Vorrichtung zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Bewegung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer hin- und hergehenden linearen Bewegung.
Es ist bereits eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Bewegung bekannt. Der Art entsprechend erbringen diese Anordnungen eine entsprechende Leistung. Im allgemeinen sind jedoch die bisher bekannten Anordnungen zur Erzeugung solcher Bewegungen gross und sperrig und benötigen eine Anzahl stark beanspruchter Bauteile. Ferner sind sie nicht dazu geeignet, hohe Kräfte zu erbringen, wenn sie nicht mit komplizierten Leistungsverstärkern ausgerüstet sind. Daher wäre in vielen Fällen die Verwendung einer verbesserten Energiequelle für eine Hin- und Herbewegung sehr vorteilhaft. Beispielsweise besitzen die modernen Flugzeuge einen Raum im Innern der Flügel, in dem Antriebsvorrichtungen zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Bewegung untergebracht sind, um die beweglichen Steuerflächen anzutreiben.
In einem solchen Raum können jedoch keine sperrigen Vorrichtungen untergebracht werden. Vielmehr müssen diese Antriebsvorrichtungen sehr kompakt gebaut sein. Da jedoch kleine Vorrichtungen dieser Art auch nur geringe Ausgangsleistungen liefern, muss eine Leistungsverstärkungseinrichtung vorgesehen sein. Bei Einrichtungen dieser Art wurde bisher eine asymmetrisch wirkende Getriebeanordnung verwendet, die jedoch einem hohen Verschleiss ausgesetzt ist und daher nach relativ kurzer Betriebszeit ersetzt werden musste.
In zahlreichen anderen Fällen wurde ebenfalls der Wunsch nach einer kompakten Vorrichtung zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung mit relativ hoher Ausgangsleistung gefordert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine kompakt baubare Vorrichtung zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung zu schaffen, die ohne Leistungsverstärkungsmittel eine relativ hohe Ausgangsleistung liefert.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung verschiedener als Beispiele gewählter Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung.
Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Erzeugung einer Hinund Herbewegung bei der zwei auf eine Welle einwirkende Motoren vorgesehen sind, um die Welle anzutreiben.
Fig. 2 zeigt ein Schnittbild in Achsrichtung einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Fig. 3 zeigt die Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung bei einem Wagen.
Fig. 4 zeigt eine erste elektrische Einrichtung zur Veränderung der Drehgeschwindigkeiten von zwei Motoren, wobei eine Welle zu einer linearen Hin- und Herbewegung veranlasst wird.
Fig. 5 zeigt eine Schaltung zur Steuerung der Drehzahldifferenz zweier Motoren zwecks Erzeugung einer Hin- und Herbewegung, und
Fig. 6 zeigt eine weitere Schaltung für zwei Motoren zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 gezeigt, anhand welcher die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung erläutert werden kann. Die Vorrichtung 10 besteht aus Antriebseinrichtungen in der Form eines ersten Motors 12 und eines zweiten Motors 13, die auf eine Welle 14 einwirken. Der Motor 12 sitzt auf einem mit einem Gewinde versehenen Abschnitt 15 der Welle 14, während der Motor 13 über einem mit Keilen 16 versehenen Abschnitt der Welle 14 angeordnet ist. Der Motor 12 weist ein mit einem Innengewinde versehenes angetriebenes hülsenförmiges Element 17 auf, das in der Art einer Mutter auf dem Gewindeabschnitt 15 der Welle 14 aufgesetzt ist. Der Motor 13 besitzt ein mit nach innen offenen Nuten versehenes angetriebenes hülsenförmiges Element 18, welches mit dem mit den Keilen 16 versehenen Abschnitt der Welle 14 zusammenarbeitet.
Die Elemente 17 und 18 der Motoren 12 und 13 sind so ausgebildet, dass sie leicht auf Welle 14 bewegbar sind.
