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Mechanische Transmission
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Die Erfindung betrifft eine biegungsfähige mechanische Transmission
oder Kraftübertragungseinrichtung, die beispielsweise bei einer Saugeinrichtung
verwendet werden kann.
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Bei manchen Anwendungsfällen besteht die Notwendigkeit, eine Linearbewegung
von einem Antrieb, wie beispielsweise einem Getriebe-Elektromotor, zu übertragen.
Häufig werden sowohl Kontraktions- als auch Kompressionskräfte verlangt, nämlich
dann, wenn die Bewegung in zwei Richtungen abzulaufen hat.
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Außerdem kann es wünschenswert sein, daß die Kraftübertragungseinrichtung
biegungsfähig ist oder über einen Krümmer oder ein Gelenk verläuft.
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Ein konkretes Ausführungsbeispiel, wobei eine Vorrichtung dieser Art
verwendet wird, sind kleine Aspiratoren. Ein Aspirator besteht beispielsweise aus
einem Probenahmezylinder mit einem eingepaßten, linear beweglichen Kolben. Bei Bewegung
des Kolbens wird Luft eingesaugt und durch einen Kanal, beispielsweise eine Kapillare
am Zylinderende ausgestoßen. Läßt man den Kolben sich bei sehr geringer Geschwindigkeit
bewegen, so kann man aus der Umgebung kontinuierlich Luft dem Probenahmezylinder
über eine vorbestimmte Zeitspanne, beispielsweise über vier Stunden hinweg, zuführen.
Die Luft kann man dann in einem Gas-Chromatografen analysieren, wobei sich quantitative
Messungen durchführen lassen, beispielsweise über die Menge einer bestimmten chemischen
Verbindung, die der Träger des Aspirators während einer Vergleichs-Zeitspanne eingeatmet
hat.
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Um die erwähnte gleichmäßige Linearbewegung zu erreichen, treibt hierbei
ein mit einem Getriebe versehener Motor eine Gewindespindel an, die durch eine Mitter
hindurchgeführt ist, welche
ihrerseits bei Umdrehung der Gewindespindel
auf und abläuft.
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Der Nachteil einer solchen Einrichtung besteht darin, daß sie zwangsläufig
doppelt so lang wie der Kolbenhub ist.
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Um den Aspirator leichter tragen zu können, ist es wünschenswert,
ihn kürzer zu gestalten, so daß er in die Außentasche der Kleidung des Trägers paßt.
Ein derartiger Aspirator ist beispielsweise in SW-PS 411 147 (entsprechend US-PS
4 281 545) beschrieben. Dabei wird die lineare Bewegung mittels einer Schnur übertragen,
die langsam auf einer Trommel abrollt, welche ihrerseits seitlich des Probenahmezylinders
angeordnet ist. Die Schnur läuft um eine Rolle im unteren Bereich des Aspira-tors
herum und ist sodann weiter zum Kolben geführt, der mit vorbestimmter Geschwindigkeit
dann nach unten bewegt wird, wenn die Schnur auf der Trommel aufgerollt wird.
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Damit die Schnur straff gespannt bleibt, so daß der Kolben dann für
eine neue Probe in die Ausgangspositionen zurückgebracht werden kann, wenn der gefüllte
Probenentnahmezylinder durch einen neuen ersetzt wird, wird eine Gegendruckfeder
vorgesehen. Ein solches Gerät ist nur unwesentlich länger als der Kolbenhub und
daher von der Form her geeignet. Ein Nachteil der Transmission besteht jedoch darin,
daß die Kraft der Feder mit der Abwärtsbewegung des Kolbens zunimmt. Dies erzeugt
eine mechanische Spannung und demgemäß einen unnötig hohen Leistungsbedarf mit entsprechender
Beanspruchung der Batterie. Wird eine Antriebsstange gelöst, um die Kolbenkupplung
rasch wieder zurückzustellen, so werden Kolben oder Kolbenkupplungen mit einer solchen
Kraft nach oben gestoßen, daß der Kolben, der normalerweise aus Glas besteht, beschädigt
werden kann. Diese ansteigende Federkraft verschlechtert außerdem die Präzision
oder Reproduzierbarkeit der Geschwindigkeit der Kolbenbewegung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hin- und hergehendes
Getriebe für eine Linearbewegung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zu schaffen,
wobei weder die Traktionskraft noch die Kompressionskraft mittels einer Feder oder
ähnlicher Elemente erzeugt werden, wobei sich ein statischer Druck aufbaut. Ferner
soll bei einer solchen traversierenden Getriebe das Transmissionsorgan, das die
Linearbewegung überträgt, wenigstens in einer Richtung (in einer Ebene) biegefähig
sein.
