DE4412422A1 - Muskelartiges Kraftelement - Google Patents

Description

Muskelartige Kraftelemente sind technisch einsetzbare Bauteile, welche die in einer bestimmten Form zugeführte, leicht und in großer Menge gewinnbare Kraft mit allerdings niedriger Kraftdichte wandeln in eine andere Form mit hoher Kraftdichte. Dabei lehnen sie sich an die Wirkungsweise natürlicher Muskeln an.

Diese Erfindung ermöglicht es Kraftelemente herzustellen, welche in ihrer Wirkungsweise natürlichen Muskeln ähneln. Dabei sind sie von einfacher Bauart, preisgünstig her­ zustellen, äußerst leichtgewichtig, unempfindlich gegen Fluchtfehler, umweltfreundlich im Betrieb und bieten im Vergleich mit bekannten Kraftelementen bei vergleichbaren Kennwerten eine erhebliche höhere abgreifbare Kraft an.

Bei dieser Erfindung entspricht das unter A) beschriebene muskelartige Kraftelement dem natürlichen sogenannten quergestreiften, willkürlichen Muskel, das unter B) beschriebene dem sogenannten längsgestreiften, unwill­ kürlichen, und das unter C) beschriebene denen, die willkürliche Stoffbeförderung im Körper von Lebewesen und willkürlichen Verschluß von Körperöffnungen bewirken. Das unter C) angeführte muskelartige Kraftelement soll hier Röhrenpumpe genannt sein, entsprechend einer Möglichkeit technischer Ausführung und Anwendung (hier siehe Ausfüh­ rungsbeispiel Bild III).

A) Diese Art Muskel ermöglicht eine kraftvolle Bewegung der Körperteile und ermöglicht dadurch die körperliche Arbeit. Es stellte sich heraus, daß mit dieser Kraftentfaltung sehr kurze Wege verbunden sind, weswegen sich ein dieser Muskelart nachempfundenes Kraftelement vorzüglich für große Über­ setzungen eignet mit hohen Reaktionsgeschwindigkeiten und dort, wo eine kurze und extrem leichte Bauweise vorteilhaft ist. Ebenso stellte sich heraus der große Vorteil, durch die diesem Kraftelement anhaftende äußerst günstige innere Über­ setzung mit außerordentlich geringem Druck des Betriebsmit­ tels (etwa Luft, Wasser) und geringsten Mengen davon arbeiten zu können. Daraus ergibt sich erwartungsgemäß das günstige Gewichtsverhältnis von Kraftelement zu Last (1‰ ist durchaus erreichbar) und beste Umweltverträglichkeit bei Ver­ wendung von Luft oder Wasser als treibenden Stoff.

A.1) Mehrkammriges muskelartiges Kraftelement

Das Kraftelement, beschrieben unter A) kann mittels Zwischen­ bündelungen in mehrere Kammern unterteilt sein. Diese können infolge einer gemeinsamen inneren Hülle einen Druckausgleich untereinander zulassen. Die daraus sich ergebenden Vorteile sind vielfältig: Die Betriebsmittelmenge ist erheblich ge­ ringer wegen des bedeutend geringer werdenden Hohlraums in der Innenhülle, und damit der Platzbedarf quer zur Kraft­ element-Längsachse. Mehrere lassen sich in dieser Form wegen der wellenartigen Außenlinie leicht und äußerst platzsparend nebeneinanderliegend zusammenfassen, was die abgreifbare Kraft zusätzlich linear vergrößert. Außerdem läßt sich dieses mehrkammrige Kraftelement ausgezeichnet zur Anfertigung von schlauchmuskelartigen Kraftelementen (nach B) verwenden. Ein entscheidender Vorteil ist auch, daß die innere Hülle erheblich weniger gedehnt wird (Erhöhung der Standzeit), zumal bei Ausnützung der vollen Längsachsenverkürzung, wodurch sie dünner gehalten werden kann mit der Folge Gewicht zu sparen.

Die am schwierigsten zu lösende Frage bei der Entwicklung dieser Art Kraftelemente, wie unter A), B) und C) aufgezählt, war: Wie kommt es zustande daß sich - in der Natur - der Muskel kraftvoll in seiner Längsachse verkürzt (gewöhnlich als "Zusammenziehung" bezeichnet)? Und wie läßt sich dies technisch-physikalisch nachvollziehen? Die Frage nach der Arbeitsweise des Muskels ist nicht nur wichtig weil dies ein Kennzeichen dieser Erfindung ist sondern insbesondere, weil bisher dessen Wirkungsweise unbekannt war.

