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.
Device for generating a reciprocating movement
The invention relates to a device for generating a reciprocating linear movement.
A large number of devices for generating a reciprocating movement are already known. Depending on the type, these arrangements provide a corresponding service. In general, however, the previously known arrangements for generating such movements are large and bulky and require a number of highly stressed components. Furthermore, they are not suitable for producing high forces if they are not equipped with complex power amplifiers. Thus, in many cases, the use of an improved source of energy for reciprocating motion would be very beneficial. For example, modern aircraft have a space inside the wings in which drive devices for producing a reciprocating movement are housed in order to drive the movable control surfaces.
However, bulky devices cannot be accommodated in such a space. Rather, these drive devices must be very compact. However, since small devices of this type provide only low output power, a power amplification device must be provided. In devices of this type, an asymmetrically acting gear arrangement has been used up to now, which is, however, exposed to high wear and tear and therefore had to be replaced after a relatively short operating time.
In numerous other instances, there has also been a desire for a compact device for producing a reciprocating motion with a relatively high output power.
The object of the present invention is therefore to create a compactly buildable device for generating a back and forth movement which delivers a relatively high output power without power amplification means.
Details of the invention emerge from the following description of various embodiments of the subject matter of the invention selected as examples with reference to the drawing.
1 shows the basic structure of the device according to the invention for generating a back and forth movement in which two motors acting on a shaft are provided in order to drive the shaft.
2 shows a sectional view in the axial direction of an embodiment of the device according to the invention.
3 shows the application of the device according to the invention in a car.
FIG. 4 shows a first electrical device for changing the rotational speeds of two motors, a shaft being caused to move linearly to and fro.
Fig. 5 shows a circuit for controlling the speed difference between two motors for the purpose of generating a reciprocating motion, and
Fig. 6 shows a further circuit for two motors to produce a reciprocating motion.
In Fig. 1 a device 10 is shown, on the basis of which the operation of the device according to the invention can be explained. The device 10 consists of drive devices in the form of a first motor 12 and a second motor 13 which act on a shaft 14. The motor 12 sits on a threaded portion 15 of the shaft 14, while the motor 13 is disposed over a splined portion 16 of the shaft 14. The motor 12 has a driven sleeve-shaped element 17 which is provided with an internal thread and which is placed in the manner of a nut on the threaded section 15 of the shaft 14. The motor 13 has a driven sleeve-shaped element 18 which is provided with inwardly open grooves and which cooperates with the section of the shaft 14 provided with the splines 16.
The elements 17 and 18 of the motors 12 and 13 are designed so that they can easily be moved on the shaft 14.
If both motors 12 and 13 are operated in the same direction of rotation (as indicated by the arrow surrounding the central section of shaft 14), then shaft 14 rotates at the speed of rotation of inner elements 17 and 18 of motors 12 and 13, but at rest Axial direction. However, if one of the motors is operated at a slightly different rotational speed than the other motor, then the shaft 14 moves in the axial direction. For example, if the speed of rotation of the motor 12 is somewhat greater than that of the motor 13, then the shaft 14 moves to the right. However, if the motor 12 has a slightly lower rotational speed than the motor 13, then the shaft 14 moves to the left.
This movement in the axial direction is generated as follows:
The splined portion of the shaft 14 is free to move to the right and left within the internal driving member 18 of the motor 13. A difference in the speed of rotation of the two motors 12 and 13 causes the threaded portion 15 of the shaft 14 and the internally threaded element 17 of the motor 12 to move relative to one another so that a screwing motion occurs. In other words, the motor 13 rotates the shaft 14 at a certain speed. If the speed of the motor 12 is the same, the threaded portion 15 runs in the internally threaded member 17 driven by the motor 12.
If the speed of the motor 12 differs from that of the motor 13, then a screwing movement results and the shaft moves to the right or to the left.
If one of the two motors can now be controlled in such a way that its speed changes compared to that of the other, which normally works at a constant speed, then the shaft 14 moves back and forth in the axial direction. Depending on the pitch of the thread on the element 15 and the latent speed difference between the two motors 12 and 13, a reciprocating motion can be generated which is accompanied by a considerable force acting in the axial direction when it is compared with the torques of the compares individual engines.
There are a multitude of possibilities to induce one motor that its rotational speed is slightly above or below the normal rotational speed of the other.
It should be noted that it is possible that both motors can change their speeds simultaneously in certain situations.
A method in which practically no special device other than the device shown in FIG. 1 is required is based on the use of a mechanical abutment (not shown in FIG. 1) to limit the axial movement of the shaft. Looking at the device 10, it becomes clear that when the axial movement of the shaft 14 is braked or stopped, for example when the motor 12 is running slightly faster than the motor 13, the threaded portion 15 exerts a braking force on the rotational movement of the threaded element 17 of the motor 12 exerts. This braking action causes the threaded element 17 of the motor 12 to reduce its speed to the point that it is slightly less than that of the motor 13 and the threaded portion 15, causing the shaft 14 to reverse its direction of movement.