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Diese Aufgabe wird gemäß den in den Ansprüchen wiedergegebenen Merkmalen
gelöst. Gemäß der Erfindung wird die Übertragung einer Linearbewegung von einer
Antriebsvorrichtung auf einen Gegenstand wie einen Kolben innerhalb eines Zylinders
mittels eines Transmissionsorganes bewirkt, wobei das Übertragungsorgan eine dichtgewickelte,
nicht unterstützte einfache oder doppelte Spirale ist, die einen solchen Durchmesser
in Bezug auf den Kolbenhub hat, daß sie seitlich nicht unter den aufzubringenden
Kompressionskräften ausknickt, wobei eine solche Vorspannung und ein solcher Drahtdurchmesser
der Spirale angewandt werden, daß diese durch die angewandten Zugkräfte nicht ausbeult.
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Eine derart dichtgewickelte Spirale vermag sowohl Zugkräfte als auch
Druckkräfte zu übertragen, wie sich gezeigt hat.
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Die Größe der zu übertragenden Druckkräfte hängt teilweise von der
freien Länge oder Länge zwischen zwei Unterstützungs-oder Befestigungspunkten -
und teilweise von dem Außendurchmesser der Spirale ab. Durch ein bestimmtes Verhältnis
zwischen der freien Länge, dem Durchmesser und dem Material der Spirale ist eine
gewisse maximale Druckkraft zulässig. Die übertragbare Druckkraft hängt von dem
Material und der Vorspannung der Spiralwindung wie auch vom Drahtdurchmesser ab.
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Gemäß der Erfindung kann es auch vorteilhaft sein, eine Doppelspirale
zu verwenden, wobei eine Spirale die andere umgibt oder auf diese aufgewickelt ist.
Hiermit läßt sich vor allem die Zugkraft wesentlich erhöhen gegenüber dem Fall der
Einzelspirale.
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Als Beispiel einer typischen Vorrichtung, bei welcher sich die Erfindung
anwenden läßt, ist ein Aspirator zu nennen, wobei ein Kolben während einer vorbestimmten
Zeitspanne vom einen Ende eines umgebenden Zylinders zum anderen linear bewegt wird.
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Durch Anwendung einer erfindungsgemäßen mechanischen Übertragungseinrichtung
innerhalb des Aspirators wird eine einfache, unaufwendige und zuverlässige Übertragung
von Bewegung und Kraft vom Antrieb zum Kolben geschaffen. Der Antrieb kann aus einem
Gleichstrom-Getriebemotor oder einem Stufenmotor bestehen. Durch Anwendung eines
solchen Transmissionsorganes gemäß der Erfindung in Gestalt einer dichtgewickelten
Spirale zwischen Antrieb und Gegenstand, geführt durch Rollen oder Anschlag flächen
aus Material mit guten Gleiteigenschaften über eine oder mehrere Anschlußstellen
oder Krümmer läßt sich das Transmissionsorgan umbiegen und verformen, so daß man
eine kompakte Konstruktion geringer Abmessungen erhält.
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Beim gewählten Ausführungsbeispiel ist es ferner vorteilhaft, das
Transmissionsorgan an seinem Antriebsende an einer Buchse zu befestigen, die durch
den Antrieb linear verschoben wird.
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Durch Abbiegen des Transmissionsorganes um 1800 bei geeignetem Radius
läßt sich der Gegenstand dann linear nach oben bewegen (siehe Fig. 2), wenn die
Buchse nach unten wandert und umgekehrt.
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Durch Verbinden der Buchse, die über eine oder mehrere Stangen oder
Schienen läuft, mittels einer Kupplung, die durch einen Betätigungshebel gesteuert
wird, mit einer Schraube, einem verzahnten Band o.dgl., angetrieben vom Antrieb,
läßt sich der Antrieb in einer der EndposiXionen oder an jedem Punkt abkoppeln.
