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Die
Erfindung betrifft ein Gerät
zur Kraftabgabe, insbesondere zum Festhalten von Teilen oder zur
Fortbewegung, mit mindestens einer Antriebseinheit, die mindestens
einen mit elektrischer Energie und/oder mit Fluidkraft betätigbaren,
zur Ausübung von
Zug- und/oder Druckkräften
geeigneten Aktuator enthält.
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Ein
mit Mitteln zu seiner Fortbewegung ausgestattetes Gerät dieser
Art geht aus der
US 6 138 604 hervor.
Es ist dort als Unterwasser-Schwimmgerät ausgebildet und der Anatomie
eines Fisches nachempfunden. Sein Rumpf fungiert als Antriebseinheit
und beinhaltet eine Mehrzahl von Aktuatoren, die in der Lage sind,
eine quasi das Rückgrat
des Gerätes
bildende Hebelanordnung hin und her zu schwenken. Bei dieser Schwenkbewegung
wird eine gerippte Struktur mitbewegt, die von einer flexiblen Haut
umhüllt
ist, welche auf das umgebende Wasser eine den Vortrieb hervorrufende
Antriebskraft abgeben kann.
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Aus
der
EP 1 316 651 A2 ist
ein mit einer flexiblen Außenhaut
ausgestattetes, zur Aufnahme von Kräften vorgesehenes Bauteil bekannt.
An zwei sich gegenüberliegenden
Außenwangen
sind zueinander beabstandete, quer verlaufende Koppelstreben angelenkt.
Wird eine der Außenwangen
von außen
her mit einer Druckkraft beaufschlagt, biegt sie sich durch, wobei
unter Vermittlung der Koppelstreben auch die gegenüberliegenden
Außenwange
entsprechend verformt wird.
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Ein
aus der
DE 299 03
281 U1 bekanntes Gerät
zur Kraftabgabe ist als Kniehebel-Spannvorrichtung ausgebildet und
ermöglicht
ein Festhalten von Teilen, beispielsweise von miteinander zu verbindenden
Werkstücken.
Es besitzt eine an einem schwenkbeweglichen Spannarm angeordnete
starre Beaufschlagungsfläche,
mit der ein festzuhaltendes Teil in einer bestimmten Position festgespannt
werden kann.
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Die
Antriebseinheit des aus der eingangs zitierten
US 6 138 604 bekannten Gerätes verfügt über einen
relativ komplexen Aufbau und erfordert eine sehr große Anzahl
von Aktuatoren. Aufgrund der Labilität der Rippenstruktur ist zudem
die Kraftabgabe an die Umgebung nicht optimal. Bei dem ebenfalls zur
Kraftabgabe dienenden Gerät
der genannten
DE 299
03 281 U1 besteht insbesondere das Problem, dass die Beaufschlagungsfläche bei
unpassender Dosierung der Kraftabgabe ein festzuhaltendes Teil beschädigen kann.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zur Kraftabgabe
der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Antriebseinheit bei einfachem
Aufbau sehr effektiv arbeitet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass die mindestens eine Antriebseinheit
eine Kraftabgabestruktur umfasst, die zwei sich unter gegenseitiger
Annäherung
ausgehend von einem Fußbereich
in Richtung einer Hauptachse zu einem Kopfbereich hin nebeneinander
erstreckende, federelastisch biegbare Seitenwangen aufweist, die über an ihnen
angelenkte, in Richtung der Hauptachse beabstandete und quer zu
dieser Hauptachse verlaufende Koppelstreben miteinander verbunden
sind, wobei der mindestens eine Aktuator an der Kraftabgabestruktur
angreift, derart, dass bei seiner Aktivierung die Kraftabgabestruktur
unter elastischem Verbiegen der Seitenwangen seitwärts ausgelenkt
wird.
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Bei
einer derart aufgebauten Antriebseinheit genügt prinzipiell schon ein einziger
Aktuator, um eine seitwärts
gerichtete Auslenkung der gesamten Kraftabgabestruktur hervorzurufen.
Soll eine aktive Auslenkung in zwei einander entgegengesetzte Richtung
ermöglicht
werden, reichen hierzu zwei alter nativ aktivierbare Aktuatoren aus
oder gar ein einziger Aktuator, der wahlweise drückend oder ziehend auf die
Kraftabgabestruktur einwirken kann. Ungeachtet der ausgewählten Krafteinleitungsstelle
bewirkt die durch den mindestens einen Aktuator hervorgerufene Beaufschlagung
eine aktive Verlängerung
oder Verkürzung
der Diagonalen zwischen den einzelnen, bevorzugt trapezförmigen Feldern
der Kraftabgabestruktur, wobei durch die unter Vermittlung der Koppelstreben
hervorgerufene Wechselwirkung ungeachtet der Platzierung der Krafteinleitungsstelle
die beiden Seitenwangen eine Auswölbung im wesentlichen in der
gleichen Richtung erfahren.
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Auf
der Basis der durch die Aktivierung des mindestens einen Aktuators
hervorgerufenen Auslenkung der Kraftabgabestruktur kann eine externe Kraftabgabe
zu vielfältigen
Zwecken hervorgerufen werden. Beispielsweise kann das Gerät als Fortbewegungsgerät ausgebildet
sein und hierbei insbesondere als Schwimmgerät, wobei die Auslenkbewegung
der Kraftabgabestruktur durch Zusammenwirken mit dem umgebenden
Wasser einen Vortrieb verursacht. Ein weiterer möglicher Anwendungsfall ist derjenige
einer Ausgestaltung als Haltevorrichtung zum aktiven Festhalten
von Teilen, beispielsweise auf den Gebieten der Fertigung und Montage.
Auch ein Einsatz als Weichensteller auf dem Gebiet der Fördertechnik
ist denkbar. Diese Anwendungsfälle sind
als nicht abschließend
zu verstehen.
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Zwar
geht aus der
EP 1 316
651 A2 bereits ein Verbund aus Außenwangen und Koppelstreben hervor,
der bei Krafteinleitung ein ähnliches
Verhalten wie die Kraftabgabestruktur an den Tag legt. Dieses bekannte
Bauteil dient jedoch nur zur Aufnahme von externen Kräften und
ist nicht Bestandteil einer zusätzlich
mindestens einen Aktuator aufweisenden Antriebseinheit. Eine aktive
Kraftabgabe ist bei dieser bekannten Anordnung nicht vorgesehen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Der
mindestens eine Aktuator ist zweckmäßigerweise so angeordnet, dass
die Krafteinleitungsrichtung, in der er seine Zug- und/oder Druckkräfte in die
Kraftabgabestruktur einleitet, schräg zu der Hauptachse der Kraftabgabestruktur
verläuft.
