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Die Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung für Lineareinheiten.
Ferner betrifft die Erfindung eine Lineareinheit mit einer Spindel,
einer auf der Spindel laufenden Spindelmutter und einem Antrieb,
mittels dessen die Spindel oder die Spindelmutter um ihre Längsachse
rotierend antreibbar ist.
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Derartige Lineareinheiten werden
in der Praxis häufig
als Verstelleinheiten eingesetzt. Zum Beispiel werden sie zum Verstellen
der Kopfstütze
von Betten, insbesondere Pflegebetten, eingesetzt. Dabei ist in
der Praxis ein Gehäuse
der Lineareinheit mit dem Bettgestell und ein Schubrohr, welches
verschieblich im Gehäuse
geführt
ist, mit der Kopfstütze verbunden.
In dem Gehäuse
ist weiterhin eine Spindel drehbar gelagert, die über einen
elektromotorischen Antrieb, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung
eines Getriebes, angetrieben ist. Auf der Spindel läuft eine
Spindelmutter, die fest mit dem Schubrohr verbunden ist.
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Mit einer solchen Lineareinheit kann
der Patient oder das Pflegepersonal leicht durch Betätigen eines
Schalters eine bequeme Stellung der Kopfstütze einstellen. Die Steigerung
der Spindel ist dabei selbsthemmend ausgelegt, so daß selbst
bei einem Ausfall der Energieversorgung für den Antrieb sich die Kopfstütze nicht
selbsttätig
wieder absenkt.
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Es besteht aber auch die Anforderung,
daß die
Kopfstütze
schnell abgelassen werden kann, ohne daß hierzu der elektromotorische
Antrieb genutzt werden darf. Bei dieser Notfallbetätigungen läuft die
Spindel, angetrieben durch die Spindelmutter, frei und dient als
Dämpfung
für die
Absenkbewegung der Kopfstütze.
In diesem Fall darf die Steigerung des Spindelgewindes nicht selbsthemmend ausgelegt
sein, was dem oben genannten Ziele, daß sich die Kopfstütze auch
bei Energieausfall nicht selbsttätig
absenkt, zuwiderläuft.
Ein Schneckengetriebe, über
das die Spindel beim Stand der Technik angetrieben wurde, wurde
deshalb selbsthemmend ausgelegt. Zumindest wurde das Übersetzungsverhältnis des
Schneckengetriebes so ausgelegt, daß der Widerstand des Motors
nicht überwunden
werden konnte.
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Nachteilig bei der Lineareinheit
nach dem Stand der Technik ist, daß nur relativ geringe Lasten bewegt
werden können
oder eine hohe Motorleistung erforderlich ist, um die durch die
Selbsthemmung bedingte hohe Reibung im Spindelantrieb und/oder im Schneckengetriebe
zu überwinden.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung
das Problem zugrunde, eine Bremseinrichtung und Lineareinheit vorzuschlagen,
bei der auch mit geringen Motorleistungen relativ hohe Lasten bewegt
werden können
und dennoch die zu bewegende Last (die Kopfstütze) sich bei einem Energieausfall
nicht wieder selbsttätig
absenkt.
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Zur Lösung dieses Problems weist
die erfindungsgemäße Bremseinrichtung
eine Bremse und einen Freilauf auf, welcher so mit der Bremse zusammenwirkt,
daß die
Bremse lediglich bei einer Betätigungsrichtung
der Lineareinheit wirksam wird. Die erfindungsgemäße Lineareinheit
ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Spindel bzw. die Spindelmutter über
einen Freilauf mit einer Bremse gekuppelt ist, derart, daß die Spindel
bzw. die Spindelmutter in einer ihrer Rotationsrichtungen mittels
der Bremse gebremst ist.
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Durch den Freilauf wird die Bremse
nur bei einer Drehrichtungsumkehr der Spindel bzw. der Spindelmutter
wirksam. So läßt sich
der Freilauf so mit der Bremse kombinieren, daß beim Anheben der Last der
Freilauf wirksam wird; die Bremse also gleichsam ausgekuppelt ist.