Gemäß der Erfindung ist es weiterhin zweckmäßig, derart
mit der
Kupplung der Buchse zu koppeln, daß er manuell zum linearen Verschieben der Buchse
bewegt werden kann und damit über das Transmissionsorgan auch das Objekt verschiebt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung läßt sich die Spirale an den
Krümmungsstellen jeweils durch eine Führungsschiene geringer Reibzahl führen. Wird
die Spirale in der Vorwärts-oder der Rückwärtsbewegung verschoben, so wird sie entsprechend
über die Führungsschiene gezogen.
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Alternativ zu einer Stange läßt sich auch eine Hülse verwenden. Der
Außendurchmesser der Hülse wie auch der Außendurchmesser der Stange sollten geringfügig
kleiner als der Innendurchmesser der Spirale sein. Der Vorteil einer Hülse statt
einer Stange besteht darin, daß sich durch die Hülse ein Draht oder ein elektrisches
Kabel hindurchführen läßt. Ein weiterer Vorteil des Führens der Spirale auf ihrer
Innenfläche besteht darin, daß die Gleitreibung gering ist. Statt die Buchse linear
zu bewegen, kann man alternativ hierzu das Transmissionsorgan an seinem Antriebsende
befestigen und auf einer drehbaren Trommel aufspulen, die vom Antrieb angetrieben
wird. Die äußere Fläche der Spirale ist hierbei von Rollen oder Flächen geringer
Reibzahl zu unterstützen. Hieraus ergibt sich ein doppelter Vorteil: zunächst bedarf
es keinen besonderen Raumes für aufwärtsbewegte Teile der Spirale beim Abwärtslaufen
des Gegenstandes. Zweitens neigt die Spirale beim Aufrollen auf die Trommel dazu,
sich selbst aufzuwickeln. Diese Aufwickelkraft ist grundsätzlich unabhängig davon,
bis zu welchem Grade die Spirale auf die Trommel aufgewickelt ist, unter der Annahme,
daß die Reibung vernachlässigbar ist. Auf diese Weise kann es vorteilhaft sein,
diese Aufwickelkraft der Spirale dazu zu benutzen, den Gegenstand wieder zurückzustellen,
wenn der Antrieb angekoppelt ist. In manchen Fällen ist es wünschenswert, daß die
mechanische Transmission gefäß der Erfindung eine Zugkraft aufbringt, die genügend
grob, ist, um die Spirale zu dehnen,
womit die Gefahr einer bleibenden
Verformung verbunden ist. In diesen Fällen ist es in weiterer Ausgestaltung der
Erfindung zweckmäßig, eine Schnur, einen Draht oder einen verzahnten Riemen parallel
zur Spirale zwischen Antrieb und Objekt, das heißt dem Kolben, laufen zu lassen.
Hierbei wird die Zugkraft von der Schnur usw. aufgenommen und die Druckkraft von
der erfindungsgemäßen Spirale.
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Alternativ hierzu läßt sich noch ein Stahldraht o.dgl. innerhalb der
Spirale vorsehen, um die notwendige Zugkraft aufzunehmen.
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Gemäß der Erfindung ist es ferner wünschenswert, den Gegenstand an
das Transmissionsorgan mittels einer Grenzkraftkupplung anzukoppeln. Sollte sich
das Objekt aus irgendeinem Grunde bei seiner Bewegung verklemmen, so würde es beim
Überschreiten der Zugkraft über einen vorbestimmten Maximalwert sofort abgekoppelt.
Auf diese Weise wird die dichtgewickelte Spirale nicht einer derart großen Zugkraft
ausgesetzt, daß sie bleibend verformt und damit zerstört wird. Die genannte Grenzkraftkupplung
kann beispielsweise eine Magnetkupplung mit vorgegebener Maximalkraft sein, wobei
die Zugkraft oberhalb eines vorbestimmten Wertes nicht mehr übertragen und der Gegenstand
vom Transmissionsorgan freigegeben wird.
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Damit man feststellen kann, wann eine solche Freigabe stattfindet
und/oder damit man in der Lage ist, den Strom zum Motor des Antriebs zu unterbrechen,
wird in der Grenzkraftkupplung ferner eine elektrische Kontaktfunktion vorgesehen.