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Ein
Gerät mit
besonders kompakten Abmessungen ergibt sich, wenn der mindestens
eine Aktuator zwischen den beiden Seitenwangen angeordnet ist. Er
kann dabei insbesondere so platziert sein, dass seine Befestigungsstellen
auf einander entgegengesetzten Seiten der Hauptachse liegen.
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Der
mindestens eine Aktuator kann ausschließlich an der Kraftabgabestruktur
angreifen. In diesem Fall bilden seine in der Regel zwei vorhandenen
Befestigungsstellen gleichzeitig die Krafteinleitungsstellen, an
denen die Betätigungskräfte in die Kraftabgabestruktur
eingeleitet werden. Beispielsweise kann der Aktuator einenends an
der einen Seitenwange und andernends an der anderen Seitenwange
angreifen, oder auch an anderen diesseits und jenseits der Hauptachse
liegenden Bestandteilen der Kraftabgabestruktur. Der Aktuator kann
insbesondere auch an mindestens einer Koppelstrebe angreifen.
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Ein über zwei
Befestigungsstellen verfügender
Aktuator kann auch so angeordnet sein, dass er an nur einer Befestigungsstelle
mit der Kraftabgabestruktur verbunden ist, während sich seine andere Befestigungsstelle
an einem die gesamte Antriebseinheit tragenden Träger befindet,
der die Bewegungen der Antriebseinheit nicht mitmacht.
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Eine
vorteilhafte Krafteinleitungsstelle für den mindestens einen Aktuator
ist der Bereich einer der zwischen der Seitenwange und der Koppelstreben
vorhandenen Gelenkstellen. Der Aktuator kann beispielsweise gleichzeitig
im Bereich zweier solcher Gelenkstellen angreifen, die unterschiedlichen
Seitenwangen zugeordnet sind.
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Insbesondere,
wenn als Aktuatoren besonders einfach aufgebaute, sogenannte einfachwirkende
Aktuatoren eingesetzt werden, die entweder nur ziehend oder nur
drückend
arbeiten können,
empfiehlt sich die Installation wenigstens zweier sich überkreuzender
Aktuatoren, die bei abwechselnder Betätigung einander entgegengesetzte
Auslenkbewegungen der Kraftabgabestruktur hervorrufen.
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Unterschiedliche
Bewegungsverhalten der Kraftabgabestruktur können erzielt werden, indem die
Seitenwangen im Fußbereich
entweder gelenkig oder starr an einem seinerseits starren Träger befestigt
sind. Ist die Kraftabgabestruktur gelenkig am Träger gelagert, resultiert aus
der Aktivierung des mindestens einen Aktuators eine einfache Biegung.
Bei einer starren Verbindung hingegen wird die Kraftabgabestruktur
etwa S-ähnlich
ausgelenkt.
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Zur
Betätigung
der Kraftabgabestruktur eignen sich sowohl mit elektrischer Energie
als auch mit Fluidkraft betriebene Aktuatoren. Bei fluidbetätigten Aktuatoren
werden insbesondere pneumatische Aktuatoren verwendet. Bevorzugt
handelt es sich jeweils um Linear-Aktuatoren.
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Als
besonders vorteilhafte Bauform eines fluidbetätigten Aktuators empfiehlt
sich ein sogenannter Kontraktionsaktuator, der einen sich zwischen
zwei jeweils einen Kraftabgriff ermöglichenden Kopfstücken erstreckenden
Kontraktionsschlauch aufweist, welcher sich bei Druckbeaufschlagung
seines Innenraumes radial aufweitet, und zwar unter gleichzeitiger axialer
Kontraktion. Eine mögliche
Bauform für
einen solchen Kontraktionsaktuator beschreibt die WO 00/61952 A1.
Derartige Kontraktionsaktuatoren zeichnen sich dadurch aus, dass
sie trotz kleiner Abmessungen hohe Zugkräfte ausüben kann. Außerdem sind
sie biegbar, so dass sie sich im drucklosen Zustand der Gestaltänderung
der Kraftabgabestruktur nicht wiedersetzen und von dieser ausgelenkt werden
können,
ohne ein Hindernis darzustellen. Dies erweist sich vor allem dann
von Vorteil, wenn die Aktuatorik in dem zwischen den Seitenwangen
vorhandenen Zwischenraum angeordnet ist und im Betrieb sehr starke
Auslenkungen auftreten, die zur Folge haben, dass die Seitenwangen
mit einer Querkraft auf die Aktuatoren einwirken können.
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Die
Seitenwangen haben zweckmäßigerweise
eine streifenförmige
Gestalt. Sie können
nach Art von Blattfedern ausgeführt
sein. Zweckmäßigerweise verringert
sich ihre Streifenbreite ausgehend vom Fußbereich hin zum Kopfbereich
der Kraftabgabestruktur.
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Die
Seitenwangen können
beispielsweise aus Federstahl bestehen. Ebenfalls vorteilhaft und dazuhin
noch gewichtssparend ist eine Realisierung aus einem geeigneten
Kunststoffmateri al, bei dem es sich zum Erhalt einer besonders hohen
Belastbarkeit auch um faserverstärktes
Kunststoffmaterial handeln kann.
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Es
ist von Vorteil, wenn die Kraftabgabestruktur durch eine sie umschließende flexible
Hülle abgeschirmt
ist. Diese Hülle
ist zweckmäßigerweise auf
eine auch der Formgebung dienende Abstützstruktur aufgezogen, die
an der Kraftabgabestruktur angebracht oder auch zumindest teilweise
von der Kraftabgabestruktur selbst gebildet sein kann. Beispielsweise
setzt sich die Abstützstruktur
aus mehreren in Richtung der Hauptachse aufeinanderfolgenden Ringelementen
zusammen, zwischen denen sich jeweils mindestens eine Koppelstrebe
erstrecken kann.