Eine der wesentlichen, kennzeichnenden Grundlagen dazu ist die Tatsache, daß offensichtlich der Muskel imstande ist, innerlich Druck aufzubauen. Seine Erhärtung beim Verkürzen seiner Längsachse ist also nicht eine Folge, sondern ein dieser Verkürzung vorauseilender Vorgang. Die Erhärtung ist eine Folge des inneren Druckaufbaus. Wie dieser zustande kommt bleibe hier außer Betracht.

Der innerliche Druckaufbau im Muskel, gleichgültig wie dieser zustande kommen mag, kann aber die erforderliche Verkürzung nicht bewirken. Man könnte sagen, durch den Druckaufbau wird die wirksame Kraft zur Verfügung gestellt. Denn dieser Druck­ aufbau bewirkt bei einem so elastischen Gebilde, für das man den Muskel hält, eine allseitige Ausdehnung (siehe Luft­ ballon). Bezogen auf ein technisches Kraftelement herkömm­ licher Art läßt sich dies verhindern indem man dieses formt aus einem Stoff oder Gewebe, welches diesem Innendruck wenig nachgibt. Dadurch erreicht man einen Druckaufbau in dessen Inneren (siehe Fußball). Oder man trifft an dem mit Innen­ druck beaufschlagten Bauteil geeignete Maßnahmen, daß sich der mit Innendruck beaufschlagte Raum nur in einer Achse (vorzüglich der Längsachse) vergrößern kann, wie dies bekannt ist bei Faltenbälgen, Pneumatik- oder Hydraulikzylindern, aufblasbaren Hebezeugen usw. Für diese Kraftelemente her­ kömmlicher Art ist es gerade kennzeichnend, daß sich die Lastorte (als Lastorte werden hier die Bereiche der Längs­ achse des Kraftelements bezeichnet, welche selbes begrenzen und an welchen bei kürzester Bauweise eine Last eben noch angebracht werden könnte) voneinander entfernen, sobald der Innendruck entsprechend erhöht wird (Verlängerung der Längsachse). Bei dem muskelartigen Kraftelement nach A) ist dies, wie auch beim natürlichen Muskel, gerade umgekehrt. Ebenso beim Kraftelement nach B), wenn das auch nicht so aussehen mag (siehe Beschreibung des Kraftelementes unter B). Ebenso, wenn auch aus technischen Gründen eingeschränkt, beim Kraftelement nach C). Bei diesen dieser Erfindung zugrunde­ liegenden muskelähnlichen Kraftelementen nähern sich in Anlehnung an den natürlichen Muskel die Lastorte einander (dies ist eines der kennzeichnenden Merkmale) bei Erhöhung des Innendrucks immer kraftvoller unter Verkürzung der Längs­ achse (man beachte die Einschränkung beim Kraftelement nach C). Kennzeichnend für diese Art Kraftelemente ist auch, daß die Kennlinie Kraft/Weg deutlich nichtlinerar ist und im End-punkt (im Ideal bei Kugelform des muskelartigen Kraftelements nach A)) Selbsthemmung eintritt. Durch den Druckaufbau im natürlich Muskel wird also die Kraft gewissermaßen bereit gestellt. Wie geht es aber nun an, daß er sich in seiner Längsachse verkürzt ganz zuwiderlaufend der Tatsache, daß er sich, wird der Innendruck erhöht, ausdehnen müßte, wenigstens längen? Dies läßt sich nur durch seinen eigenartigen Gewebeaufbau erklären, und in der Erfindung des muskelartigen Kraftelementes wird dies nachgebildet (siehe hierzu A.b.5).

Ein derartiges Kraftelement besteht kennzeichnend aus zwei grundsätzlichen Einzelteilen, welche aber ineinanderliegend, aneinander und sowohl fest wie lose miteinander verbunden sein können. Diese Einzelteile seien hier Hüllen genannt. Ob­ wohl sie nicht als voneinander unabhängige Einzelteile vor­ handen sein müssen ist es zur Beschreibung ihrer Wirkungs­ weise zweckmäßig, von einer inneren Hülle A.a und einer äußeren Hülle A.b des muskelartigen Kraftelements zu sprechen.

