DE1937402A1 - Fluidmuskel - Google Patents

Description

Prof. Dr. Ing.' Hans Kleinwächter, 785 Lörrach

uns.Akte T. 69 379 Th/W/Bi

Fluidmuskel

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung eines Flüssigkeits-, Dampf- oder Gasdruckes in eine Antriebsbewegung, mit einem veränderbaren druckaufnehmenden Volumen.

In statisch wirkenden Hydraulik-, Pneumatik- oder Dampfmotoren, die zusammenfassend auch Pluidmotoren genannt werden, leistet der statische, senkrecht zu den Flächenelementen des Kolbens gerichtete Druck des Fluids direkt an dem sich verschiebenden oder drehenden Arbeitskolben die gewünschte mechanische Leistung. Dabei kann die notwendige Abdichtung zwischen dem bewegten Kolben und dem ruhenden Zylinder entweder durch gleitende elastische Stoffe- oder durch eine sich abrollende Membrane bewerkstelligt werden. Die gleitende Dichtung ruft große Reibungswiderstände hervor.

Die Rollmembrane trägt nicht zur Kraftübertragung auf den Arbeitskolben bei.

Im folgenden wir-d ein neuer, der Erfindung entsprechender

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Typ eine-s statischen Fluidmotors beschrieben, der diese Nachteile nicht aufweist und wegen seiner Ähnlichkeit mit den Muskelantrieben der Lebewesen als Fluidmuskel bezeichnet werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art besteht darin, daß das druckaufnehmende Volumen mindestens teilweise durch eine vorzugsweise nur in einer Richtung dehnbare, balgartige Membrane begrenzt ist, welche mit mindestens zwei starren, relativ zueinander bewegbaren Teilen in Verbindung steht. Durch das in das Volumen eingeleitete Druckmedium wird die Membrane hauptsächlich in der vorgesehenen Richtung verformt, wobei die Verformungsbewegung eine Bewegung mindestens eines der starren Teile hervorruft, welches dadurch einen Antrieb etfährt, den es in geeigneter Weise weitergeben kann.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane mit undehnbaren,vorzugsweise -fadenformigen Versteifungselementen versehen ist, welche eine Bewegung der Membrane in ihren Längsrichtungen verhindern. Die Versteifungselemente können z.B. aus Draht bestehen und in die Membrane eingelassen oder an ihrer Außenseite anliegend angeordnet sein. Die Membrane kann in diesem Fall aus elastisch dehnbarem Material hergestellt sein.

Eine davon abweichende Ausführungsform ist dadurch gekenn-

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zeichnete daß die Membrane aus einem gefalteten Balg aus undehnbarem Material besteht. Hierbei wird eine Dehnung der Membrane dadurch erreicht, daß sich unter Druck die Falten des Balgs mehr oder weniger glätten und bei nachlassendem Druck oder auch unter einer Sogwirkung wieder in die gefaltete Lage zurückkehren. .

Es ist vorteilhaft, daß auf den Balg auf mindestens einer Seite dichtendes, elastisches Material aufgebracht ist, so g

daß der Balg hauptsächlich als Versteifungselement wirken kann un-d das elastische Material, z.B. Gummi, die Dichtungsfunktion übernimmt.

Eine llongat'ion des druckaufnehmeriden Volumens wird dadurch erreicht, daß die Membrane etwa schlauchförmig zwischen den starren Teilen angeordnet ist und die Versteifungselemente die Membrane in Kreisringen oder wendelförmig umgeben. Unter Druck ist dabei eine Ausdehnung in Axialrichtung der Kreis-

ringe bzw. Wendel möglich, wogegen eine Ausdehnung senkrecht ^ dazu durch die undehnbaren Versteifungselemente verhindert wird. Die Membrane kann dabei in der Elongationsrichtung ausphnbar gefaltet sein; sie kann auch aus elastischem Material bestehen, wenn die Versteifungselemente genügend dicht beieinander angeordnet sind.