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Bei
einer Ausgestaltung des Gerätes
als Haltevorrichtung ist die Kraftabgabestruktur zweckmäßigerweise
mit mindestens einer Beaufschlagungsfläche versehen, die bei entsprechender
Auslenkung der Kraftabgabestruktur eine Haltekraft auf ein festzuhaltendes
Teil ausüben
kann. Zweckmäßigerweise befindet
sich die Beaufschlagungsfläche
an einer der Seitenwangen. Da die Seitenwangen bei Betätigung des
mindestens einen Aktuators eine bogenförmige Gestalt einnehmen, können sie
sich optimal an auch empfindliche Teile anschmiegen und ermöglichen
somit eine schonendes Festhalten von Teilen.
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Eine
weitere vorteilhafte Bauform sieht eine Ausgestaltung des Gerätes als
Schwimmgerät
vor, bei dem die durch den mindestens einen Aktuator hervorgerufene
Auslenkbewegung der Kraftabgabestruktur für den Vortrieb im Wasser verantwortlich
ist. Das Schwimmgerät
ist zweckmäßigerweise
für funkgesteuerten
Betrieb ausgelegt.
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Bei
einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung
handelt es sich um ein Unterwasser-Schwimmgerät. Dieses kann insbesondere
eine der Anatomie eines Fisches nachempfundene Gestaltung aufweisen,
wobei die Antriebseinheit für
die Erzeugung des Flossenschlages der Schwanzflosse verantwortlich
sein kann.
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In
dem letztgenannten Fall bildet die Antriebseinheit vorzugsweise
den rückseitigen
Endabschnitt des Gerätrumpfes,
wobei ihr Kopfbereich nach hinten weist und die Schwanzflosse trägt. Bei einer
hin und her gehenden Auslenkbewegung der Antriebseinheit wird mithin
die Schwanzflosse zu einer wedelnden Bewegung angetrieben, woraus
unter anderem ein Vortrieb für
das Gerät
resultiert.
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Die
Schwanzflosse kann ihrerseits auf der Basis mindestens einer Kraftabgabestruktur
aufgebaut sein, wie sie auch die Antriebseinheit aufweist. Allerdings
werden hierbei keine zusätzlichen
Aktuatoren benötigt.
Vielmehr fungiert die Kraft abgabestruktur in diesem Fall als passive
Struktur, vergleichbar dem aus der
EP 1 316 651 A2 bekannten, zur Aufnahme von
Kräften
dienenden Bauteil. Die durch die Antriebseinheit hervorgerufene
Flossenschlagbewegung der Schwanzflosse führt hier aufgrund der vom Wasser
ausgeübten
Reaktionskräfte
zu einer Auswölbung
der Schwanzflosse mit der Folge einer optimalen Kraftübertragung.
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Um
das fischartig nachempfundene Unterwasser-Schwimmgerät lenken
zu können,
ist die Antriebseinheit in ihrem Fußbereich zweckmäßigerweise
insgesamt schwenkbar an einem den Gerätekopf mit umfassenden Geräte-Vorderteil
angeordnet. Durch einen oder mehrere Lenk-Aktuatoren kann ihre Ausrichtung
bezüglich
dem Geräte-Vorderteil verändert werden,
woraus eine Richtungsänderung des
vorwärtsschwimmenden
Unterwasser-Schwimmgerätes resultiert.
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Der
mindestens eine Lenk-Aktuator ist zweckmäßigerweise ein Kontraktionsaktuator
der weiter oben schon geschilderten Bauart.
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Um
die Tauchtiefe des Unterwasser-Schwimmgerätes nach Bedarf einstellen
zu können,
enthält
das Gerät
zweckmäßigerweise
mindestens eine Tarierkammer, der geeignete Mittel zugeordnet sind,
um sie wahlweise in unterschiedlichem Verhältnis mit Luft und/oder mit
Wasser befüllen
zu können.
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Die
für den
Betrieb des Gerätes
erforderlichen Steuerungsmittel befinden sich zweckmäßigerweise
im Gerätekopf.
Dort kann sich insbesondere auch die Empfangseinheit einer Funkfernsteuereinrichtung
befinden, die einen ferngesteuerten Betrieb des Gerätes und
all seiner Funktionen ermöglicht.
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Sofern
für den
Betrieb des Gerätes
Druckluft notwendig ist, ist es zweckmäßigerweise mit mindestens einem
Druckluftspeicher ausgestattet, der über eine längere Zeitspanne hinweg einen
autarken Betrieb des Gerätes
gestattet.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Diese
Erläuterung
findet überwiegend
anhand eines als Unterwasser-Schwimmgerät ausgebildeten Gerätes statt, ohne
dass jedoch die einzelnen Details auf eine solche Bauform beschränkt wären.
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Im
einzelnen zeigen:
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1 ein
Gerät zur
Kraftabgabe in Gestalt eines Unterwasser-Schwimmgerätes, das
hinsichtlich seiner Gestaltung der Anatomie eines Fisches nachempfunden
ist, in perspektivischer Darstellung,
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2 das
Gerät aus 1 in
einer Seitenansicht,
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3 das
Gerät aus 1 in
einer Draufsicht,
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4 das
Gerät der 1 bis 3 in
einer Explosionsdarstellung unter Weglassung der den Rumpfbereich
umschließenden
Hülle,
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5 die
Anordnung aus 4 in einer Seitenansicht,
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6 die
Anordnung aus 4 und 5 in einer
Draufsicht mit Blickrichtung gemäß Pfeil
VI,
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7 einen
vertikalen Längsschnitt
durch das Gerät
gemäß Schnittlinie
VII-VII aus 3 und 8,
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8 einen
horizontalen Längsschnitt
durch das Gerät
gemäß Schnittlinie
VIII-VIII aus 7,
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9 einen
weiteren Längsschnitt
durch das Gerät
gemäß Schnittlinie
IX-IX aus 7,
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10 bis 12 die
bei dem Gerät
der 1 bis 9 verwirklichte Antriebseinheit
in schematischer Darstellung und in unterschiedlichen Betriebszuständen, und
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13 bis 15 die
bei der Schwanzflosse des Gerätes
zur Anwendung gelangende passive Struktur in ebenfalls schematischer
Darstellung und in unterschiedlichen Betriebszuständen.