Hierdurch können
hohe Lasten mit geringer Motorleistung angehoben werden. Zwar muß dann bei
einem Absenken der Last der Motor auch das Bremsmoment der Bremse überwinden.
Hier hilft ihm aber das Eigengewicht der Last. Gleichzeitig läßt sich
bei Krankenhausbetten eine leichte Kopfstützenschnellabsenkung realisieren
ohne die notwendige Leistung der Elektroversorgung zu erhöhen, was
bei einem Einsatz der Lineareinheit in Krankenhausbetten besonders
wichtig ist. Als Bremse kann eine mechanische (Reibungs-)Bremse
oder eine magnetische Bremse verwendet werden.
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Die mechanische Bremse weist vorzugsweise
eine Feder zum Erzeugen des Bremsmomentes auf. Je nach der von der
Feder erzeugten Druckkraft läßt sich
so das Bremsmoment auf das gewünschte Maß einstellen.
Dieses kann gegebenenfalls auch durch Einstellen der Vorspannung
der Feder erfolgen. Die Bremse selbst weist vorzugsweise ein Bremsscheibe
auf, die mit einem Bremsbelag zusammenwirkt. Durch die Wahl des
Materials für Bremsscheiben
und den Bremsbelag, also der Reibpaarung, läßt sich ebenfalls das Bremsmoment
bestimmen.
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Die magnetische Bremse weißt gegenüber der
mechanischen Bremse den Vorteil auf, daß sie verschleißfrei ist.
Nach einer konstruktiven Ausgestaltung weißt ein Rotor und ein Stator
der Bremse je wenigstens einen Magneten auf, die mit ihren Polen so
gerichtet sind, daß sie
sich anziehen. Werden die Magneten durch drehen des Rotors aus ihrer
Ruhelage ausgelenkt, verursachen sie ein Rückstell- und damit ein Bremsmoment
auf den Rotor. Das Bremsmoment ist dabei von der Stärke der
Magneten und der Zahl der verwendeten Magneten abhängig. Es sollten
daher mehrere Magneten äquidistant
am Umfang verteilt eingesetzt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft,
wenn die Magneten mit ihren Polen alternierend ausgerichtet sind.
Dadurch wird erreicht, daß die
Magneten des Rotors, sobald sie soweit aus der Ruhelage weggedreht
wurden, daß sie
gerade am nächsten
Magneten des Stators vorbeigedreht wurden, von diesem nächsten Statormagneten
abgestoßen
werden und so ein Antriebsmoment auf den Rotor ausüben. Über eine
Rotorumdrehung heben sich die Antriebs- und Bremsmomente auf, so
daß sich
beim gewollten Drehen des Rotors zum gewollten Einfahren der Lineareinheit
die Momente aufheben. Der Motor wird hierdurch nicht zusätzlich durch die
Bremse beim gewollten Einfahren der Lineareinheit belastet. Ggf.
kann bei dieser Variante mit der magnetischen Bremse ganz auf den
Freilauf verzichtet werden, da auch beim gewollten Ausfahren aufgrund
des vorstehend genannten Effektes kein Bremsmoment mehr wirksam
ist.
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Die Spindel bzw. die Spindelmutter
ist bei einer Weiterbildung der Erfindung über ein Untersetzungsgetriebe
mit dem Antrieb, beispielsweise dem Elektromotor, verbunden. Als
Untersetzungsgetriebe eignet sich besonders ein Schneckengetriebe,
da hiermit große
Untersetzungsverhältnisse
einfach realisierbar sind. Der Freilauf und die Bremse sollten dabei
einem antriebsseitigen Getriebeglied des Getriebes, also beispielsweise
der Schnecke, zugeordnet sein. Hierdurch kann das Bremsmoment der
Bremse klein gehalten werden, da das volle Untersetzungsverhältnis der
Gewindespindel und des Getriebes wirksam wird.