As soon as the movement is reversed and the braking effect of the thread 15 from the motor 12 does not take place, the motor 12 increases its speed and causes the shaft 14 to change its movement again in the axial direction. This process repeats itself continuously, so that a back and forth movement is generated.
In FIG. 2, a device 20 is shown in cross section, which corresponds approximately to the device shown in FIG. The device 20 has a central shaft over which an assembly 22 in the form of a motor acting on a threaded portion 34, an assembly 23 in the form of a motor acting on a splined portion 38 and an upper and lower piston and Slide assembly 24 and 25 are provided. The arrangements or motors 22 and 23 each have a housing 30, a stator 31, a rotor 32 and a shaft element 33. The shaft element 33 of the arrangement or of the motor 22 is provided with a thread and surrounds a section provided with a corresponding thread 34 of the central shaft.
The shaft element 33 of the arrangement 22 is firmly connected to the rotor 32 and rotatably mounted in the bearings 36, 37. The central shaft 34 is rotatably mounted in its upper section in the bearing 35.
The arrangement or the motor 23 has a shaft element 33 which is provided with grooves in the interior and is rotatably mounted in the bearings 40, 41. It sits on a splined portion 38 of the central shaft. The sections 38 and 34 of the central shaft are integrally connected to one another. The lower end of the central shaft is rotatably supported in the bearing 39. The bores of the shaft elements 33 are widened in their end sections in order to allow the longitudinal displacement of the central shaft.
If the two rotors are driven at different speeds, then, depending on the type of speed difference, the central shaft is moved either forwards or backwards.
Only the speed difference controls the speed of the axial movement of the shaft for a given thread pitch. This is important because it allows the rated speed of each motor to be selected from a design point of view rather than the desired axial speed of the central shaft.
By controlling the speed differential between the rotors of assemblies 22 and 23, the central shaft can selectively make any desired reciprocating motion. In addition, the axial thrust can be used either during the upward or downward movement of the shaft or during both. In the device 20, during the upward movement, a piston 46 of the upper pump arrangement 24 is pushed upwards, as a result of which medium present in the space above the piston 46 flows off via an outlet valve 42. The same movement lifts a piston 47 in the lower pump assembly 25 and creates a vacuum and suction there via a suction or inlet valve 43.
On the other hand, an opposite, downward movement of the central shaft causes a compression process in the lower pump device 25, so that pressure medium flows out via an outlet valve 44.
At the same time, a suction process occurs in the upper pump device 24, and pressure medium flows into the space above the piston 46 via the suction or inlet valve 45.
The device shown in FIG. 2 can be varied in many ways in order to be able to meet special requirements. For example, the arrangement consisting of the threaded section 34 and the shaft element 33 can have the form of a threaded guide provided with encircling balls, as is already known in the art, in order to achieve maximum efficiency. In the same way, a ball bearing sliding guide can be used instead of the spline shaft section 38.
The speed differences of the shaft elements 33 in the arrangements 22 and 23 necessary to achieve the described back and forth movements of the central shaft can be brought about either by electrical or mechanical drive of the elements 33. For example, both the assembly 22 and the assembly 23 can be electrically controlled motors. Such arrangements are well known in the art. A mechanical speed control which includes the power output described above or a mechanical braking of the central shaft can also be provided.
Of particular interest is the fact that at no time during the operation of the device 20 does the direction of rotation of one of the motors have to be changed. In addition, when using motors with a relatively high speed, the relative speed change can be reduced. In this way, thanks to the flywheel effect, over 90 010 of the kinetic energy of each motor can be stored.
Of further interest is that very small, high power motors can be used to obtain substantial thrust in the axial direction of the central shaft while taking up little space. The size of the forward or backward movement of the central shaft and also the thrust force that can be applied by this is determined by the product of the thread circumference and the tangent of the thread pitch. If this value is multiplied by the difference in speed between the two motor arrangements 22 and 23, the speed of the axial movement of the central shaft is obtained. It follows that virtually any reciprocating speed can be achieved with such a device.
In addition, when using several units with different to-and-fro movement programs, these can be coordinated with one another in terms of time in order to vary work programs in various ways.
It should be pointed out that the system is secured against axial jamming, regardless of how the change in motor speeds is brought about. This is because if the shaft or one of the motor assemblies tend to jam, the relative speeds of the two motor assemblies change in such a way that the shaft is caused to move axially in the opposite direction than before. As a result, the relevant motor or the shaft becomes free again and the speed of the reverse axial movement gradually decreases again, while the motor speed increases again. In this way it is practically impossible to overload the device.
