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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln einer im
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wesentlichen in einer Antriebs ebene erfolgenden rotierenden oder
translatorischen Antriebsbewegung in eine im wesentlichen in senkrechter Richtung
zur Antriebsehene erfolgende hin- und hergehende Abtriebsbewegung, sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Die Umwandlung von bestimmten Antriebsbewegungen in andersartige oder
andersgerichtete Abtriebsbewegungen ist in der Technik eine häufig auftretende Forderung.
Während die Übertragung einer rotierenden Antriebsbewegung in eine ebenfalls rotierende
Abtriebsbewegung sowohl bei parallelen oder koaxialen Rotationsachsen wie auch bei
unter einem Winkel zuewnanir stehenden Rotationsachsen durch Einsatz von Zahnradgetrieben,
Flüssigkeitsgetrieben und die verschiedesten Typen von Wellenkupplungen im allgemeinen
kein Problem ist, bereitet die Umwandlung einer rotierenden Bewegung in eine hin-
und hergehende, lineare Bewegung wie auch die Umwandlung einer bestimmten linearen
Bewegung in eine ndsee~lineare Bewegung meistens einen größeren Aufwand. Für die
Umwandlung einer Rotationsbewegung in eine hin- und hergehende lineare Bewegung
wird als mechanische Lösung häufig der Kurbeltrieb verwendet. In Form einer hydraulischen
Übertragung läßt sich betpielsweise ein hin- und hergehender Arbeitskolben als Abtrieb
mitt eine an einem Rotationsantrieb versehene Pumpe anschließen. In fast allen Fällen
einer solchen Bewegungsumwandlung sind jedoch entweder getriebemäßige Verbindungsteile
oder Leitungsverbindungen erforderlich, die den Einsatzbereich solcher Bewegungsumwandlungsgetriebe
je nach Ausführung beschränken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und cinc Vorrichtung
der eines bezeichneten Art zu schaffen, die rnlt einfachsten Mitteln die tJmwandlung
einer in einerAntriebsebene erfolgenden Antriebsbewegung in eine senkrecht zu dieser
Ebene gerichtet hin- und hergehende Abtriebsbewegung gestatten, wobei es u.a. auch
möglich sein soll, ohne formschlüssige oder mechanische Verbindung zwischen Antriebs-
und Abtriebselementen zu arbeiten. Ein weiteres Ziel ist eine möglichst verlustlose
Leistungsübertragung.
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Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
das Permanentmagnetfelder des die Antriebsbewegung ausführenden Antriebsgliedes
durch dessen Bewegen im wesentlichen parallel zur Antriebsebene mit Permanentmagnetfelder
des die Abtriebsbewegung ausführenden Abtriebsgliedes in wechselnder Polpaarung
miteinander in Einwirkung gebracht werden.
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Eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
2 ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Antriebsglied als auch
das Abtriebsglied mit Permanentmagnetsystemen versehen sind, die durch Bewegen des
Antriebsgliedes im wesentlichen in der Antriebsebene in wechselnder Polpaarung derart
miteinander in Einwirkung treten, daß die wechselweise bewirkten Anziehungs- und
Abstoßungskräfte eine lIin- und Herbewegung des Abtriebsgliedes in Abtriebsrichtung
zur Folge haben.
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Zum vollständigen Verständnis der Erfindung sind einige der in den
Patentansprüchen verwendeten Begriffe näher zu definieren.
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So soll unter einer in einer Antriebsebene erfolgenden, rotierenden
oder translatorischen Antriebsbewegung eine Bewegung verstanden werden, die im wesentlichen
in einer Ebene verläuft.
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D.h. daß die kraftübertragenden magnetischen Felder im wesentlichen
senkrecht zu dieser gedachten Ebene gerichtet sind und während der Antriebsbewegung
im wesentlichen in dieser Ebene oder einer entsprechenden parallelen Ebene verschoben
erden.
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Bei einem rotierenden Antrieb, bei dem die kraftübertragenden magnetischen
Felder im wesentlichen senkrecht zur einer Normalebene des Antriebsgliedes verlaufen
bedeutet dies, daß die gedachte Antriebsebene eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse
ist.
