verhält sich das Gleitstück spiegelbildlich. Fährt (beim Rückwärtsfahren) das Gleitstück in den linken Randbereich der Kulisse kippt es im Uhrzeigersinn um bis zu φ = –90° In dieser Lage ist die Geschwindigkeit des Gleitstücks G gleich Null. Beim erneuten Ausfahren der Zahnstange steigt die Geschwindigkeit langsam bis auf den Wert vMAX an und das Gleitstück G kippt gegen den Uhrzeigersinn wieder in eine Position parallel zur Zahnstange wie in der mittleren Skizze der 2c dargestellt. Die aktuelle Geschwindigkeit des Gleitstücks G in Längsrichtung berechtet sich wie erwähnt v = vMAX·cos(φ), und folglich ist die Momentangeschwindigkeit bei φ = ±90° gleich Null.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist in 3 dargestellt, wobei 3a eine Schnittdarstellung durch die zylinderförmige Vorrichtung ist, 3b eine ”abgerollte” Darstellung der Zylindermantelfläche. Der grundsätzliche Aufbau der Antriebsvorrichtung gemäß 3 ist ähnlich wie bei dem Beispiel aus 1. Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht darin, dass es sich bei der Antriebsvorrichtung gemäß 3 um eine zylinderförmige Vorrichtung handelt und der Aufbau des Gleitstück G einfacher gestaltet ist. Die Zahnstange Z ist in diesem Beispiel durch eine Gewindestange (Kolbenstange 13 mit Gewinde 12 am Ende) ersetzt.
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In der zylindrischen Gehäusewand sind zwei kongruente, S-förmige Kulissen K um 180° versetzt angeordnet. Die Mantelfläche des Zylinders mit den darin angeordneten Kulissen K sind in 3b dargestellt. 3a zeigt einen Längsschnitt durch die Vorrichtung. Das Gehäuse wird im Wesentlichen durch ein Rohr 10 gebildet, wobei an einem Ende des Rohrs (am Rohr oder im Rohr) eine Lineareinheit (Motor M) angeordnet ist. Die Lineareinheit M ist dazu ausgebildet eine Antriebsstange A in axialer Richtung mit einer Geschwindigkeit +vMAX oder –vMAX zu verschieben. Die Antriebstange A führt die von der Lineareinheit vorgegebene Linearbewegung aus, ist aber nicht gegen ein Verdrehen um die eigene Achse gesichert. An dem dem Motor gegenüberliegenden Ende der Antriebsstange A ist die Stange mit dem Gleitstück mechanisch starr (z. B. formschlüssig und/oder kraftschlüssig) gekoppelt. Alternativ kann auch die Antriebsstange A verdrehsicher gelagert sein und das Gleitstück G axial drehbar mit der Anriebsstange A verbunden. Wichtig ist nur, dass das Gleitstück G axial verdrehbar ist (sofern die Kulisse dies zulässt). Das Gleitstück G besteht im vorliegenden Fall nur aus einem Bolzen B mit einem Rollenpaar 11, welche in den Kulissen K geführt sind. Das Gleitstück G wird von der Antriebsstange der Lineareinheit M angetrieben, beispielsweise ist das Gleitstück durch ein Auge am Ende der Antriebsstange A geführt. Das Gleitstück G kann zusammen mit der Antriebsstange A keine Torsionsmomente aufnehmen, d. h. beide Teile sind um eine Längsachse verdrehbar gelagert ist.