Werden beide Motoren 12 und 13 in der gleichen Drehrichtung (wie von dem den Mittelabschnitt der Welle 14 umgebenden Pfeil angegeben ist) betrieben, dann dreht sich die Welle 14 mit der Drehgeschwindigkeit der inneren Elemente 17 und 18 der Motoren 12 und 13, ruht aber in Axialrichtung. Wird jedoch einer der Motoren bei einer etwas anderen Drehgeschwindigkeit als der andere Motor betrieben, dann bewegt sich die Welle 14 in Axialrichtung. Ist beispielsweise die Drehgeschwindigkeit des Motors 12 etwas grösser als die des Motors 13, dann bewegt sich die Welle 14 nach rechts. Hat jedoch der Motor 12 eine etwas geringere Drehgeschwindigkeit als der Motor 13, dann wandert die Welle 14 nach links.
Diese in Axialrichtung verlaufende Bewegung wird folgendermassen erzeugt:
Der mit Keilen 16 versehene Abschnitt der Welle 14 kann sich frei nach rechts und nach links innerhalb des inneren treibenden Organs 18 des Motors 13 bewegen. Ein Unterschied in der Drehgeschwindigkeit der beiden Motoren 12 und 13 bewirkt, dass der mit dem Gewinde versehene Abschnitt 15 der Welle 14 und das mit einem Innengewinde versehene Element 17 des Motors 12 sich relativ zueinander bewegen, so dass eine Schraubbewegung stattfindet. Mit anderen Worten, der Motor 13 dreht die Welle 14 mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Ist die Geschwindigkeit des Motors 12 gleich, dann läuft der mit Gewinde versehene Abschnitt 15 in dem von dem Motor 12 angetriebenen, mit Innengewinde versehenen Organ 17.
Unterscheidet sich die Geschwindigkeit des Motors 12 von derjenigen des Motors 13, dann resultiert eine Schraubbewegung und die Welle wandert nach rechts oder nach links.
Kann nun der eine der beiden Motoren so gesteuert werden, dass sich seine Drehzahl gegenüber derjenigen des andern, der normalerweise mit konstanter Drehzahl arbeitet, verändert, dann bewegt sich die Welle 14 in Axialrichtung hin und her. In Abhängigkeit von der Steigung des Gewindes auf dem Element 15 sowie von der latenten Drehzahldifferenz der beiden Motoren 12 und 13 kann eine Hin- und Herbewegung erzeugt werden, die von einer beachtlichen, in Axialrichtung wirkenden Kraft begleitet ist, wenn man sie mit den Drehmomenten der einzelnen Motoren vergleicht.
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, um den einen Motor zu veranlassen, dass seine Drehgeschwindigkeit etwas über oder unter Normdrehgeschwindig- keit des anderen liegt.
Es soll darauf hingewiesen werden, dass es möglich ist, dass beide Motoren gleichzeitig in bestimmten Situationen ihre Geschwindigkeiten ändern können.
Ein Verfahren, bei dem praktisch keine besondere Vorrichtung ausser der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung benötigt wird, beruht auf der Verwendung eines mechanischen Widerlagers (nicht in Fig. 1 dargestellt) zur Begrenzung der Axialbewegung der Welle. Bei Betrachtung der Vorrichtung 10 wird deutlich, dass wenn die Axialbewegung der Welle 14 abgebremst oder angehalten wird, wenn der Motor 12 beispielsweise etwas schneller als der Motor 13 läuft, der mit Gewinde versehene Abschnitt 15 eine Bremskraft auf die Drehbewegung des mit Gewinde versehenen Elements 17 des Motors 12 ausübt. Diese Bremswirkung hat zur Folge, dass das mit Gewinde versehene Element 17 des Motors 12 seine Geschwindigkeit soweit verringert, dass sie etwas geringer ist als diejenige des Motors 13 und des mit Gewinde versehenen Abschnitts 15, wodurch die Welle 14 veranlasst wird, ihre Bewegungsrichtung umzukehren.