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Das
in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Kraftabgabegerät 1 ist
beim Ausführungsbeispiels
als Fortbewegungsgerät
konzipiert, welches sich selbst, aufgrund einer integrierten Antriebseinheit 2,
fortbewegen kann. Die 10 bis 12 illustrieren
die Antriebseinheit 2 in einer gesonderten schematischen
Darstellung in unterschiedlichen Betriebsphasen.
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Das
Kraftabgabegerät 1 des
Ausführungsbeispiels
ist ein Schwimmgerät,
genauer gesagt ein Unterwasser-Schwimmgerät. Es ermöglicht eine Fortbewegung im
unter Wasser getauchten Zustand. Prinzipiell könnte es, bei ausreichender
Größe, mit einer
Kabine zur Aufnahme von Bedienpersonal ausgestattet sein. Im konkreten
Fall handelt es sich um ein unbemanntes Unterwasser-Schwimmgerät, das über Funk
ferngesteuert betrieben werden kann. Ein Funkempfänger ist
in 7 bei 3 ersichtlich.
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Eine
Besonderheit des abgebildeten Unterwasser-Schwimmgerätes besteht
darin, dass seine gesamthafte Gestaltung der Anatomie eines Fisches nachgebildet
ist, wobei durch die integrierte Antriebseinheit 2 auch
der typische, hin und her gehende Schwanzflossenschlag nachgeahmt
werden kann. Letzterer ist in 3 bei 4 durch
einen Doppelpfeil angedeutet. Die Schwanzflosse trägt die Bezugsziffer 5.
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Das
Kraftabgabegerät
besitzt Längserstreckung
mit einer Längsachse 6.
Der Schwanzflossenschlag 4 erfolgt in horizontaler Richtung
quer zu der Längsachse 6.
Abweichend könnte
das Schwimmgerät
auch zur Generierung eines vertikalen Schwanzflossenschlages ausgelegt
sein.
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Das
Kraftabgabegerät 1 verfügt über einen
in Bewegungsrichtung vorne liegenden Gerätekopf 7, die rückseitig
angeordnete Schwanzflosse 5 und einen sich dazwischen erstreckenden
Geräterumpf 8. Die
Antriebseinheit 2 bildet den rückseitigen Endabschnitt des
Geräterumpfes 8 und
ist insofern ein Bindeglied zwischen dem Gerätekopf 7 und der Schwanzflosse 5.
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Die
Antriebseinheit 2 hat Längserstreckung mit
einer im folgenden als Hauptachse 12 bezeichneten Längsachse.
Ausgehend von ihrem dem Gerätekopf 7 zugewandten
Endbereich – als
Fußbereich 13 bezeichnet – besitzt
sie eine sich zum entgegengesetzten, der Schwanzflosse 5 zugewandten
Kopfbereich 14 hin verjüngende
Gestalt.
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Ein
Kernbestandteil der Antriebseinheit 2 ist eine als Kraftabgabestruktur 15 bezeichnete
Verbundstruktur aus mehreren in besonderer Weise miteinander gekoppelten
Elementen. Unter diesen Elementen befinden sich zwei mit Abstand
längsseits nebeneinander
angeordnete, Längserstreckung
aufweisende Seitenwangen 16, 17, die sich ausgehend vom
Fußbereich 13 zum
Kopfbereich 14 erstrecken, wobei sie sich in Richtung zum
Kopfbereich 14, insbesondere gleichmäßig, an einander annähern. In der
beispielsweise aus 6 und 10 hervorgehenden
Grundstellung sind die Seitenwangen 16, 17 symmetrisch
diesseits und jenseits der Hauptachse 12 angeordnet, die
mit der Längsachse 6 zusammenfällt.
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Die
beiden Seitenwangen 16, 17 erstrecken sich in
einer gemeinsamen Erstreckungsebene 18, die in der horizontalen
Normallage des Kraftabgabegerätes 1 exemplarisch
eine Horizontalebene ist. Der Schwanzflossenschlag 4 findet
in dieser Erstreckungsebene 18 statt.
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In
dem Fußbereich 13 sind
die beiden Seitenwangen 16, 17 an einem starren
Träger 22 befestigt.
An den zugeordneten Befestigungsstellen 23 kann – gemäß 10 und 12 – eine starre
Verbindung oder – gemäß 11 – eine gelenkige
Verbindung mit zu der Erstreckungsebene 18 rechtwinkeligen
Gelenkachsen vorliegen.
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Am
Kopfbereich 14 sind die beiden Seitenwangen 16, 17 in
einer Montageschnittstelle 24 zusammengeführt. Dort
ist, über
ein geeignetes Gegenstück 25,
die Schwanzflosse 5 montiert.
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Die
beiden Seitenwangen 16, 17 sind in der Erstreckungsebene 18 federelastisch
biegbar, vergleichbar einer Blattfeder. Sie haben eine bevorzugt streifenartige
Gestaltung mit zur Erstreckungsebene 18 rechtwinkeliger
Streifenebene, wobei ihre reckwinkelig zu der Erstreckungsebene 18 gemessen Breite
zweckmäßigerweise
ausgehend von dem Fußbereich 13 hin
zu dem Kopfbereich 14 abnimmt.
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Die 11 und 12 vermitteln
einen Eindruck über
die Federelastizität
der beiden Seitenwangen 16, 17. Sie können ohne
weiteres so abgebogen werden, dass sie in der Erstreckungsebene ausgewölbt sind.
Nach Wegnahme der entsprechenden Verformungskraft kehren sie wieder
in die aus 6 und 10 ersichtliche
Grundstellung zurück, in
der sie beispielhaft
- – in der Normalenrichtung der
Erstreckungsebene 18 betrachtet
- – zum
Kopfbereich 14 hin V-förmig
aufeinander zu laufen.
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Die
beiden Seitenwangen 16, 17 sind über in Richtung
der Hauptachse 12 zueinander beabstandete biegesteife Koppelstreben 26 miteinander
verbunden. Die Verbindungsstellen sind als Gelenkstellen 27 ausgeführt, insbesondere
mit zu der Erstre ckungsebene 18 rechtwinkeligen Gelenkachsen 28. Die
Koppelstreben 26 verlaufen quer zu der Hauptachse 12 und
insbesondere parallel zu der Erstreckungsebene 18.