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Das Gleitstück G umfasst des weiteren eine Hülse H mit Innengewinde, in das eine als Kolbenstange bezeichnete weitere Stange 13 eingeschraubt ist. Diese Kolbenstange fungiert als Abtrieb und ist an einem Ende des zylinderförmigen Gehäuses (Rohr 10) nach außen geführt. Des Weiteren ist die Kolbenstange 13 gegen ein verdrehen gegen das Rohr 10 gesichert (verdrehsichere Führung 14 der Kolbenstange 13 im Rohr 10). Bei einer durch die Lineareinheit M erzwungene Linearbewegung der Antriebsstange A wird diese Bewegung über das Gleitstück G (Bolzen B und Hülse H) eins zu eins auf die Kolbenstange 13 und somit auf die Abtriebsseite der Vorrichtung übertragen, solange der Bolzen B sich nicht in einem Randbereich (also zwischen den Zwischenpositionen Z1 und Z2) der Kulisse K befindet. In diesem mittleren Bereich der Kulisse K verlaufen die beiden Kulissen K parallel entlang gegenüberliegenden Seiten des Rohrs 10 (d. h. um konstant 180° entlang des Umfangs des Rohrs 10 versetzt). Das Gleitstück wird also durch die Kulissen in eine konstanten axialen Winkelposition gehalten. Ein verdrehen des Gewindes 12 ist also nicht möglich, solange das Gleitstück G sich im mittleren Bereich der Kulisse K befindet. Sobald das Gleitstück G durch die Lineareinheit M in einen der Randbereiche der Kulisse K bewegt wird (also in die Bereiche zwischen einer Endposition E1 oder E2 und der benachbarten Zwischenposition Z1 bzw. Z2) wird das Gleitstück und auch die Antriebsstange A axial verdreht, da die Kulissen K entsprechend gekrümmt sind und schräg zur axialen Richtung verlaufen, wie in 3b dargestellt. Die in 3b eingezeichneten Winkel α und β sind gleich und bezeichnen den Winkel der Kulisse bezogen auf die Umfangsrichtung des Rohrs 10. Im mittleren Bereich, also zwischen den Zwischenpositionen Z1 und Z2 ist dieser Winkel α bzw. β immer konstant 90°, wohingegen er in den Randbereichen der Kulisse Werte kleiner 90° annimmt, z. B. 45°. Am Ende der Kulisse entspricht der Winkel α bzw. β genau der Gewindesteigung des Gewindes 12, und die axiale (Linear-)Bewegung der Antriebsstange A wird durch ein Einschrauben bzw. Ausschrauben (je nach Bewegungs- und Drehrichtung) der Kolbenstange 13 (Abtrieb) in bzw. Aus der Hülse H exakt kompensiert, sodass die Kolbenstange 13 trotz des Vorschubs der Antriebsstange A still steht. Auf diese Art kann in ähnlicher Weise wie in dem Beispiel aus 1 und 2 auf mechanischem Weg ein ”sanfter Anlauf der von der Kolbenstange 13 abgegebenen Linearbewegung erzielt werden, obwohl die Lineareinheit M nur eine konstante Geschwindigkeit vMAX in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung erzeugen kann.
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Die in den 1, 2 und 3 dargestellten beispielhaften Linearantriebsvorrichtungen können als Lineareinheit M mit einem speziellen (durch das Gleitstück G und die Zahnstange Z bzw. das Gewinde 12 gebildete) Getriebe angesehen werden. Für die Verwendung in einer Treppensteigvorrichtung kann die oben erläuterte Linearantriebsvorrichtung vorteilhaft als Schubstange eingesetzt werden, mit deren Hilfe die Last (z. B. ein Rollstuhl) über die von einer Treppe zur nächsten gehoben oder abgesenkt wird. Die von der erfindungsgemäßen Linearantriebsvorrichtung angetriebene Schubstange soll dabei – in einem mit der Treppensteigvorrichtung (oder einem Teil davon) fest verbundenen Koordinatensystem – eine Bewegung entlang einer geschlossenen zweidimensionalen Kurve durchführen. Um dies zu erreichen, wird die durch die erfindungsgemäße Linearantriebsvorrichtung bewirkte Linearbewegung der Schubstange mit Hilfe von Kurbeln in eine zweidimensionale Bewegung umgesetzt. Ein Beispiel eines kinematische Aufbaus unter Verwendung der oben beschriebenen Linearantriebsvorrichtung ist in 4 dargestellt.
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Mit Hilfe der Kurbeln K, K1 und K2 führt die Schubstange eine kombinierte Hebe-/Senkbewegung und Schwenkbewegung aus. Die Schubstange ST wird durch den Linearantrieb angetrieben und ist an die Kurbel K an einem mit B bezeichneten Punkt angelenkt. Die Geschwindigkeit v der Schubstange in der in 4 eingezeichneten Richtung ist in 5 dargestellt. Die Lineareinheit (Motor M, siehe 1 und 3) selbst kennt dabei nur zwei Geschwindigkeiten (+vMAX, –vMAX, VMAX ≈ 50 m/s), wohingegen sich, wie in 5 zu sehen ist, die Geschwindigkeit der Schubstange in der Nähe der Endpositionen langsam verringert und dann (in umgekehrter Richtung) wieder ansteigt. Die kombinierte Hebe-/Schwenkbewegung wird später noch mit Bezug auf die 5, 6 und 7 erläutert.