Die innere Hülle A.a

Sie ist allseitig elastisch stark dehnbar, zweckmäßigerweise eine Ballonhülle aus einem Elastomer, Kautschuk o. ä.. In sie wird das Betriebsmittel, es sei dies ein Gas oder eine Flüs­ sigkeit, durch eine geeignete Zuleitung mit Druck eingelei­ tet. Sie ist nach außen hin für diese Stoffe dicht und hat unter anderem als kennzeichnendes Merkmal die Aufgabe, sich bei Erhöhung des Innendrucks immer stärker auszudehnen und dabei die Gewebestruktur der Hülle A.b quer zur Längsachse immer stärker bogenförmig durchzubiegen.

Die äußere Hülle A.b

Sie besteht aus einem unelastischen Stoff oder Gewebe mit einer Struktur dergestalt, daß eine Dehnung in Richtung Längsachse des muskelartigen Kraftelements wirksam unterbun­ den wird. Gleichzeitig läßt sie jedoch eine Ausdehnung des Umfangs der inneren Hülle A.a quer zur Längsachse zu. Dies ist das kennzeichnende Merkmal dieser äußeren Hülle. Um diese beiden Eigenschaften zu vereinen gibt es mehrere Möglich­ keiten, insbesondere

• A.b.a Man nimmt nur längsgehende "Fäden", welche neben­ einander und übereinander liegen können ("Fäden" in dem Sinne, daß die unelastische Hülle aus vornehm­ lich eindimensionalen Teilen besteht).
• A.b.b Man nimmt ein netzartiges Gewebe wobei darauf zu achten ist das Netz im lastfreiem Zustand derartig vorzuspannen, daß die Netzknoten in Richtung Längs­ achse des Kraftelements möglichst weit voneinander entfernt sind und quer dazu möglichst eng beieinander liegen.
• A.b.c Man nimmt einen in Richtung Längsachse stark bevorzug­ ten Kreuzschlag von "Fäden" (Bedingungen ähnlich denen unter A.b.b).
• A.b.d Man nimmt einen Stoff, welcher sich in Längsrichtung unelastisch verhält und in der Querrichtung elastisch. Ist er dabei gasdicht, erfüllt er die Aufgaben der inneren Hülle A.a mit. Erfüllt er noch dazu die For­ derungen nach Festigkeit, Dichtheit und Beständigkeit, ist er ideal.

Die Hülle A.b erfüllt folgende Aufgaben:

• A.b.1 Sie nimmt auf die Last in Längsrichtung
• A.b.2 bewirkt eine steuerbare Ausdehnung des Kraftele­ ment-Umfangs
• A.b.3 ermöglicht eine gezielte Verformung der inneren Hülle und stützt sie
• A.b.4 ermöglicht die entsprechende Steuerung des Innen­ drucks
• A.b.5 bewirkt im Verein mit der inneren Hülle die kraft­ volle Verkürzung der Längsachse des muskelartigen Kraftelements aus dem Grunde, weil bei Erhöhung des Innendrucks der Innenhülle sich diese nicht in Längsrichtung ausdehnen kann, wohl aber radial und im Umfang. Da die Bogenlänge der "Fäden", bei Verwendung der Ausführungsform nach A.b.a etwa, sich aber nicht ändern kann (deswegen die Forde­ rung nach unelastischem Stoff) wird die Längsachse des Kraftelements zur Bogensehne, welche sich mit steigender, durch den steigenden Innendruck der Innenhülle verursachten Ausbeulung des Bogens (Verminderung des Bogenradius) verkürzt. Eine raschere Verkürzung ergibt sich bei Verwendung eines netzartigen Gewebes nach A.b.b. Unbedingt erforderlich für eine gute Wirksamkeit des Kraftelements und kennzeichnendes Merkmal ist die Bündelung der Hüllenbestandteile, wie sie bei­ spielsweise unter A.b.a bis A.b.d angeführt sind, an den Lastorten des Kraftelements.

Siehe hierzu auch Bild I.

Durch das innere Übersetzungsverhältnis eines muskelartigen Kraftelements (im Mittel überschlagsweise 1 : 7) ist ersicht­ lich, daß bei gleicher Lastaufnahme und vergleichbaren Kenn­ größen (etwa Querschnitt/Kolbendurchmesser) der Betriebs­ druck gegenüber Kraftelementen bekannter Bauart lediglich ein Siebentel betragen muß, oder eben bei gleichem Druck die siebenfache Last aufgenommen werden kann. Je nach Betriebs­ punkt auf der Kraft/Weg-Kennlinie ist auch eine 20fache Kraft ohne weiteres möglich, bei entsprechend kürzerem Weg.