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Die
Seitenwangen 16, 17 und Koppelstreben 26 können einstückig miteinander
verbunden sein. Die Gelenkstellen 27 sind in diesem Fall
als Festkörpergelenke
oder sogenannte Filmscharniere ausgeführt. Vor allem dann jedoch,
wenn wie beim Ausführungsbeispiel
relativ hohe Kräfte
zu erzeugen sind, kann sich eine gesonderte Ausgestaltung dieser Komponenten
empfehlen, die dann durch geeignete Scharniermittel aneinander angelenkt
sind.
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Die
Koppelstreben 26 sind insbesondere so angeordnet, dass
sie in der aus 6 und 10 hervorgehenden
Grundstellung rechtwinkelig zu der Hauptachse 12 verlaufen.
Sie bilden dadurch, zusammen mit den sich zwischen jeweils benachbarten Gelenkstellen 27 erstreckenden
Längenabschnitten der
Seitenwangen 16, 17, mehrere aufeinanderfolgende
trapezförmige
Felder 32.
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Um
eine besonders verwindungssteife Struktur zu erzielen, kann es vorteilhaft
sein, die Koppelstreben 26 an einer oder mehreren bezüglich der Hauptachse 12 auf
gleicher Höhe
liegenden Stellen paarweise anzuordnen. Man kann sich dies bei spielsweise
jeweils als rahmenartige Struktur vorstellen, wobei an zwei gegenüberliegenden
Rahmenschenkeln die beiden Seitenwangen 16, 17 angreifen und
die beiden anderen Rahmenschenkel je eine Koppelstrebe 26 bilden.
Die Koppelstreben 26 eines jeweiligen Strebenpaares liegen
sich zweckmäßigerweise
in der Normalenrichtung der Erstreckungsebene 18 mit Abstand
gegenüber.
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Die
derart ausgebildete Kraftabgabestruktur 15 ist mit mindestens
einem mit elektrischer Energie und/oder mit Fluidkraft betätigbaren
Aktuator 33 kombiniert, der je nach Ausgestaltung in der
Lage ist, Zug- und/oder Druckkräfte
in die Kraftabgabestruktur 15 einzuleiten. Es handelt sich
insbesondere um Linearaktuatoren.
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Beim
Ausführungsbeispiel
umfasst die Antriebseinheit 2 insgesamt zwei Aktuatoren 33a, 33b, bei
denen es sich um Zugaktuatoren handelt und an deren einander axial
entgegengesetzten Endbereichen eine Zugkraft abgegriffen werden
kann. Aus 10 bis 12 kann
entnommen werden, dass diese beiden Aktuatoren 33a, 33b zweckmäßigerweise
im Innern der Kraftabgabestruktur 15 angeordnet sind und
sich dabei insbesondere zwischen den beiden Seitenwangen erstrecken.
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Die
beiden Aktuatoren 33a, 33b sind rechtwinkelig
zu der Erstreckungsebene 18 versetzt zueinander angeordnet
und überkreuzen
sich. Ihre beiden endseitigen Kraftabgriffsbereiche liegen jeweils diesseits
und jenseits der Hauptachse 12. Insgesamt ergibt sich hierbei
eine dahingehende Konfiguration, dass die Aktuatoren 33a, 33b mit
schräg
zu der Hauptachse 12 verlaufender Krafteinleitungsrichtung an
der Kraftabgabestruktur 15 angreifen.
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Vorzugweise
greifen die beiden Aktuatoren 33a, 33b ausschließlich an
der Kraftabgabestruktur 15 an. Die entsprechenden Angriffspunkte
seien im folgenden als Krafteinleitungsstellen 34a, 35a; 34b, 35b bezeichnet.
Die beiden Krafteinleitungsstellen 34a, 35a; 34b, 35b eines
jeweiligen Aktuators 33a, 33b sind in Richtung
der Hauptachse 12 zueinander beabstandet. Jeder Aktuator 33a, 33b greift
einenends an der einen und andernends an der anderen Seitenwange 16, 17 an,
oder alternativ an einer der Gelenkstellen 27 oder demjenigen
Abschnitt einer Koppelstrebe 26, der auf der entsprechenden
Seite der Hauptachse 12 liegt.
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Die
Kreuzungsstelle 31 der beiden Aktuatoren 33a, 33b liegt
zweckmäßigerweise
in einer zur Erstreckungsebene 18 rechtwinkeligen, die
Hauptachse 12 enthaltenden Ebene.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Krafteinleitungsstellen 34 wie
abgebildet im Bereich der Gelenkstellen 27 zu platzieren.
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Abweichend
von der geschilderten Bauform könnten
die Aktuatoren 33a, 33b auch nur einenends an
der Kraftabgabestruktur 15 angreifen, wobei sie dann andernends
insbesondere an dem Träger 22 befestigt
wären.
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Die
beiden Aktuatoren 33a, 33b sind durch bevorzugt
im Gerätekopf 7 untergebrachte
Steuermittel 36 abwechselnd aktivierbar und deaktivierbar. Während der
Aktivierung des jeweils einen Aktuators 33a, 33b bleibt
der andere Aktuator 33b, 33a zweckmäßigerweise
deaktiviert.
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Die 11 und 12 zeigen
jeweils einen Betriebszustand, bei dem der eine, erste Aktuator 33a aktiviert
und der andere, zweite Aktuator 33b deaktiviert ist. Der
aktivierte Aktuator 33a hat die beiden von ihm beaufschlagten
Krafteinleitungsstellen 34a, 35a zueinander gezogen.
Dies führt
zu einer Einwölbung
derjenigen Seitenwange 17, an der sich die näher zum
Kopfbereich 14 liegende Krafteinleitungsstelle 35a befindet.
Aufgrund der angelenkten, quer verlaufenden Koppelstreben 26 wirkt
sich die Krümmung
dieser einen Seitenwange 17 unmittelbar auch auf die andere
Seitenwange 16 aus, die sich folglich mit gleicher Krümmungsrichtung
ebenfalls auswölbt.
Es tritt hier insgesamt der Effekt auf, dass die Diagonalen zwischen
den einzelnen trapezförmigen
Feldern 32 verkürzt
werden, was zu einer Verschiebung der einzelnen Strukturabschnitte
führt und letztlich
gemäß 11 oder 12 zur
Folge hat, dass die gesamte Kraftabgabestruktur 15 unter
elastischem Verbiegen der Seitenwangen 16, 17 in
der einen oder anderen Richtung in der Erstreckungsebene 18 seitwärts ausgelenkt
wird.