Sobald eine Umkehr der Bewegung eintritt und die Bremswirkung der Gewinde 15 von dem Motor 12 unterbleibt, dann vergrössert der Motor 12 seine Geschwindigkeit und bewirkt, dass die Welle 14 erneut ihre Bewegung in axialer Richtung ändert. Dieser Vorgang wiederholt sich fortlaufend von allein, so dass eine Hin- und Herbewegung erzeugt wird.
In Fig. 2 ist im Querschnitt eine Vorrichtung 20 dargestellt, die etwa der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung entspricht. Die Vorrichtung 20 weist eine zentrale Welle auf, über der eine Anordnung 22 in der Form eines auf einen Gewindeabschnitt 34 wirkenden Motors, eine Anordnung 23 in der Form eines auf einen mit Keilen versehenen Abschnitt 38 einwirkenden Motors sowie eine obere bzw. untere Kolben- und Schieberanordnung 24 bzw. 25 vorgesehen sind. Die Anordnungen bzw. Motoren 22 und 23 besitzen je ein Gehäuse 30, einen Stator 31, einen Rotor 32 und ein Wellenelement 33. Das Wellenelement 33 der Anordnung bzw. des Motors 22 ist mit einem Gewinde versehen und umgibt einen mit einem korrespondierenden Gewinde versehenen Abschnitt 34 der zentralen Welle.
Das Wellenelement 33 der Anordnung 22 ist mit dem Rotor 32 fest verbunden und in den Lagern 36, 37 drehbar gelagert. Die zentrale Welle 34 ist in ihrem oberen Abschnitt im Lager 35 drehbar gelagert.
Die Anordnung bzw. der Motor 23 besitzt ein Wellenelement 33, das im Innern mit Nuten versehen und in den Lagern 40, 41 drehbar gelagert ist. Es sitzt auf einem mit Keilen versehenen Abschnitt 38 der zentralen Welle. Die Abschnitte 38 und 34 der zentralen Welle sind einstückig miteinander verbunden. Das untere Ende der zentralen Welle ist im Lager 39 drehbar gelagert. Die Bohrungen der Wellenelemente 33 sind in ihren Endabschnitten erweitert, um die Längsverschiebung der zentralen Welle zuzulassen.
Wenn die beiden Rotoren mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten angetrieben werden, dann wird, je nach Art des Geschwindigkeitsunterschieds die zentrale Welle entweder vorwärts oder rückwärts bewegt.
Nur der Geschwindigkeitsunterschied steuert die Geschwindigkeit der Axialbewegung der Welle bei gegebener Gewindesteigung. Dies ist wichtig, da es hierdurch möglich wird, die Nenndrehzahl jedes Motors nach konstruktiven Gesichtspunkten zu wählen, anstatt nach der gewünschten Axialgeschwindigkeit der zentralen Welle.
Durch die Steuerung des Geschwindigkeitsunterschieds zwischen den Rotoren der Anordnungen 22 und 23 kann die zentrale Welle wahlweise irgendeine gewünschte Hin- und Herbewegung ausführen. Dar über hinaus kann die axiale Schubkraft entweder während der Aufwärts- oder während der Abwärtsbewegung der Welle oder während beiden ausgenützt werden. In der Vorrichtung 20 wird bei der Aufwärtsbewegung ein Kolben 46 der oberen Pumpenanordnung 24 nach oben geschoben, wodurch im Raum über dem Kolben 46 vorhandenes Medium über ein Auslassven til 42 abstömt. Die gleiche Bewegung hebt einen Kolben 47 in der unteren Pumpenanordnung 25 und schafft dort ein Vakuum und einen Ansaugvorgang über ein Ansaug oder Einlassventil 43.
Andererseits bewirkt eine entgegengesetzte, nach unten gerichtete Bewegung der zentralen Welle einen Kompressionsvorgang in der unteren Pumpenvorrichtung 25, sodass Druckmedium über ein Auslassventll 44 abströmt.