Eine beim menschlichen Muskel ähnliche Kontraktionsbewegung unter erhöhtem Innendruck wird dadurch möglich, daß die Membrane

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etwa, schlaup5rmig zwischen den starren Teilen angeordnet ist und etwa in Axialrichtung der Membrane verlaufende, etwa parallele Versteifungselemente aufweist. Die Versteifungselemente, die undehnbar aber biegsam sein sollen, erlauben der schlaufförmigen Membrane, daß sie sich unter einem erhöhten Innendruck in Radialrichtung ausdeh^rj,, wobei sich die Entfernung der Schlauchenden sowie der Enden der Versteifungselemente verkürzen wird. Die zwischen diesen Enden angeordneten starren Teile werden sich deshalb bei wachsendem Druck im Innern der schlauchförmig ausgebildeten Membrane aufeinander zubewegen.

Eine Torsionsbewegung, wie sie z.B. für die Drehbewegung eines künstlichen Armes erwünscht ist, kann dadurch erreicht werden, daß die Membrane, die. ein etwa toroidförmiges durckaufnehmendes Volumen begrenzt und mit schräg zur Radialrichtung verlaufenden Versteifungselementen versehen ist, etwa am Außenrand mit einem festgelegten oder antreibbaren, starren Teil und entsprechend etwa am Innenrand mit einem antreibbaren oder-.festgelegten, starren Teil verbunden ist. Bei erhöhtem Druck im Innern der Membrane dreht sich dabei der antreibbare Teil etwa koaxial zum festgelegten Teil um einen bestimmten Winkel und geht durch die Elastizität der Membrane oder unter der Wirkung eines Sogs wieder in seine Ruhestellung zurück, wenn kein Druck mehr vorhanden ist.

Die als Fluldmuskel bezeichnete Vorrichtung zur Umwandlung

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eines Flüssigkeits-, Dampf- oder Gasdruckes in eine Antriebs-bewegung ist mit ihren erfindungswesentlichen Einzelheiten in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Pluidmuskels in per-" spektiviseher Ansichtj

Fig. 2 eine Teilansicht nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Teillängsschnitt durch die Membrane des Fluidmuskels nach Fig. 6j

Fig. 4 zwei weitere Ausführungsbeispiele für Membranen im Teillängsschnitt;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Fluidmuskel mit

Kontrakt#ionswirkungj - - '

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Fluidmuskel mit Elongationswirkung und

Fig. 7 einen Fluidmuskel mit Torsionswirkung, im linken Figurenteil im Querschnitt und im rechten Figurenteii in einer\Peildrauf sieht.

Die Vorrichtung zur Umwandlung eines Flüssigkeit-, Dampf- oder Gasdruckes in eine Antriebsbewegung, die hier als Fluidmuse'kel bezeichnet wird, weist zwei gegeneinander bewegliche, starre Teile A und B auf, die den Kolben und Zylindern bei Maschinen oder den aufeinandergrenzenden Gelenksknochen entsprechen. Zwischen den starren Teilen A und B sind eine oder mehrere Membranen C aufgespannt, die an den Teilen A und B befestigt sind.

Die Teile A und B bilden zusammen mit den Membranen C mindestens ein \6Lumen D, das zur Aufnahme des druckausübenden Mediums

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dient. Im Beispiel nach Fig. 1 und 5 liegt dieses Volumen D zwischen den beiden Membranen C.

Die Membranen haben anisotrope Elastizitätsmoduln, sie sind in einer bestimmten Richtung I praktisch unöehnbar

und in der dazu senkrechten Richtung II leicht dehnbar (Ejj—» Q). Diese Verhältnisse sind z.B. in den Fig. i und 2 dargestellt. Die elastische Anisotropie einer Membrane C erreicht man dadurch, daß man entweder in eine biegsame aber undehnbare Membrane nach Fig. J5 eine parallele Schar biegsamer aber undehnbarer Fäden einbettet oder nach Fig. K einer biegsamen, aber undehnbaren Membrane durch eine beispielsweise mäanderförmige Faltung die gewünschte Elastizitäts-Anisotropie verleiht. Die jnäanderförmig gefaltete Membrane ist dabei in einen dehnbaren Stoff eingebettet.