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Dies kann in Gestalt eines Signalkreises geschehen, der in der Spirale
angeordnet wird und der ein elektrisches Signal dann abgibt, wenn die Kupplung nicht
mehr im Eingriff ist.
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Der genannte Signalkre.ils kann aus einem Stahldraht mit elektrischer
Isolierung bestehen und als elektrischer Kreis wie auch als Transmitter der Zugkraft
dienen.
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Außerdem versteht es sich, daß bekannte Grenzschalter oder ähnliche
Elemente vorgesehen werden können.
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Die Zeichnung dient der Veranschaulichung des Standes der Technik
(Fig. 1) sowie der Erfindung (Fig. 2 bis 5). Im einzelnen ist folgendes dargestellt:
Fig. 1 zeigt einen Aspirator im Taschenformat mit Kraftübertragung in bekannter
Weise.
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Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Übertragung einer Linearbewegung
gemäß der Erfindung, anwendbar bei einem Taschenaspirator.
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Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung mit Innensteuerung
der Spirale.
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Fig. 4 zeigt einen alternativen Antrieb in Gestalt des Aufwickelns
auf einer Trommel.
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Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Grenzkraftkupplung mit
elektrischer Kontaktfunktion.
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Der in Fig. 1 dargestellte Taschenaspirator (Sauggerät) mit einer
Kraftübertragung bekannter Bauart. Hierbei treibt ein Motor 12 mittels eines Getriebes
9, 11 eine Trommel 8, auf die ein Draht 6 (oder eine Kette) aufgerollt ist. Draht
6 läuft über eine Rolle 7 und ist mit seinem einen Ende an einem Kolben 4 befestigt,
der sich innerhalb eines Zylinders 2 linear bewegt. Da der Draht keine Druckkräfte
zu übertragen vermag, das ja zum Entgegenwirken der Gewichtskraft des Kolbens 4
notwendig ist, wenn der Kolben 4 in seine obere Position verbracht werden soll,
ist eine Feder 5 vorgesehen. Die Kraft der auf den Kolben 4 wirkenden Feder 5 ist
am geringsten in der oberen Position und am crößten in der unteren Position des
Kolbens. Bei großen KolKenhüben ist der Unterschied zwischen
der
Federkraft in den beiden Endpositionen sehr erheblich und damit nachteilig. Außerdem
müssen Maßnahmen getroffen werden, um die Kraft des Kolbens zu dämpfen, wenn dieser
beim Lösen des Antriebes von Kraft 6 mittels Kupplung 10 gegen den Zylinder anschlägt.
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Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zum Übertragen einer linearen Bewegung
gemäß der Erfindung, wiederum angewandt bei einem Aspirator in Taschenformat. Hierbei
wird von einem Antrieb 20 Kraft auf einen Gegenstand 21 in einem Zylinder 22 über
tragen. Als Transmissionsorgan zwischen Antrieb 20 und Gegenstand, der in diesem
Fall ein Kolben 21 ist, dient eine dichtgewickelte Spirale 23. Im Falle des vorlieglenden
Ausführungsbeispieles liegen die Windungen der Spirale 23 berührend aneinander an.
Das eine Ende der Spirale 25 ist an einer Buchse 27 befestigt, die entlang einer
Schiene 26 linear verschiebbar ist. Buchse 27 ist beispielsweise mittels einer Mutter
28 angetrieben, die ihrerseits durch den Antrieb 20 oder einen hier nicht dargestellten,
gezahnten Antriebsriemen angetrieben ist. Treibt Antrieb 20 die Mutter 28 an, so
bewegt sich Buchse 27 entlang der Schiene 26 (bzw. Schienen) nach oben. Hierbei
wird die Spirale 23 aus einer Führung 29 heraus nach oben gezogen; gleichzeitig
wird die Spirale 23 am anderen Ende in die Führung 29 hereingezogen. Hierbei folgt
Kolben 21 dieser Abwärtsbewegung. Hierbei wird Luft in den oberen Teil 24 des Zylinders
22 durch eine Düse 31 eingesaugt. Sobald Zylinder 22 mit Luft gefüllt ist, wird
Düse 30 abgesperrt. Zylinder 22 mit seinem Kolben 21 wird dann ausgestoßen, wenn
ein Magnet 31 sich von einer Eisenplatte 32 löst, die ihrerseits an Kolben 21 angeklebt
ist (siehe auch Fig. 5). Es wird nun ein neuer Zylinder mit einem neuen Kolben eingeführt
und ein Betätigungshebel 23 nach oben geschwenkt und weit genug umgelegt, so daß
nicht dargestellte Kupplung in Buchse 27 die Buchse von der Mutter 28 trennt, wobei
die Buchse 27 mit der hieran befestigten Spirale mittels des genannten Betätigungshebels
33 von
Hand nach unten gedrückt werden kann. Hierdurch wird-Kolbeha
in seiner Ausgangsposition im oberen Teil des Zylinders 22 verbracht.