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Dabei
wurde der Effekt festgestellt, dass bei einer gelenkigen Anbindung
der Seitenwangen 16, 17 am Träger 22 eine im wesentlichen
C-förmige
Biegekurve auftritt (11). Bei starrer Anbindung an den
Befestigungsstellen 23 hingegen, ergibt sich eine S-förmige Auslenkkurve
(12).
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Wird
der erste Aktuator 33a wieder deaktiviert, kehrt die Kraftabgabestruktur 15 aufgrund
der reversiblen Rückstelleigenschaften
der federelastischen Seitenwangen 16, 17 in die
aus 10 ersichtliche Grundstellung zurück.
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Wird
nun der andere, zweite Aktuator 33b in entsprechender Weise
aktiviert, findet die gleiche Auslenkbewegung in die entgegengesetzte
Richtung statt.
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Somit
kann eine in 3 durch einen Doppelpfeil angedeutete
Pendelbewegung 37 der Kraftabgabestruktur 15 bezüglich dem
sich an ihren Fußbereich 13 anschließenden Geräte-Vorderteil 38 hervorgerufen
werden. Die Montageschnittstelle 24 und mit dieser der
daran angebrachte Wurzelbereich 42 der Schwanzflosse 4 schwingen
folglich in entsprechender Weise mit.
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Die
ein flächenhaftes
Gebilde mit zur Erstreckungsebene 18 rechtwinkeliger Ausdehnungsebene darstellende
Schwanzflosse 5 führt
aufgrund der in der Erstreckungsebene 18 stattfindenden
Pendelbewegung 37 eine dem natürlichen Flossenschlag eines
Fisches vergleichbare Antriebsbewegung aus. Die hierbei auftretenden
Kinematik kann durch ein besonders vorteilhaften Aufbau der Schwanzflosse 5,
wie er beim Ausführungsbeispiel
realisiert ist, wirksam unterstützt
werden.
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Die
Schwanzflosse 5 enthält
zweckmäßigerweise
zwei in Richtung der zur Erstreckungsebene 18 rechtwinkeligen
Hochachse 43 des Kraftabgabegerätes 1 beabstandete
Kraftabgabestrukturen 44, deren konzeptioneller Aufbau
demjenigen der Kraftabgabestruktur 15 der Antriebseinheit 2 entspricht.
Ihre Fußbereiche 45 befinden
sich an dem Wurzelbereich 42, und sie divergieren ausgehend von
dort bis hin zu ihren Kopfbereichen 46, wobei der dazwischen
liegende Bereich von einer ein- oder mehrlagigen Flossenhaut 47 überspannt
ist.
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Abweichend
von der Antriebseinheit 2 sind den Kraftabgabestrukturen 44 der
Schwanzflosse 4 keine Aktuatoren zugeordnet. Es handelt
sich um passive Strukturen, deren Verformung aus der beim Verschwenken
auf sie einwirkenden Gegenkraft 48 resultiert, die das
umgebende Wasser hervorbringt, wenn die Schwanzflosse 5 und
somit die Kraftabgabestrukturen 44 durch die Pendelbewegung
der Montageschnittstelle 24 hin und her bewegt werden (14 und 15).
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In 13 ist
eine der beiden Kraftabgabestrukturen 44 exemplarisch in
ihrer Grundstellung gezeigt, die der in 10 abgebildeten
Grundstellung der Kraftabgabestruktur 15 der Antriebseinheit 2 entspricht.
Der Fußbereich 45 der
Kraftabgabestruktur 44 ist an der als Träger fungierenden
Montageschnittstelle 24 entweder gelenkig (14)
oder starr (15) befestigt, woraus die sich
bei der Pendelbewegung 37 einstellenden, aus 14 und 15 ersichtlichen
Gestaltänderungen
resultieren. Die Kraftabgabestruktur 44 buchtet sich aufgrund
der Gegenkraft 48 jeweils an derjenigen Seite ein, zu der hin
die Montageschnittstelle 24 bzw. der Wurzelbereich 42 hin
verschwenkt wird.
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Die
Kraftabgabestrukturen 44 sind mit einer Hüllhaut 52 überzogen,
so dass auch dort, und nicht nur im Bereich der Flos senhaut 47,
ein kräftemäßiges Zusammenwirken
mit dem umgebenden Wasser möglich
ist.
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Abweichend
vom Ausführungsbeispiel
kann auch die gesamte Schwanzflosse 5 in Gestalt einer umhüllten Kraftabgabestruktur 44 ausgeführt sein. Die
Kraftabgabestruktur 44 erstreckt sich dann auch über den
Bereich hinweg, der beim Ausführungsbeispiel
von der Flossenhaut 47 überbrückt ist.
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Eine
die Kraftabgabe an das umgebende Wasser begünstigende wasserdichte Hülle 53 umschließt auch
die Antriebseinheit. Die Hülle 53 ist
flexibel und bevorzugt vergleichbar einer Haut oder Folie relativ
dünn ausgebildet,
so dass sie die Auslenkbewegungen und Krümmung der Kraftabgabestruktur 15 ohne
weiteres mitmachen kann. Vorzugsweise ist die Hülle 53 schlauchartig
ausgebildet, mit einem über
ihre Länge
hinweg sich entsprechend der Gestaltung der Antriebseinheit 2 veränderndem
Querschnitt, wobei ihre Montage dadurch möglich ist, dass sie bei noch
nicht installierter Schwanzflosse 5 über die Montageschnittstelle 24 hinweg
auf die Antriebseinheit 2 aufgezogen ist.
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Zur
Fixierung der Hülle 53 kann
die Kraftabgabestruktur 44 mit einer Abstützstruktur 54 versehen
und/oder zumindest teilweise von der Kraftabgabestruktur 15 unmittelbar
selbst gebildet sein. Beim Ausführungsbeispiel
enthält
die Abstützstruktur 54 eine
Mehrzahl von in Richtung der Hauptachse 12 beabstandeten,
bevorzugt bogenförmigen
Abstützbügeln 55,
die diesseits und jenseits der Erstreckungsebene 18 auf
Höhe der
Koppelstreben 26 an der Kraftabgabestruktur 15 befestigt
sind. Auf diese Weise ergibt sich gemäß 4 eine Mehrfachanordnung
von in Richtung der Hauptachse 12 mit Abstand aufeinander
folgenden Ringstrukturen, auf die die flexible Hülle 53 gemäß 7 aufgezogen
ist.