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Bei einem scheibenförmigen, rotierenden Antriebsglied dessen Magnetpole
an den Stirnseiten der Scheibe liegen, ist die Antriebsebene damit eine in der Scheibe
oder parallel zur Scheibe verlaufende Ebene. Bei einem traslatorischen Antrieb soll
die Antriebsebene diejenige sein, in der die traslatorische Verschiebung des Antriebsgliedes
stattfindet, wobei jedoch die kraftübertragenden magnetischen Felder des Antriebsgliedes
im wesentlichen normal zu der Antriebsebene verlaufen sollen. Als ein Sonderfall
einer solchen translatorischen Verschiebung innerhalb einer Antriebsebene soll derjenige
verstanden werden, bei dem der Antrieb im Grunde genommen ein rotierender ist, die
magnetischen Felder aber im wesentlichen in radialer Richtung verlaufen. Als Antriebsebene
soll hierbei jeweils die Tangentialebene des Antriebsgliedes verstaiiden werden,
zu der der jeweils in Einwirkung mit dem Magnetsystem des Abtriebsgliedes efindliche
Magnetfeldanteil des Antriebsgliedes im wesentlichen senkrecht verläuft.
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Die Abtriebsbewegung soll eine im wesentlichen linear gerichtete Hin-
und Herbewegung sein, die im allgemeinen in senkrechter Richtung zu der gedachten
Antriebsebene verläuft. Die senkrechte Ausrichtung wird zwar der Normalfall sein,
sie ist aber keine strenge Voraussetzung für die Erfindung. Das kraftübertragende
Magnetfeld
des Abtriebsgliedes läuft im wesentlichen parallel zur Richtung des Abtriebsgliedes
und somit senkrecht zur Antriebsebene.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beansprucht.
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Wesentlich für das erfindungsgemäße Übertragungssystem ist es, zi.lß
sowohl das Antriebsglied als auch das Abtriebsglied je mit einem Permanenimagnetsystem
verschen sind. Dabei ist es jedoch nicht erforderlich, daß jedes der beiden Glieder
mit mehreren jeweils mit dem anderen Glied in Wirkungseingriff bringbaren Magnetpolen
versehen ist. Es reicht aus, wenn beispielsweise ein bestimmter Magnetpol des Abtriebsgliedes
wechselweise mit unterschiedlichen Magnetpolen des Antriebsgliedes in Einwirkung
gebracht werden kann. Die Mindestforderung ist, daß jeweils zwei gleichnamige und
zwei ungleichnamige Pole der beiden Bewegungsglieder wechselweise miteinander in
Eingriff gebracht werden können.
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Die Kraftübertragung wird jedoch wesentlich günstiger, wenn sowohl
das Antriebsglied als auch das Abtriebsglied jeweils mit einer bestimmten regelmäßigen
Anordnung von unterschiedlichen Magnetpolen versehen sind, die so ausgebildet ist,
daß bei einer bestimmten Nerschiebung des Antriebsgliedes in der Antriebsebene sich
entweder jeweils gleichnamige oder ungleichnamige Pole der beiden Bewegungsglieder
gegenüberliegen. Eine solche Ausbildung bietet sich für eine besonders bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung an, bei der der Antrieb ein Rotationsantrieb im Sinn
der oben gegebenen Definition ist. Hierbei lassen sich ein oder mehrere rotierende
Antriebs scheiben an ihren Stirnseiten mit einem Kranz abwechselnder Magnetpole
versehen.
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Kränze Das Abtriebsglied weist dabei entsprechend angeordnete/von
Magnetpolen
auf, ist aber gegenüber dem Antriebsglied drehfest
gelagert und lediglich in axialer Richtung schiebbar geführt.
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Eine Bewegung des Antriebsgliedes in der Antriebsebene um den Winkel
der Polteilung bringt jeweils andersnamige Magnetpole des Antriebsgliedes mit denjenigen
des Abtriebsgliedes in Eingriff, wobei das Abtriebsglied wechselweise Anziehungs-und
Abstoßungskräfte erfahrt, die die angestrebte, hin- und hergehende Linearbewegung
des Abtriebsgliedes in seiner Führung senkrecht zur Antriebsebene zur Folge haben.