Gleichzeitig tritt in der oberen Pumpenvorrichtung 24 ein Ansaugvorgang auf, und über das Ansaug- oder Einlassventil 45 strömt Druckmedium in den Raum über dem Kolben 46 ein.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung kann in mannigfacher Weise variiert werden, um speziellen Anforderungen genügen zu können. Beispielsweise kann die aus dem Gewindeabschnitt 34 und dem Wellenelement 33 bestehende Anordnung die Form einer mit umlaufenden Kugeln versehenen Gewindeführung, wie sie in der Technik bereits bekannt ist, aufweisen, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. In gleicher Weise kann eine kugelgelagerte Gleitführung anstelle des Keilwellenabschnitts 38 verwendet werden.
Die zur Erzielung der beschriebenen Hin- und Herbewegungen der zentralen Welle notwendigen Geschwindigkeitsunterschiede der Wellenelemente 33 in den Anordnungen 22 und 23 können entweder durch elektrischen oder mechanischen Antrieb der Elemente 33 hervorgerufen werden. Beispielsweise können sowohl die Anordnung 22 als auch die Anordnung 23 elektrisch gesteuerte Motoren sein. Solche Anordnungen sind in der Technik allgemein bekannt. Eine mechanische Geschwindigkeitssteuerung, welche die oben beschriebene Leistungsabgabe oder eine mechanische Bremsung der zentralen Welle einbezieht, kann ebenfalls vorgesehen werden.
Von besonderem Interesse ist die Tatsache, dass zu keinem Zeitpunkt während des Betriebs der Vorrichtung 20 die Drehrichtung eines der Motoren geändert werden muss. Darüber hinaus kann bei Verwendung von Motoren mit relativ hoher Drehzahl die relative Drehzahländerung verringert werden. Auf diese Weise können dank dem Schwungradeffekt über 90 010 der kinetischen Energie jedes Motors gespeichert werden.
Von weiterem Interesse ist, dass sehr kleine Hochleistungsmotoren verwendet werden können, um eine beachtliche Schubkraft in axialer Richtung der zentralen Welle zu erhalten, während nur ein geringer Raumbedarf besteht. Die Grösse der Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung der zentralen Welle und auch die durch diese aufbringbare Schubkraft wird durch das Produkt aus dem Gewindeumfang und dem Tangens der Gewindesteigung festgelegt. Multipliziert man diesen Wert mit dem Drehzahlunterschied der beiden Motoranordnungen 22 und 23, dann erhält man die Geschwindigkeit der axialen Bewegung der zentralen Welle. Es ergibt sich daraus, dass man praktisch jede beliebige Hin- und Herbewegungsgeschwindigkeit bei einer solchen Vorrichtung erzielen kann.
Darüber hinaus können beim Einsatz mehrerer Einheiten mit unterschiedlichen Hin- und Herbewegungsprogrammen diese zeitlich aufeinander abgestimmt werden, um Arbeitsprogramme in mannigfaltiger Art zu variieren.
Es soll darauf hingewiesen werden, dass das System unabhängig davon, wie die Veränderung der Motorgeschwindigkeiten herbeigeführt wird, in sich gegen axiales Verklemmen gesichert ist. Dies ist deshalb der Fall, weil wenn die Welle oder eine der Motoranordnungen zum Klemmen neigen, die relativen Geschwindigkeiten der beiden Motoranordnungen sich in einem solchen Sinn verändern, dass die Welle veranlasst wird, sich axial in entgegengesetzter Richtung zu bewegen, als vorher. Dadurch wird der bezügliche Motor oder die Welle wieder frei und die Geschwindigkeit der umgekehrten Axialbewegung nimmt allmählich wieder ab, während sich die Motorgeschwindigkeit wieder steigert. Auf diese Weise ist es praktisch unmöglich, die Vorrichtung zu überlasten.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung 50 mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung. Die Anordnung 50 ist eine Transporteinrichtung mit einer Plattform 51, auf der eine Schubstange 52, die mit Hilfe einer prinzipiell gemäss Fig. 2 aufgebauten Vorrichtung 53, 54 angetrieben wird, mittels der Führung 55 gelagert ist. Am äusseren Ende der Schubstange 52 ist eine Pleuelstange 56 angelenkt, welche über einen mit einer Welle 57 verbundenen Kurbeiwellenantrieb die zwei Räder antreibt. Die Drehzahl der beiden Motoren ist so aufeinander abgestimmt, dass die momentane Bewegungsrichtung der Schubstange 52 dem Pfeil neben der Führung 55 in Fig. 3 entspricht.