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Die kombinierte Hebe- und Schwenkbewegung, die mit Hilfe der in 4 dargestellten Kurbelanordnung erreichet werden kann (Kurbeln K, K1 und K2) kann alternativ auch mit Hilfe einer Kulissenführung realisiert werden. 6a zeigt eine Treppensteigvorrichtung mit einer sanft anlaufenden Lineareinheit LE gemäß den Beispielen aus den 1 oder 3. An der Treppensteigvorrichtung kann z. B. ein Rollstuhl befestigt werden, der in 6a angedeutet ist. Ein Stützfuß ST ist mit dem Abtrieb der Lineareinheit LE mechanisch gekoppelt und schwenkbar an die Abtriebsachse der Lineareinheit LE angelenkt (Drehachse D). Um die kombinierte Hebe-/Schwenkbewegung zu realisieren, ist in oder an einem Gehäuseteil der Treppensteigvorrichtung eine Kulisse KU angeordnet, in der – als Kulissenstein KS – ein Zapfen geführt wird, der an einem Punkt B' an der Schubstange ST (vgl. 4) befestigt ist. Die Kulisse KU ist in der Darstellung in 6a verdeckt, jedoch in den 6b und 6c vergrößert dargestellt. Die Position des Punkts B' entspricht im Wesentlichen der Position des Punkts B in 4. Das heißt, die Schubstange ST wird am Punkt B in der Kulisse (6) oder über einen Kurbeltrieb (4) derart geführt, dass die Schubstange eine kombinierte Hub-/Schwenkbewegung entlang einer zweidimensionalen geschlossenen Kurve durchführt. Die Kulisse KU weist dazu einen linken und einen rechten Teil auf, wobei beide Teile am oberen und am unteren Ende zusammenlaufen (es gibt sozusagen zwei „Gabelungen” der Kulisse). An dem oberen und unteren Ende der Kulisse KU verläuft die Kulisse noch ein Stück in annähernd vertikaler Richtung.
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Da die Treppensteigvorrichtung beim Abstieg über eine Treppe genau die umgekehrte Bewegung durchführen muss, wie beim Aufstieg, soll der Kulissenstein KS die Kulisse KU beim Abstieg gegen den Uhrzeigersinn (siehe 6c) und beim Aufstieg im Uhrzeigersinn (siehe 6b) durchlaufen. Je nach Richtung (aufwärts oder abwärts) muss an den erwähnten Abzweigungen der Kulissenstein KS in den linken oder den rechten Teil der Kulisse KU geführt werden. Zu diesem Zweck sind als „Kulissenweichen” bezeichnete Klinken KL1 und KL2 in der Kulisse angeordnet und zwar derart, dass sie dem Kulissenstein KS an jener Stelle, an der sich die Kulisse KU teilt, den Weg in den einen Teil der Kulisse KU versperrt und den Kulissenstein KS somit in den anderen Teil der Kulisse KU zwingt. Die Klinken KL1 und KL2 können umgelegt werden, wenn der Linearantrieb sich in einer Endposition befindet, damit sich der Kulissenstein KS nach einem Richtungswechsel (Aufstieg/Abstieg) in dem jeweils anderen Teil der Kulisse KU bewegt als davor. Die Klinken KL1 und KL2 können auch so ausgebildet sein, dass sie von einer Seite gegen die Wirkung einer Federkraft durch den Kulissenstein KS weggedrückt werden können, wohingegen sie den Weg sperren, wenn der Kulissenstein KS von der jeweils anderen Seite kommt. Diese beiden Situationen sind in den Abbildungen (b) und (c) der 6 gezeigt.
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In dem in 6c gezeigten Fall bewegt sich der Kulissenstein KS (der an der Schubstange ST gelagert ist, vgl. 4) gegen den Uhrzeigersinn durch die geteilte Kulisse KU. Die obere Klinge KL1 ist so positioniert, dass der Kulissenstein in den linken Kulissenteil gelenkt wird, wohingegen die untere Klinke KL2 gegen eine Federkraft weggedrückt werden kann (angedeutet durch den Pfeil an der Klinke KL2) und den Weg des Kulissensteins KS nach unten nicht behindert. Bei der anschließenden Aufwärtsbewegung (d. h. nach einem Richtungswechsel des Linearantriebs) lenkt die untere Klinke KL2 den Kulissenstein KS in den rechten Kulissenteil und die obere Klinke KL1 wird auf dessen Weg nach oben durch den Kulissenstein KS weggedrückt (angedeutet durch den Pfeil an der Klinke KL1), und die Bewegungsbahn des Kulissensteins KS schließt sich. In dem in 6b gezeigten Fall bewegt sich der Kulissenstein KS im Uhrzeigersinn. Dafür müssen die Klinken KL1 und KL2 im Vergleich zu dem in 6c gezeigten Fall um rund 90° verkippt sein. Dieses „Umschalten” der „Kulissenweiche” (der Klinken) kann z. B. dadurch erreicht werden, dass Federn, welche die Klinken auf die eine oder andere Seite drücken, umgestellt werden, sodass die korrespondierende Federkraft in die jeweils andere Richtung wirkt. Auch eine elektromagnetische Umschaltung mit Hilfe von Elektromagneten oder dgl. ist möglich.