B) Der sogenannte längsgestreifte, unwillkürliche Muskel wirkt als schlauchförmiger Muskel ebenso wie der unter A) beschriebene willkürliche. Die Schlauchform ergibt sich je­ doch aus der Aneinanderreihung lauter feiner, miteinander an der Längsseite fest verbundener, einzelner Muskelchen. Diese sind ringförmig dadurch, daß diese Muskelchen ringförmig ge­ bogen sind und die beiden Lastorte ineinander übergehen, wenn man bei einem Ring von einem Anfang und Ende sprechen will. Die Längsachse eines Muskels der Form A) wird bei diesem ringförmigen Muskelchen dessen mittlerer Durchmesser. Der eigentliche Unterschied beider Muskelarten liegt also ledi­ glich darin, daß infolge der Aneinanderreihung der ring­ förmigen Muskelchen bei einer Verkürzung ihrer Längsachse (entsprechend dem Umfang seines mittleren Durchmessers quer zur Schlauchachse) und der daraus sich ergebenden Verdickung längs der Schlauchachse dieser Schlauch sich an der entsprechenden Stelle verengt und aufgrund der Vielzahl der aneinandergereihten Muskelchen beträchtlich längt. Es wird im Falle der Muskelart nach B) wesentlich die Tatsache aus­ genützt, daß bei der Verkürzung der Längsachse (dies ist vorgenannter Umfang des mittleren Durchmessers) sich der Muskel mit dem ihn umgebenden und mehr oder minder fest verbundenen Gewebe quer dazu deutlich verdickt. Die weitere Folge daraus ist die verstärkte Verengung des lichten Quer­ schnitts des Muskelschlauchs. Ganz offensichtlich ist also die Wirkweise der drei Muskelarten, wie sie unter A), B) und C) beschrieben sind und als muskelartige Kraftelemente ihre technisch nutzbare Ausführung haben, völlig gleich. Es wird daraus auch klar, warum die Muskelart nach B) unwillkürlich ist. Durch ihre große Anzahl und erforderliche feinstfühlige Abstimmung würde sie bewußte Tätigkeiten des Lebewesens nach­ haltig behindern. Dies ist nicht so, Gott sei Dank!

B.) Schlauchmuskelartiges Kraftelement

Es liegt nach obiger Darstellung auf der Hand, daß eine weit­ gehend getreue Nachbildung des sogenannten unwillkürlichen Muskels sehr aufwendig ist. Man nimmt dazu sinnvollerweise Kraftelemente wie unter A.1) dargelegt, ordnet sie kreis- oder bogenförmig an und verbindet die Lastorte zweckmäßig miteinander (siehe Ausführungsbeispiel in Bild II). Durch seitliche Aneinanderreihung, fest miteinander verbunden oder lose, wobei man immer das nächste mehrkammrige Kraftelement so um die Kraftelement-Längsachse verdreht, daß immer ein Ort stärkster Verdickung einer Kammer in die Senke eines Lastorts des danebenliegenden Muskelrings eintaucht und in Summe die gewünschte Schlauchform erreicht wird, hat man ein dem natür­ lichen, hier unter B) beschriebenen Muskel weitgehend ent­ sprechendes Kraftelement. Durch die spiralige Anordnung eines sehr langen mehrkammrigen Kraftelements (entsprechend Ab­ schnitt A.1) läßt sich das ebenfalls erreichen wobei zu beachten ist, daß sich das Kraftelement dann um die Längs­ achse verdreht, diese Verdrehung aber durch das Ineinander­ tauchen von nebeneinanderliegendem Lastort und dickstem Quer­ schnitt wiederum gehemmt wird.

Siehe hierzu Bild II.

C) Die dritte Art der dieser Erfindung zugrundeliegenden muskelartigen Kraftelemente versucht die Wirkungsweise der Muskeln oder Muskelgruppen nachzubilden, welche im Körper von Lebewesen die willkürliche Beförderung von Nahrung, Abfall­ stoffen oder den Verschluß von Körperöffnungen bewirken. Ihre Wirkungsweise ist etwa derart, daß in einem fest begrenzten Raum, etwa der Mundhöhle, aus welcher der zerkaute Nahrungs­ brei in den Schlund befördert werden soll, ein Muskelgebilde, nämlich die Zunge, sich verdickt und dabei die Mundhöhle füllend den zerkauten Nahrungsbrei in den Schlund verdrängt. Diesem Vorbild folgend läßt sich eine Röhrenpumpe bilden, welche als kennzeichnende Merkmale enthält:

• C.a ein mehr oder minder starres Gehäuse, welches ins­ besondere eine Röhre sein kann;
• C.b inwendig diesem Gehäuse nach C.a ist eine ein- oder mehrfach unterteilte Hülle angebracht derart, daß zwischen Gehäusewand und Hülle ein Gas oder eine Flüssigkeit unter Druck eingegeben werden kann. Die Hülle ist für diese Stoffe dicht, wobei die durch die mehrfach unterteilte Hülle gebildeten einzelnen Kammern zum Druckausgleich miteinander verbunden sein können.
  • C.b.a Die Hülle, erwähnt unter C.b, ist stark elastisch, enthält aber eine Struktur welche eine Dehnung in Längsrichtung des Gehäuses, beschrieben unter C.a., nicht unterbindet, aber den Erfordernissen anpaßt. Er­ fordernis kann beispielsweise sein, ein Abreißen der Hülle von der Gehäusewand oder ein Reißen der Hülle selbst zu vermeiden. Die Dehnung quer zur Längsachse wird durch die Struktur nicht beeinträchtigt.
  • C.b.b Die Hüllenstruktur nach C.b.a kann durch ein zusätzliches Gewebe aus einem minderelistischen Stoff gebildet sein und sowohl mit dieser Hülle fest wie lose verbunden, oder in ihr einliegend.

Dieses als Röhrenpumpe dargestellte muskelartige Kraftelement, in der Wirkungsweise ähnlich dem unter B) beschriebenen hat diesem gegenüber den Vorteil, daß sich der lichte Durchmesser der Röhre durch Druckgabe zwischen Röhre und Hülle sehr gut und kraftvoll füllen läßt, so daß eine nachhaltige und scho­ nende Auspressung des zu befördernden Stoffes sich ergibt.

Das ist äußerst wichtig bei der Beförderung abrasiver, halb­ flüssiger Stoffgemische, etwa Frischbeton oder Schleifmit­ telsuspensionen. Da beim Ausstoß aus der Röhrenpumpe die Randzonen zwischen Hülle und Fördergut kaum einen Bewegungs­ unterschied haben (die Randzonen des Förderguts tauchen zu dessen Inneren hin ab) wird der Verschleiß des Pumpenteils entscheidend herabgesetzt. Zudem bleibt der mit Druck zu beaufschlagende Anlagenteil klein und die Anlagengeometrie (Längen- und Durchmesseränderungen unterbleiben) ändert sich nicht.

Siehe hierzu Bild III.

Claims (4)

1. Muskelartiges Kraftelement nach Abschnitt A), dadurch gekennzeichnet,
daß sich unter Einwirkung von Innendruck seine Längsachse verkürzt,
daß es zwei innere Übersetzungen hat, nämlich

• I. das Verhältnis von projizierter Fläche in x- zu der in y-Richtung.
• II. das Verhältnis von Kraftelementdurchmesser zur -länge

daß seine Kraft/Weg-Kennlinie deutlich nicht linear sondern degressiv verläuft, so daß endlich im Endpunkt Selbsthemmung eintritt,
daß es aus zwei Hüllen besteht welche zu einer zusammenge­ faßt sein können, wie näher beschrieben im letzten Abschnitt der Beschreibung unter A) und A.a, A.b mit A.b.a bis A.b.d,
daß es sowohl mit Gas wie mit Flüssigkeit betrieben werden kann, und
daß mindestens die äußere Hülle, entsprechend A.b, oder bei einer Hülle mit den Eigenschaften beider das in Richtung Längsachse nicht dehnbare Gewebe oder der nicht dehnbare Stoff am Lastort gebündelt werden muß.

2. Muskelartiges Kraftelement nach Abschnitt B), dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem mehrkammrigen Kraftelement entsprechend Abschnitt A.1) besteht oder mehreren davon oder meh­ reren einkammrigen nach Abschnitt A), welche spiralig, ring- oder bogenförmig angeordnet und seitlich fest miteinander verbunden sind oder sein können, wie dies näher beschrieben ist unter B) und B.), und welche in einer gemeinsamen Hülle zusammengefaßt sein können.

3. Muskelartiges Kraftelement nach Abschnitt C) - Röhren­ pumpe, dadurch gekennzeichnet
daß es aus einem mehr oder minder starren Gehäuse besteht entsprechend C.a,
daß es eine innere Hülle hat die mehrfach geteilt sein kann entsprechend C.b,
daß der treibende Stoff ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann, welcher unter Druck zwischen Gehäusewand und Hülle eingegeben wird, und
daß die Hülle nach C.b weiters die Merkmale hat wie dar­ gelegt unter Abschnitt C.b.a und b.