Die Axialbewegung der Schubstange 52 wird durch den Kröpfungsradius des Kurbelwellentriebes begrenzt, welcher durch die Pleuelstange 56 mit der Schubstange 52 verbunden ist. Am Punkt der grössten Auslenkung bewirkt die Trägheit der Räder 58, dass die Schubstange 52 gebremst und hierauf in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung bewegt wird. Auf diese Weise liefert die Vorrichtung eine hin- und hergehende Antriebsenergie zur Drehung der Räder 58. Eine solche Anordnung ist für den Antrieb einer Transporteinrichtung geeignet. Bei solchen Anordnungen können auch Geschwindigkeitssteuereinrichtungen vorgesehen werden, die hohe Wirkungsgrade gewährleisten.
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung, bei der die Axialbewegung der Schubstange konstruktionsmässig begrenzt ist, ist deshalb vorteilhaft, weil sie keine äussere Schaltung für die beiden Motorenanordnungen benötigt, um die Geschwindigkeit des einen der Motoren zu ändern. Andere Anordnungen mit ähnlichen Eigenschaften sind für den Fachmann leicht zu erkennen.
Beispielsweise können bei einem Hammerwerk, wo die Bewegung des Hammers durch einen Anschlag begrenzt wird, die Grundelemente der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung nutzbringend verwendet werden.
Auch kann die Anordnung bei Pumpanlagen, beispielsweise wie in Fig. 2 dargestellt, verwendet werden.
Es sei speziell erwähnt, dass bei jeder dieser Anordnungen die Antriebsenergie sowohl für die Hin- als auch für die Herbewegung genau gleich gross ist und keine zusätzlichen Massnahnen zum Erzielen einer diesbezüglich symmetrischen Charakteristik nötig sind.
Deshalb ist auch der Verschleiss bei solchen Energie übertragungsanordnungen klein.
Es ist zwar nicht notwendig, dass die Motoren unbedingt koaxial um die hin- und hergehende Welle angeordnet sein müssen, um die beschriebene Arbeitsweise zu erzielen. Doch ermöglicht dies, die Grösse der Anordnung soweit zu verringern, dass sie für viele Anwendungsfälle geeignet ist, bei denen sperrige Vorrichtungen einfach nicht zu verwenden sind. Für den Fach mann ist es jedoch ohne weiteres möglich, eine mit einer Keilnuten- und einer Gewindepartie ähnlich der Darstellung in den Fig. 1 und 2 versehene Welle zu verwenden und die bezüglichen Gegenelemente durch zwei unter sich gleiche Motoren anzutreiben. Der koaxiale Aufbau stellt jedoch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.
In Fig. 4 ist eine Einrichtung 60 dargestellt, mit deren Hilfe eine Hin- und Herbewegung der zentralen Welle mittels einer elektrischen Schaltung gesteuert werden kann Die Einrichtung 60 umfasst einen mit einem Gewindeelement versehenen Motor 61 und einen mit einem Keilwellenelement versehenen Motor 62, denen eine gemeinsame Innenwelle 63 zugeordnet ist. Bewegt sich die Welle infolge eines Geschwindigkeitsunterschiedes zwischen den Motoren 61 und 62 nach links und erreicht einen Punkt, bei dem ein Schalter 64 geschlossen wird, so erfolgt die erwähnte Umsteuerung. Die Schaltbewegung des Schalters 64 bewirkt das Zuschalten eines Überbrückungswiderstan- des in die von einer Stromquelle 66 ausgehende Leitung, wodurch die dem Motor 61 zugeführte Leistung reduziert und dessen Geschwindigkeit verringert wird.