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Mehrere Szenen des Bewegungsablaufes einer Treppensteigvorrichtung gemäß einem Beispiel der Erfindung beim Aufwärtssteigen und Abwärtssteigen über eine Treppe sind in 7 bzw. 8 dargestellt. In 7a befindet sich die Treppensteigvorrichtung auf der ersten (unteren) Stufe und die Lineareinheit LE befindet sich in der oberen Endposition. Der mechanisch mit der Lineareinheit gekoppelte Stützfuß ST ist eingezogen und berührt den Boden nicht. Die Vorrichtung steht auf den Rollen RO, die an dem Rahmen RA der Vorrichtung gelagert sind. Der am Stützfuß als Kulissenstein KS angeordnete Zapfen befindet sich am oberen Ende der Kulisse KU.
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In 7b befindet sich die Lineareinheit in einer mittleren Position. Der Stützfuß ST steht am Boden und drückt die Treppensteigvorrichtung (samt Last, z. B. Rollstuhl) vom Boden weg. Der Kulissenstein KS befindet sich ca. in der Mitte des rechten Teils der Kulisse KU. In 7c befindet ist die Treppensteigvorrichtung in Bezug auf die ersten Stufe maximal angehoben und die Lineareinheit LE befindet sich in der unteren Endposition. Der mechanisch mit der Lineareinheit LE gekoppelte Stützfuß ST ist maximal ausgefahren, sodass der Rahmen RA der Vorrichtung (und die Rollen RO) über die Kante der zweiten Stufe angehoben werden. Der am Stützfuß als Kulissenstein KS angeordnete Zapfen befindet sich am unteren Ende der Kulisse KU. Um dorthin zu gelangen hat der Kulissenstein KS die untere Klinke KL2 beiseite gedrückt. Danach schnellt die Klinke wieder in ihre ursprüngliche Position zurück.
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In 7d befindet sich die Lineareinheit in einer mittleren Position, jedoch in dem linken Teil der Kulisse. Durch das Einfahren des Stützfußes ST wird der Rahmen der Treppensteigvorrichtung (d. h. der Rollen RO) auf der zweiten Stufe abgesetzt. In 7e befindet sich die Treppensteigvorrichtung auf der zweiten (oberen) Stufe und die Lineareinheit LE befindet sich (wieder) in der oberen Endposition. Der Stützfuß ST ist über die Ebene des Bodens der zweiten Stufe eingezogen und berührt den Boden nicht. Die Vorrichtung steht auf den Rollen RO, und kann auf diesen bis zur nächsten Stufe (nicht dargestellt) gerollt werden. Der am Stützfuß als Kulissenstein KS angeordnete Zapfen befindet sich ebenfalls wieder am oberen Ende der Kulisse KU.
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8 zeigt den umgekehrten Fall eines Abstiegs über eine Treppe. Dazu werden die Klinken in der Kulisse umschaltet (von Stellung gemäß 6a auf Stellung gemäß 6b). Die Treppensteigvorrichtung wird auf den Rollen RO bis kurz vor die Kante der ersten Stufe geschoben. Gemäß 8a befindet sich die Lineareinheit LE in der oberen Endposition. Der mechanisch mit der Lineareinheit gekoppelte Stützfuß ST ist eingezogen und berührt den Boden nicht. Der am Stützfuß als Kulissenstein KS angeordnete Zapfen befindet sich am oberen Ende der Kulisse KU. Die 8b bis 8d zeigen das Ausfahren des Stützfußes ST bis zum Boden der tiefer liegenden Stufe, wobei der Stützfuß ST gerade soweit ausgefahren wird, dass die Rollen von der oberen Stufe ein wenig abheben. In 8d ist der Stützfuß ST maximal ausgefahren und der Kulissenstein KS in seiner unteren Endposition. Die 8e bis 8g zeigen das darauf folgende Einfahren des Stützfußes ST, wodurch die Treppensteigvorrichtung auf die tiefer liegende Stufe abgesenkt wird. In 8g steht die Treppensteigvorrichtung auf der unteren Stufe und die Lineareinheit LE befindet sich wieder in der oberen Endposition. Der Stützfuß ST ist eingezogen und berührt den Boden nicht. Die Vorrichtung steht auf den Rollen RO, die an dem Rahmen RA der Vorrichtung gelagert sind. Die Position gemäß 8g ist mit der aus 7a vergleichbar.