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Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung ist nicht
auf Lineareinheiten mit einer Spindel und einer Spindelmutter beschränkt. Sie
kann vielmehr überall dort
eingesetzt werden, wo eine Drehbewegung in eine Linearbewegung umgesetzt
werden muß,
also beispielweise bei Winden, Ketten mit Kettenrad oder Zahnstangen
mit Zahnrad.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Lineareinheit mit einer Bremseinrichtung mit den Erfindungsmerkmalen
in Seitenansicht;
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2 die
Lineareinheit gemäß 1 in Vorderansicht;
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3 die
Lineareinheit gemäß 1 im Horizontalschnitt in
der Ebene III – III
gemäß 2;
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4 die
Lineareinheit gemäß 1 im Vertikalschnitt in
der Ebene IV – IV;
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5 ein
Detail V gemäß 5 der Lineareinheit gemäß 1 in vergrößertem Maßstab,
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6 eine
alternative Bremseinrichtung für die
Lineareinheit gemäß 1 im Vertikal-Längsschnitt
in der Ebene VI – VI
gemäß 7;
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7 die
Bremseinrichtung gemäß 6 im Vertikal-Querschnitt
in der Ebene VII -VII
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Die Lineareinheit weist ein Zylindergehäuse 10 auf,
in dem ein Schubrohr 11 längsverschieblich geführt ist.
An den einander abgewandten Enden des Zylindergehäuse 10 und
des Schubrohres 11 sind Augen 12 bzw. 13 vorgesehenen.
Das Auge 12 an Zylindergehäuse 10 dient üblicherweise
dazu, die Lineareinheit an einem feststehenden Objekt, im vorliegenden
Fall dem Rahmen eines Gestells (nicht dargestellt), zu befestigen,
während
an dem Auge 13 des Schubrohres 11 eine zu hebende
Last, im vorliegenden Fall die Kopfstütze des Bettes, angebracht wird.
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Betätigt wird das Schubrohr 11 über einen Spindelantrieb 14.
Dieser Spindelantrieb 14 besteht im wesentlichen aus einer
Spindelmutter 15, die fest und vor allem unverdrehbar mit
dem Schubrohr 11 verbunden ist. Die Spindelmutter 15 läuft auf
einer Spindel 16, die drehbar einerseits im Zylindergehäuse 10 und
andererseits im Schubrohr 11 gelagert ist.
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Zum Ein- und Ausfahren des Schubrohres 11 und
damit zum Heben und Senken der Last wird die Gewindespindel 16 durch
einen Elektromotor 17 drehend angetrieben. Der Elektromotor 17 ist
dabei seitlich an das Zylindergehäuse 10 angeflanscht.
Der Elektromotor 17 treibt zunächst eine Schnecke 18, die
mit einem Schneckenrad 19 kämmt. Das Schneckenrad 19 überträgt seine
Rotationsbewegung über vier
Kugeln 20 auf eine Mitnehmerhülse 21. Die Mitnehmerhülse 21 ist
ihrerseits drehfest mit der Spindel 16 verbunden, so daß die Rotationsbewegung
der Mitnehmerhülse 21 auf
die Spindel 16 übertragen wird.
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Die Kugeln 20 und die Mitnehmerhülse 21 sind
Teil einer Entkopplungseinheit, durch welche die Spindel 16 vom
Schneckenrad 19 abgekoppelt werden kann. Hierzu ist in
der Mitnehmerhülse 21 ein Dorn 22 längsverschieblich
geführt.
Der Dorn 22 weist eine Verdickung 23 auf, durch
welche die Kugeln 20 nach außen gedrückt werden, so daß sie mit Längsnuten 24 im
Schneckenrad 19 in Eingriff sind (3 und 4).
In dieser Positionen sind das Schneckenrad 19 und die Mitnehmerhülse 21 wirkverbunden.
Für eine
Schnellauslösung
des Schubrohres 11 wird das Schneckenrad 19 von
der Mitnehmerhülse 21 entkoppelt,
indem der Dorn 22 in der Darstellung gemäß 3 nach links gegen die Kraft
einer Feder 25 verschoben wird. Die Kugeln 20 fallen
nun in eine Freidrehung 26 am Dorn 22, so daß die Mitnehmerhülse 21 außer Eingriff
mit dem Schneckenrad 19 gerät. Das Schubrohr 11 kann
nun zurück
in das Zylindergehäuse 10 gedrückt werden,
wobei die Reibung zwischen der Spindelmutter 15 und der
Spindel 16 zur Dämpfung
der Bewegung dient. Ausgelöst
wird die Schnellauslösung über einen
Betätigungshebel 27,
mittels dessen der Dorn 22 gegen die Kraft der Feder 25 verschoben
wird.