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Die
erwähnte
schwenkbare Lagerung der Antriebseinheit 2 bezüglich dem
Geräte-Vorderteil 38 ist über eine
Drehlagerung des Trägers 22 realisiert. Der
Träger 22 ist
um eine zur Hauptachse 12 rechtwinkelige und zweckmäßigerweise
mit der Geräte-Hochachse 43 gleichgerichtete
Drehachse 56 verdrehbar an dem Geräte-Vorderteil 38 gelagert.
Die Drehachse 56 definierende Drehachsmittel 57 sind beispielsweise
aus 4 und 7 ersichtlich.
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Die
Schwenkbarkeit zwischen Antriebseinheit 2 und Geräte-Vorderteil 38 ermöglicht praktisch ein
Durchbiegen des gesamten Kraftabgabegerätes 1 zum Zwecke seines
Lenkens. Die beiden hierbei hervorrufbaren Lenkausschlagbewegungen 58 der Antriebseinheit 2 sind
in 8 durch Pfeile deutlich gemacht.
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Das
Drehmoment für
die Erzeugung der Lenkausschlagbewegungen 58 liefern zwei
zur besseren Unterscheidung als Lenk-Aktuatoren 62 bezeichnete Aktuatoren,
die wie die Aktuatoren 33 der Antriebseinheit 2 vorzugsweise
als Linearaktuatoren ausgebildet sind.
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Beim
Ausführungsbeispiel
sind die Lenk-Aktuatoren 62 reine Zugaktuatoren. Einer
der Lenk-Aktuatoren 62 greift einenends diesseits der Drehachse 56 an
dem Träger 22 an,
während
der andere Lenk-Aktuator 62 mit seinem einen Ende jenseits
der Drehachse 56 an dem Träger 22 angreift. Ausgehend von
diesen Angriffsstellen 63 ragen die beiden Lenk-Aktuatoren 62 in
Richtung zum Gerätekopf 7 nach
vorne, an dem sie, an weiteren Angriffsstellen 64, mit
ihren anderen Endbereichen fixiert sind. Wird durch die Aktivierung
eines Lenk-Aktuators 62 eine Zugkraft generiert, verdreht
sich der Träger 22 dementsprechend
um die Drehachse 56 und die Antriebseinheit 2 führt die
zugeordnete Lenkausschlagbewegung aus.
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Prinzipiell
wäre es
auch möglich,
das Lenk-Drehmoment alternativ durch drückend wirksame Lenk-Aktuatoren
hervorzurufen oder auch durch doppeltwirkende Aktuatoren, die in
der Lage sind sowohl eine Drückkraft
als auch eine Zugkraft auszuüben.
Im letzteren Fall könnte
auch nur ein einziger Lenk-Aktuator zum Einsatz kommen.
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Sowohl
die Aktuatoren 33 der Antriebseinheit 2 als auch
die Lenk-Aktuatoren 62 – im folgenden gemeinsam vereinfacht
nur noch als Aktuatoren 33, 62 bezeichnet – sind vorzugsweise
als Fluidaktuatoren ausgebildet. Sie können mit einem beliebigen Fluid
betrieben werden, sei es gasförmiger
oder hydraulischer Natur. Beim Ausführungsbeispiel kommt Druckluft
als Antriebsfluid zum Einsatz.
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Die
Aktuatoren 33, 62 könnten in Gestalt konventioneller
Pneumatikzylinder ausgeführt
sein. Als besonders vorteilhaft wird jedoch die beim Ausführungsbeispiel
realisierte Bauform als Kontraktionsaktuatoren 65 angesehen.
Eine zweckmäßige Bauform
hierfür
geht aus der WO 00/61952 A1 hervor, deren Inhalt hiermit ausdrücklich einbezogen wird.
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Jeder
Kontraktionsaktuator 65 verfügt über einen in 9 in
einem vergrößerten Ausschnitt
abgebildeten Kontraktionsschlauch 66, der aus einem gummielastischem
Schlauchkörper 67 und
einer zu dem Schlauchkörper 67 koaxialen
Strangstruktur 68 besteht. Die Strangstruktur 68 umfasst
eine Vielzahl biegeflexibler, zugleich jedoch hoch zugfester Zugstränge, die
in einer Überkreuzkonfiguration
angeordnet sind, entweder um den Schlauchkörper 67 herum oder,
bevorzugt, in diesen eingebettet.
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Der
Kontraktionsschlauch 66 erstreckt sich zwischen zwei dem
Kraftabgriff dienenden Kopfstücken 72. Über diese
Kopfstücke 72 ist
er an den Krafteinleitungsstellen 34, 35 bzw.
den Angriffsstellen 63, 64 verankert. Der Innenraum 73 des
Kontraktionsschlauches 66 steht mit einer nicht näher dargestellten
Fluidleitung in Verbindung, über
die hinweg eine Druckbeaufschlagung oder Druckentlastung möglich ist.
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Im
druckentlasteten Zustand nimmt der Kontraktionsaktuator 65 die
aus der Zeichnung ersichtliche Strecklage ein. Wird sein Innenraum 73 mit
atmosphärischem Überdruck
beaufschlagt, weitet er sich radial auf, was aufgrund der Strangstruktur 68 eine
gleichzeitige axiale Kontraktion zur Folge hat, mit dem Effekt,
dass die beiden Kopfstücke 72 und mithin
die an diesen befestigten Bestandteile des Kraftabgabegerätes 1 zueinander
gezogen werden.
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Ein
großer
Vorteil dieses Kontraktionsaktuators 65 ist seine vor allem
zu Beginn der Kontraktionsbewegung extrem hohe Zugkraft. Außerdem ist er
flexibel, so dass er im deaktivierten Zustand – wie dies aus 11 und 12 ersichtlich
ist – problemlos
durchgebogen werden kann, wenn er durch die Kraftabgabestruktur 15 mit
einer Querkraft beaufschlagt wird. Dadurch behindert der deaktivierte
Kontraktionsaktuator 65 die Auslenkbewegung der Kraftabgabestruktur 15 nicht.