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Die Führung 29 kann als hohles Element aus einem Werkstoff geringer
Reibung, beispielsweise Teflon oder Nylon, ausgeführt sein oder aus Metall mit Teflon-
oder Nylonbeschichtung. Ebensogut lassen sich auch Rollen 34 vorsehen, um die Reibung
zu verringern.
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Fig. 3 zeigt eine alternative Führung einer Spirale 40. Bei dieser
Ausführungsform befindet sich die Führung innerhalb der Spirale 40 und besteht aus
einer Führungsstange 35, die U-förmig gekrümmt ist. Dabei hat dieses U zwei unterschiedlich
lange Schenkel, über die die Spirale 40 läuft. Das obere Ende des langen Schenkels
der Führungsstange 35 ist an dem festen Gehäuse des Aspirators befestigt und dient
als Führung der Buchse 37, die hierin gleitet, wenn sie aufgrund der Drehbewegung
der Mutter 38 nach oben läuft oder nach unten zu einer Ausgangsposition mittels
eines hier nicht dargestellten Betätigungshebels verschoben wird. Anstatt der Stange
35 läßt sich auch eine Hülse verwenden.
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Eine alternative Methode zum Herabziehen der Spirale 43 und damit
auch des Kolbens 45 ist in Fig. 4 veranschaulicht. Dabei treibt der Antrieb eine
Trommel an, die um eine Achse 44 umläuft. Die Spirale wird auf der Mantelfläche
dieser Trommel aufgewickelt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß
es keines besonderen Raumes für Führungsstangen usw. bedarf.
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Da das mechanische Transmissionsorgan gemäß der Erfindung nicht starr
und nicht unelastisch ist, wenn die Traktionskraft einen bestimmten Wert erreicht,
ist es wichtig, daß
zwischen Spirale 23 und Gegenstand 21 (Fig.
2 und 5) eine Kupplung 31, 32 geschaltet ist. Diese ist derart zu gestalten, daß
sie dann außer Eingriff gelangt, also löst, wenn die Zugkraft einen vorbestimmten
Grenzwert überschreitet. Die Kupplung 31, 32 begrenzt diese Kraft und verhindert
bleibende Schäden der Spirale 23. Eine solche Kupplung kann beispielsweise so gestaltet
sein, wie in Fig. 5 veranschaulicht. Eine Eisenplatte 32 ist am Gegenstand 21,'der
eine Linearbewegung ausführen soll, angeklebt. Ein Magnet 31, in welchem die Spirale
23 befestigt ist, wird an Eisenplatte 32 magnetisch festgehalten.
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Wird die Zugkraft zu groß, so wird die magnetsiche Haftung aufgehoben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in einer
Ausnehmung im Magneten 31 eine Kontakt feder 50 vorgesehen. Die Kontaktfeder 50
ist an einen hier nicht dargestellten elektrischen Leiter angeschlossen. Haftet
Magnet 31 an Eisenplatte 32, so ist der Kreis zwischen dem genannten Leiter und
der Spirale über die Kontaktfeder 50, die Eisenplatte 32 und den Magneten 31 geschlossen.
Bei unterbrochenem Kreis, d.h. nach lösen von Kupplung 31,32 wird ein akustisches
oder Lichtsignal abgegeben oder die Stromzufuhr zum Antrieb unterbrochen.
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Werden höhere Zugkräfte benötigt als die Spirale selbst übertragen
kann, so ist es zweckmäßig, die Spirale durch ein weiteres Element zu ergänzen,
und zwar entweder durch einen Zugdraht, einen gezahnten Riemen oder ein ähnliches
Element.
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Dies ist in den Zeichnungen nicht dargestellt.
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