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Aus den vorstehenden Absätzen wird
deutlich, daß die
Gewindesteigung der Spindel 16 und der Spindelmutter 15 nicht
selbsthemmend ausgelegt sein kann. Auch das Untersetzungsverhältnis zwischen
der Schnecke 18 und dem Schneckenrad 19 ist nicht
selbsthemmend ausgelegt, um Reibung zu minimieren. Um dennoch zu
verhindern, daß das Schubrohr 11 aufgrund
der anzuhebenden Last bei einem Ausfall des Elektromotors 17 zurückgedrückt wird,
ist eine Bremseinheit 28 vorgesehen, die nachfolgend anhand
der 5 näher beschrieben
wird:
Auf der Schnecke 18 sitzt ein handelsübliches
Freilauflager 29. Auf dem Freilauflager 29 sitzt
wiederum eine Bremsscheibe 30, die mit einem an einem feststehenden
Aufnahmekörper 31 fest
angebrachten Bremsbelag 32 zusammenwirkt. Das dabei erzeugte Bremsmoment
wird von der Reibung an der Bremsfläche 33 zwischen der
Bremsscheibe 30 und dem Bremsbelag 32 bestimmt.
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Zum Erzeugen der erforderlichen Normalkraft
auf die Bremsfläche 33 dient
eine Druckfeder, konkret eine Tellerfeder 34, die sich
an einem Federgegenlager 35 abstützt. Die Tellerfeder 34 drückt auf ein
Lagerelement 36, welches die Druckkraft auf Kugeln 37 überträgt. Das
Lagerelement 36 bildet dabei zusammen mit den Kugeln 37 ein
Axialkugellager.
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Das Bremsmoment läßt sich nicht nur durch die
Wahl der Reibpaarung aus Bremsscheibe 30 und Bremsbelag 31,
sondern in gewissen Grenzen auch durch die Normalkraft auf die Bremsfläche 33,
nämlich
durch die Kraft der Tellerfeder 34, bestimmen. Dieses kann
auch durch Einstellen der Vorspannung der Tellerfeder 34,
beispielsweise über
das Federgegenlager 35 oder durch Abstimmscheiben am Federgegenlager 35,
erfolgen.
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Die Freilaufrichtung des Freilauflagers 29 ist nun
so gewählt,
daß der
Freilauf bei der Drehdichtung des Elektromotors 17 und
damit der Schnecke 18 wirksam wird, in der die Last angehoben wird.
Das Bremsmoment der Bremseinheit 28 wird also bei dieser
Drehrichtung nicht wirksam. Bei der entgegengesetzten Drehrichtung
blockiert das Freilauflager 29 hingegen und das Bremsmoment
der Bremseinheit 28 wird wirksam. Dieses Bremsmoment muß also bei einem
Absenken der Last durch den Elektromotor 17 überwunden
werden, wobei dem Elektromotor 17 allerdings das Eigengewicht
der Last hilft. Im Prinzip braucht der Elektromotor 17 lediglich
das Bremsmoment zu überwinden.
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Bei einem Ausfall des Elektromotoren 17, beispielsweise
durch Stromausfall oder wenn der Elektromotor 17 bewußt vom Netz
genommen werden muß,
versucht die Last das Schubrohr 11 in das Zylindergehäuse 10 zurückzudrücken. Dazu
müßte die
Spindel 16 und damit auch die Schnecke 18 in Absenkrichtung
der Last gedreht werden. In dieser Drehrichtung blockiert jedoch
das Freilauflager 29, so daß das Bremsmoment der Bremseinheit 28 wirksam
wird und das Absenken der Last verhindert.
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In den 6 und 7 ist eine alternative für die mechanische
Bremse 28 gemäß dem vorstehend
anhand der 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel,
nämlich
eine magnetische Bremse 38. Gleich Teile sind in den 6 und 7 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet
wie in den 1 bis 5.