Die Welle 63 bewegt sich somit nach rechts (wie in Fig. 4 gezeigt). Nach Zurücklegen eines bestimmten Weges wird der Schalter 64 wieder geöffnet. Die gesamte zur Verfügung stehende Leistung der Stromquelle 66 liegt wieder am Motor 61, wodurch der Motor 61 schneller läuft und die Bewegungsrichtung umgekehrt wird. Die Welle 63 läuft somit wieder nach links. Es ist offensichtlich, dass eine grosse Anzahl von der Fig. 4 entsprechenden Einrichtungen, bei denen eine Schaltvorrichtung eine Richtungsumkehr bewirkt, aufgebaut werden können.
In Fig. 5 ist eine Schaltung zur Steuerung zwecks Veränderung des Geschwindigkeitsunterschiedes der Motoren auf elektrischem Weg dargestellt. Eine Gleichstromquelle (nicht dargestellt) liegt zum Speisen der beiden Motoren 69 und 70 an den Klemmen 67 und 68. Der Anker 71 des ersten Motors 69 liegt in Reihe mit der Feldwicklung 72 des zweiten Motors 70.
Dieser Stromkreis liegt parallel zur Reihenschaltung aus der Feldwicklung 73 des ersten Motors 69 und der Ankerwicklung 74 des zweiten Motors 70. Sobald die Welle (nicht dargestellt) am einen Ende ihrer Bahn anschlägt, wird der jetzt mit höherer Geschwindigkeit laufende, ein Gewindeelement tragende Motor 69 gebremst, wodurch der Strom durch die Ankerwicklung 71 ansteigt. Dieser Strom fliesst indessen auch in der Feldwicklung 72 des anderen Motors 70. Dadurch erhöht sich die Drehzahl des zweiten Motors 70 und steigt über die des ersten Motors 69 an. Dies bewirkt die angestrebte Umkehrung der Bewegungsrichtung der zentralen Welle.
Fig. 6 zeigt eine weitere Schaltung, bei der der bekannte Selbstregelungseffekt mehrphasiger Synchronmotoren angewandt wird. Ein durch eine Dreieckwicklung 80 dargestellter Motor wird rasch auf seine Synchrondrehzahl gebracht. Dieser mit höherer Geschwindigkeit umlaufende Motor 80 wird dann aus dem Synchronlauf gebracht, wenn die Welle (nicht dargestellt) am Ende ihrer Bahn anlangt und ein vergrössertes Drehmoment auf die ihm zugeordnete Gewindeanordnung ausübt. Die Synchronisierung des anderen Motors 81 wird gerade eingeleitet, wenn dieses Anstossen erfolgt. Dadurch wird die Synchronisierung des zweiten Motors 81 beschleunigt und die Drehgeschwindigkeit der von diesem mit der Keilanordnung versehenen Motor angetriebenen Welle vergrössert, wenn gleichzeitig die Geschwindigkeit des Motors 80 abnimmt.
Sobald der Motor 81 die Synchrongeschwindigkeit erreicht, bewegt sich die Welle in entgegengesetzter Richtung. Der Zyklus wiederholt sich in entgegengesetztem Sinn, wenn die Welle am entgegengesetzten Ende ihrer Bahn anlangt und sich der Vorgang in umgekehrter Richtung wiederholt.
Offensichtlich hängen das Ausmass von Hub und Geschwindigkeit vom Steigungswinkel des Gewindes, den Trägheitsmassen der bewegten Teile und den verschiedenen Belastungsfaktoren bei den jeweiligen Anwendungsfällen ab.