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Die
schon erwähnten
Steuermittel 36 ermöglichen
die den gewünschten
Betriebsablauf gewährleistende
gesteuerte Fluidbeaufschlagung der Aktuatoren 33, 62.
Zu diesem Zweck enthalten die Steuermittel 36 vorzugsweise
eine mit dem Funkempfänger 3 zusammenarbeitende
Steuerelektronik 74 sowie durch diese Steuerelektonik 74 elektrisch
ansteuerbare Steuerventile 75. Die notwendige Druckluft
liefert ein im Innern des Kraftabgabegerätes 1 untergebrachter
Druckluftspeicher 76, welcher insbesondere zum Geräte-Vorderteil 38 gehört. Es handelt
sich bei ihm zweckmäßigerweise
um ein druckfestes Behältnis.
Beim Ausführungsbeispiel
ist eine Ausgangsfüllmenge
von 1,5 Litern Luft vorgesehen, die auf 300 bar verdichtet ist.
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Der
Druckluftspeicher 76 kann über Befestigungsmittel 77,
beispielsweise eine ihn umschließende Klemmschelle, am Gerätekopf 7 befestigt
sein. Er ist auch vorzugsweise das Bindeglied zur Antriebseinheit 2.
Exemplarisch ist der Druckluftspeicher 76 von einem zur
Längsachse 6 koaxialen
Klemmring 78 umschlossen, an dem unter Zwischenschaltung
der Drehachsmittel 57 der Träger 22 gelagert ist.
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Im
Innern des Geräte-Vorderteils 38 und hierbei
insbesondere im Innern des Gerätekopfes 7, ist
zweckmäßigerweise
auch noch eine Tarierkammer 82 untergebracht. Ihre Funktion
ist mit derjenigen der Schwimmblase eines Fisches vergleichbar. Sie kann
in einem ausgewählten
Mengenverhältnis mit
Luft und Wasser befüllt
werden, um das Kraftabgabegerät 1 in
stabiler horizontaler Schwimmlage und in der gewünschten Tauchtiefe austarieren
zu können.
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Am
Boden der Tarierkammer 82 befinden sich ein oder mehrere
Wasser-Durchtrittsöffnungen 83.
Ein Einspeise- und Saugrüssel 84 verläuft so im Innern
der Tarierkammer 82, dass seine Mündung im deckennahen Bereich
der Tarierkammer 82 liegt. Unter Vermittlung der Steuerventile 75 kann über den Einspeise-
und Saugrüssel 84 hindurch
Druckluft in die Tarierkammer 82 eingespeist werden, so
dass das darin befindliche Wasser über die Wasser-Durchtrittsöffnungen 83 hinweg
zur Umgebung hinaus verdrängt
wird.
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An
den Einspeise- und Saugrüssel 84 ist
außerdem
eine nach dem Prinzip einer Strahlpumpe arbeitende Ejektoreinrichtung 85 angeschlossen.
Ist sie aktiviert, erfolgt ein Absaugen der in der Tarierkammer 82 befindlichen
Luft, mit der Folge, dass Wasser von außen her über die Wasser-Durchtrittsöffnungen 83 hinweg
in die Tarierkammer 82 zuströmen kann.
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Auf
diese Weise lässt
sich das gewünschte Verhältnis zwischen
Wasser- und Luftmenge in der Tarierkammer 82 nach Bedarf
einstellen.
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Die
erforderliche Druckluft für
den Betrieb der Tarierkammer 82 stammt wiederum aus dem Druckluftspeicher 76.
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Mindestens
ein vorzugsweise ebenfalls im Gerätekopf 7 untergebrachter
Akku 86 oder eine vergleichbare elektrische Energiequelle
liefert die elektrische Energie für die an Bord befindlichen
elektrischen Komponenten, insbesondere für die Steuerelektronik 74 und
die elektrisch betätigbaren
Steuerventile 75.
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Ein
an Bord befindlicher Druckregler 87 oder Druckminderer
reduziert den im Druckspeicher 76 vorhandenen Luftdruck
auf einen für
die pneumatischen Komponenten verträglichen Arbeitsdruck, beispielsweise
in der Größenordnung
von 8 bar.
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Ein
Drucksensor 88 erfasst den Umgebungsdruck im Wasser. Anhand
der von ihm ermittelten Werte kann die Steuerelektronik 74 durch
entsprechende Befüllung
der Tarierkammer 82 die gewünschte Tauchtiefe einstellen.
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Der
Gerätekopf 7 ist
zweckmäßigerweise mehrteilig
aufgebaut. Er kann gemäß 4 und 5 einen
die Steuermittel 36 enthaltenden Hauptkörper 93 besitzen,
an dem auch die Antriebseinheit 2 befestigt ist. Ein auf
diesen Hauptkörper 93 aufsetzbares
Oberteil 94 bildet zweckmäßigerweise die Tarierkammer 82.
Auf das Oberteil 94 ist eine Haube 95 aufgesetzt,
die gleichzeitig dazu dienen kann, zwischen sich und dem Oberteil 94 die
Hülle 53 am
vorderen Endbereich festzuspannen. Der rückwärtige Endbereich der Hülle 53 ist
zweckmäßigerweise
an der Montageschnittstelle 24 oder am zugeordneten Gegenstück 25 der
Schwanzflosse 5 befestigt.
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Insbesondere
die sich auf die Antriebseinheit 2 beziehenden Ausführungen
gelten auch für
andere Ausgestaltungen des Kraftabgabegerätes 1. Exemplarisch
sei an dieser Stelle eine Ausgestaltung als Haltevorrichtung erwähnt, in
welchem Fall die Kraftabgabestruktur 15 der Antriebseinheit 2,
wie in 10 bis 12 angedeutet,
mindestens eine Beaufschlagungsfläche 89 bilden oder
aufweisen kann, die zweckmäßigerweise
einer der beiden Seitenwangen 17 zugeordnet ist. Die bei
Aktivierung eines Aktuators 33 von der Kraftabgabestruktur 15 abgegebene
Kraft 90 dient in diesem Fall anders als bei der Ausgestaltung
als Fortbewegungsgerät
nicht zur Erzeugung einer Antriebskraft, sondern zum Erzeugen einer
Haltekraft, mit der die Beaufschlagungsfläche 89 gegen einen
festzuhaltenden Gegenstand vorspannbar ist.