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Auf der Schnecke 18 ist
ein Rotor 39 verdrehsicher angebracht, nämlich aufgepreßt oder
aufgeschrumpft. In den Rotor 39 sind vier Permanentmagneten 40, 41, 42 und 43 äquidistant
am Umfang verteilt eingelassen. Der Rotor 39 wird von einem Stator 44 umgeben,
der fest mit dem Aufnahmeköper 31 verbunden
ist. In den Stator 44 sind eine der Anzahl der Permanentmagneten 40..43 des
Rotors entsprechende Anzahl von Permanentmagneten, nämlich vier
Permanentmagneten 45, 46, 47 und 48 eingelassen.
Die Permanentmagneten 40..43 des Rotors 39 und
die Permanentmagneten 45..48 sind zueinander korrespondierend
am Umfang verteilt.
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Die Permanentmagneten 40..43 sind
so im Rotor 39 ausgerichtet, daß ihre Pole alternierend mit Plus
und Minus nach Außen
zeigen. Konkret zeigen also bei den sich gegenüber liegenden Permanentmagneten 40 und 42 die
Pluspole nach außen,
während
bei den sich gegenüberliegenden
Permanentmagneten 41 und 43 die Minuspole nach
außen
zeigen. In der in 6 und 7 gezeigten Ruhestellung ziehen
sich die Permanentmagneten 40..43 des Rotors und
die Permanentmagneten 45..48 des Stators 44 an.
Wird der Rotor 39 unter dem Stator 44 aus der Ruhestellung
weggedreht, wirk zunächst
ein Rückstellmoment
als Bremsmoment auf den Rotor 39. Dieses Bremsmoment reicht,
insbesondere aufgrund des Schneckengetriebes 18/19 aus, den Spindelantrieb 14 zu
halten und ein ungewolltes Einfahren des Spindelantriebes 14 zu
verhindern.
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Erst wenn der Rotor 39 etwas
mehr eine viertel Umdrehung gedreht wurde, wird ein Antriebsmoment
auf den Rotor 39 ausgeübt,
da dann der Permanentmagnet 40 vom Permanentmagneten 46,
der Permanentmagnet 41 vom Permanentmagneten 47 u.s.w.
abgestoßen
werden. In der Summe heben sich die Bremsmomente und die Antriebsmomente über eine
Umdrehung des Rotors 39 auf, so daß, insbesondere bei Überschreiten
einer gewissen Rotordrehzahl, kein Einfluß der magnetischen Bremse 38 mehr
spürbar
ist. Die magnetische Bremse 38 ist damit, im Gegensatz
zur mechanischen Bremse 28 gemäß 1 bis 5,
nicht nur verschleißfrei,
sondern übt beim
gewollten Einfahren des Spindelantriebes 14 kein zusätzliches
Bremsmoment aus, so daß der Elektromotor 17 nicht
zusätzlich
belastet wird.
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- 10
- Zylindergehäuse
- 11
- Schubrohr
- 12
- Auge
- 13
- Auge
- 14
- Spindelantrieb
- 15
- Spindelmutter
- 16
- Spindel
- 17
- Elektromotor
- 18
- Schnecke
- 19
- Schneckenrad
- 20
- Kugel
- 21
- Mitnehmerhülse
- 22
- Dorn
- 23
- Verdickung
- 24
- Längsnut
- 25
- Feder
- 26
- Freidrehung
- 27
- Betätigungshebel
- 28
- Bremseinheit
- 29
- Freilauflager
- 30
- Bremsscheibe
- 31
- Aufnahmekörper
- 32
- Bremsbelag
- 33
- Bremsfläche
- 34
- Tellerfeder
- 35
- Federgegenlager
- 36
- Lagerelement
- 37
- Kugel
- 38
- Bremse
- 39
- Rotor
- 40
- Permanentmagnet
- 41
- Permanentmagnet
- 42
- Permanentmagnet
- 43
- Permanentmagnet
- 44
- Rotor
- 45
- Permanentmagnet
- 46
- Permanentmagnet
- 47
- Permanentmagnet
- 48
- Permanentmagnet