Anhand der Fig. > sei erläutert, daß bei Anwendung biegsamer, aber undehnbarer Membranen, in die eine dichte Schar undehnbarer Fäden eingebettet ist, der maximal anwendbare Fluiddruck ρ erfindungsgemäß mit Verkleinern der Fadenabstände a nach Formel TW= ■ zunimmt, wobei ^_zul die zulässige Zugspannung der Membrane und s ihre Dicke ist. Erfindungsgemäß lassen sich nun je nach Orientierung der dehnungsstarren Fadenschar folgende drei Muskeltypen realisieren, die anhand der Fig. 5 bis 7 erläutert sind.

In Fig. 5 bestehen die starren Teile A und B aus Ringen,

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zwischen denen zwei Membranen C aufgespannt sind. Die Membranen C sind an den beiden Ringen befestigt, wobei in den Ringen öffnungen 10 vorgesehen sind, durch welche das Druckmedium in das Volumen D zwischen den Membranen C zu- und abgeleitet werden kann. Beide Membranen C haben im ungespannten Zustand etwa die Form koaxialer Schläuche; sie sind mit Versteifungselementen 20 etwa in Form achsenparalleler Drähte versehen, die ebenfalls an den Teilen A und B Befestigt sind. Wird durch die öffnungen 10 hindurch Druckmedium zwischen die Membranen C geleitet, so werden diese in radialer Richtung verformt, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die Durchbiegung der Membranen C bewirkt, daß sich die Entfernung ihrer Enden verkürzt, so daß die starren Teile A und B in Richtung der Pfeile F und -F gegeneinander bewegt werden. Die Druckerhöhung im Voiumen D bewirkt damit eine Kontraktion der Vorrichtung, die deshalb als Kontraktionsmuskel bezeichnet werden kann. Wird das eine starrke Teil, z.B. Teil B.festgehalten, so bewegt sich das Teil A hin und her je nachdem, welche Druckverhältnisse im Volumen D herrschen, da die Membranen C ([ mit ihren Versteifungselementen 20 bestrebt sind, elastisch

in ihre gestreckte Ruhelage zurückzukehren, wenn der Druck abnimmt. In an sich bekannter Weise kann die Bewegung des Teils A als Antriebsbewegung nutzbar gemacht werden.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung, die sich bei erhöhtem Druck im Volumen D in Richtung der Pfeile F bzw. -F ausdehnt.

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Die Membrane C besteht nach diesem Beispiel aus einem schlauchförmigen Balg aus unelastischem, biegsamem Material. Die Membrane C ist von Versteifungselementen 20 in Form von Draht— ringen umgeben, welche verhindern, daß die Membrane C in einer Richtung senkrecht zum Pfeil P aufgedeh#nt werden kann. Die Zu- und Ableitung des Druckmediums geschieht durch Öffnungen in den scheibenförmigen starren Teilen A und B. Die Vorrichtung nach Pig. 6 kann als Elongationsmuskel bezeichnet werden, der in der Natur nicht vorkommt.

Ein in der Natur ebenfalls nicht vorkommender Torsionsmuskel ist durch das Beispiel nach Fig. 7 realisiert. Die Membrane C hat hier im aufgedehnten Zustand, der im linken Teil der Fig. sichtbar ist, etwa die Form eines Ringwulstes oder Toroids, die man auch vom aufgeblasenen Autoreifen her kennt. Das starre Teil A sei festgelegt und ringförmig ausgebildet. Es ist mit einer Öffnung 10 versehen, die der Zu- und Ableitung des Druckmediums dient. Die Membrane C ist mit im Profil U-förmigen Ringen 11 und 12 sowohl am festgelegten Teil A als auch am bewegbaren Teil B befestigt, wobei letzteres als Welle ausgebildet ist.