Fig. 3 shows an arrangement 50 with a device for generating a reciprocating movement. The arrangement 50 is a transport device with a platform 51 on which a push rod 52, which is driven with the aid of a device 53, 54 constructed in principle according to FIG. 2, is mounted by means of the guide 55. A connecting rod 56 is linked to the outer end of the push rod 52 and drives the two wheels via a crankshaft drive connected to a shaft 57. The speed of the two motors is coordinated with one another in such a way that the current direction of movement of the push rod 52 corresponds to the arrow next to the guide 55 in FIG. 3.
The axial movement of the push rod 52 is limited by the crank radius of the crankshaft drive, which is connected to the push rod 52 by the connecting rod 56. At the point of greatest deflection, the inertia of the wheels 58 has the effect that the push rod 52 is braked and then moved in the opposite direction of movement. In this way the device provides a reciprocating drive energy to rotate the wheels 58. Such an arrangement is suitable for driving a transport device. In such arrangements, speed control devices can also be provided which ensure high efficiencies.
The arrangement shown in FIG. 3, in which the axial movement of the push rod is structurally limited, is advantageous because it does not require an external circuit for the two motor arrangements in order to change the speed of one of the motors. Other arrangements with similar properties will be readily apparent to those skilled in the art.
For example, in a hammer mill where the movement of the hammer is limited by a stop, the basic elements of the device shown in FIG. 3 can be used to good effect.
The arrangement can also be used in pump systems, for example as shown in FIG. 2.
It should be specifically mentioned that in each of these arrangements the drive energy is exactly the same for both the back and forth movement and no additional measures are necessary to achieve a symmetrical characteristic in this regard.
Therefore, the wear in such energy transmission arrangements is small.
It is not necessary that the motors have to be arranged coaxially around the reciprocating shaft in order to achieve the described mode of operation. However, this makes it possible to reduce the size of the assembly to the point where it is suitable for many applications where bulky devices simply cannot be used. For the skilled man, however, it is easily possible to use a shaft provided with a keyway and a thread section similar to that shown in FIGS. 1 and 2 and to drive the related counter-elements by two identical motors. The coaxial structure, however, represents a preferred embodiment of the invention.
4 shows a device 60 with the aid of which a reciprocating movement of the central shaft can be controlled by means of an electrical circuit. The device 60 comprises a motor 61 provided with a threaded element and a motor 62 provided with a splined shaft element, to which a common inner shaft 63 is assigned. If the shaft moves to the left as a result of a speed difference between the motors 61 and 62 and reaches a point at which a switch 64 is closed, the aforementioned reversal takes place. The switching movement of switch 64 causes a bridging resistor to be connected into the line emanating from a current source 66, as a result of which the power supplied to motor 61 is reduced and its speed is reduced.
The shaft 63 thus moves to the right (as shown in Fig. 4). After having covered a certain distance, the switch 64 is opened again. The entire available power of the power source 66 is again at the motor 61, whereby the motor 61 runs faster and the direction of movement is reversed. The shaft 63 thus runs to the left again. It is obvious that a large number of devices corresponding to FIG. 4 in which a switching device effects a reversal of direction can be constructed.
In Fig. 5, a circuit for controlling for the purpose of changing the speed difference of the motors is shown by electrical means. A direct current source (not shown) is connected to the terminals 67 and 68 for feeding the two motors 69 and 70. The armature 71 of the first motor 69 is in series with the field winding 72 of the second motor 70.
This circuit is parallel to the series connection of the field winding 73 of the first motor 69 and the armature winding 74 of the second motor 70. As soon as the shaft (not shown) hits one end of its path, the motor 69, which now runs at a higher speed and carries a threaded element, becomes braked, whereby the current through the armature winding 71 increases. This current, however, also flows in the field winding 72 of the other motor 70. As a result, the speed of the second motor 70 increases and rises above that of the first motor 69. This causes the desired reversal of the direction of movement of the central shaft.
6 shows a further circuit in which the known self-regulation effect of polyphase synchronous motors is used. A motor, represented by a triangular winding 80, is rapidly brought up to its synchronous speed. This motor 80 rotating at a higher speed is then brought out of synchronism when the shaft (not shown) arrives at the end of its path and exerts an increased torque on the thread arrangement assigned to it. The synchronization of the other motor 81 is just initiated when this kick-off occurs. As a result, the synchronization of the second motor 81 is accelerated and the rotational speed of the shaft driven by this motor provided with the wedge arrangement is increased when the speed of the motor 80 decreases at the same time.
As soon as the motor 81 reaches synchronous speed, the shaft moves in the opposite direction. The cycle repeats itself in the opposite sense when the wave arrives at the opposite end of its path and the process repeats itself in the opposite direction.
Obviously, the extent of stroke and speed depend on the pitch angle of the thread, the inertial masses of the moving parts and the various load factors in the respective application.