Im rechten Teil der Fig. 7 erkennt man die Anordnung der fadenförmigen Versteifungselemente 20, die schräg gegenüber der vom Teil B zum Teil A führenden Radialrichtung verlaufend angeordnet sind. Die Versteifungselemente 20 sind mit den Ringen Il und 12 und über diese Ringe 11 und 12 auch mit den Teilen A und B verbunden. .

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Wenn das Volumen D mit Druckmedium gefüllt wird, dehnen sich die vorher etwa parallelen Teile der Membrane C voneinander weg und die Versteifungselemente 20 werden verbogen, so daß die Entfernung ihrer Enden abnimmt. Aus Pig. 7 wird dabei deutlich, daß in diesem Fall bei festgehaltenem Teil A der Wellenteil B eine Drehbewegung in Richtung des Pfeils γ ausführt. Läßt der Druck nach, nehmen die Membranen B und die Versteifungselemente 20 wieder ihre gestreckte Ruhelage ein, wobei sich der Wellenteil B in entgegengesetzter Richtung dreht.

Damit ist die Möglichkeit der direkten Umwandlung von Volumenexpansion in Torsionsarbeit ohne gleitende Abdichtung geschaffen.

Die oben beschriebene Vorrichtung zeichnet sich durch einfachen Aufbau und geringes Leistungsgewicht aus, auch sind Reibungsverluste geringer als bei bekannten Vorrichtungen.

Alle vorbeschriebenen Merkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander erfindungs^wesentlich sein.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   j 1. ι Vorrichtung zur Umwandlung eines Flüssigkeits-, Dampf- —^ oder Gasdruckes in eine Äntriebsbewegung mit einem veränderbaren, druckaufnehmenden Volumen, da du roh gekennzeichnet, daß das druckaufnehmende Volumen (D) mindestens teilweise durch eine vorzugsweise nur in einer Richtung dehnbare, balgartige Membran (C) begrenzt ist, welche mit mindestens zwei starren, relativ zueinander bewegbaren Teilen (A, B) in Verbindung steht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (C) mit undehnbaren, vorzugsweise fadenförmigen Versteifungselementen (20) versehen ist, welche eine Bewegung der Membrane (C) in ihren Längsrichtungen verhindern.
3. 3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (G) aus einem gefalteten Balg aus undehnbarem Material besteht.
4. %. Vorrichtung nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Balg auf mindestens einer Seite dichtendes, elastisches Material aufgebracht ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (C) etwa schlauchförmig zwischen den starren Teilen (A, B) angeordnet ist und die Versteifungselemente (20) die Membrane (C) in Kreisringen oder wendelförmig umgeben. 009888/1090
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis Sjdadurch gekennzeichnet* daß die Membrane (C) .etwa schlauchförmig zwischen den starren Teilen (A, B) angeordnet ist und etwa in Axialrichtung der Membrane (G) verlaufende, etwa parallele Versteifungselemente (20) aufweist.
7. 7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die etwa schlau/förmige Membrane (C) mit etwa in ihrer Axialrichtung yerlaifenden, etwa parallelen Versteifungselementen (20) ein inneres und/oder sie umgebendes, druckbeaufschlagbares Volumen (D) begrenzend ausgebildet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (C), die, ein etwa toroidförmiges, druckaufnehmendes Volumen (D) begrenzt und mit schräg zur Radialrichtung verlaufenden Versteifungselementen (20) versehen ist, etwaam Außenrand mit einem festgelegten oder antreibbaren, starren Teil (A) und entsprechend etwa am Innenrand mit einem antr^eibbaren oder festgelegten starren Teil (B) verbunden { ist. ·

   Patentanwalt