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Da die Kennlinie der magnetischen Kraftübertragung nicht linear verläuft,
d.h., die Kraft progressiv zunimmt, je näher die sich gegenüberstehenden Magnetsysteme
des Antriebs- und Abtriebsgliedes aneinander gebracht werden, kann es in bestimmten
Anwendungsfällen zweckmäßig sein, das Abtriebsglied gegen ein elastisches Element
abzustützen, dessen Verhalten so ausgewählt werden kann, daß seine RückstelAkraft
das Kennlinienverhalten der magnetischen Kraftübertragung beeinflußt.
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Als Permanentmagnetsysteme für die vorliegende Erfindung werden bevorzugt
scheibenförmige Magnetstücke aus Sinterwerkstoffen verwendet, die sich heutzutage
mit sehr hohen Kraftfeldern herstellen lassen. Diese Magnetscheiben können so ausgebildet
werden, daß sich die unterschiedlichen Magnetpole an den entgegengesetzten Stirnflächen
der Scheiben befinden. Hierdurch lassen sich verhältnismäßig flache, mit großen
Polflächen gegeneinandergerichtete Magnetsysteme erzeugen, die insbesondere für
die Umwandlung einer rotierenden in eine hin- und hergehende, Linear bewegung in
Richtung der Rotationsachse besonders geeignet sind.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten
Zeichnungen im einzelnen noch näher erläutert. Darin stellen dar:
Fig.
1 die Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Übertragung einer Rotationsbewegung in
eine linear, hin- und hergehende Bewegung in Richtung der Rotationsachse; Fig..2
die perspektivische Ansicht eines für Rotation vorgesehenen, scheibenförmigen Antriebsgliedes,
in das sektorförmig, Permanentmagnetscheiben unterschiedlicher Polrichtung eingelassen
sind; Fig. 3 die Prinzipskizze für die Übertragung einer translatorischen Bewegung
in eine dazu senkrecht gerichtete, hin- und hergehende Linearbewegung; und Fig.
4 Prinzipskizze zur Umwandlung einer rotierenden Bewegung in eine zur Rotationsachse
radial gerichtete hin- und hergehende Linearbewegung, wobei die Umfangsbewegung
des rotierenden Antriebsgliedes als Translationsbewegung in Tangentialrichtung verstanden
sein soll.
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Figur 1 zeigt ein rotierendes Antriebsglied 1 , bestehend aus einer
rotierenden Scheibe 2 , die am Ende einer in Lagern 3 drehbar gelagerten Welle 4
befestigt ist, welche mit einem beliebigen Rotationsantrieb 5 versehen sein kann.
Wie sich aus der Anordnung der Lager 3 ergibt, ist die rotierende Scheibe 2 an einer
axialen Verschiebung gehindert. Die gedachte Antriebsebene 7 verlaufe senkrecht
zur Rotationsachse 6 durch die Scheibe 2. Der Antriebsscheibe 2 liegt in gewissem
Abstand eine Abtriebsscheibe 8 gleicher Art gegenüber, die am Ende eines Vierkantschaftes
9 befestigt ist, welcher drehfast gegenüber der Antriebsscheibe 2 und der Welle
4, jedoch in axialer Richtung verschiebbar in einer V=-kantführung 10 geführt ist.
Durch diese Führung wird die Richtung 11 der Abtriebsbewegung festgelegt. Die Abtriebsrichtung
11 fällt mit der Rotationsachse 6 zusammen.
Der Vierkantschaft
9 ist beispielhaft an seinem Ende mit einem Kolben 12 versehen, der in einem schematisch
angedeuteten ZyMhdergehäuse 13 eine durch den Doppelpfeil 14 angedeutete Hin- und
Herbewegung ausführen kann. Die Lager 3, die Vierkantführung 10 und das Zylindergehäuse
13 sind gestellfest.
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In die einander zugewandten Stirnseiten der Antriebsscheibe 2 und
der Abtriebsscheibe 8 sind Permanentrnagnetsystenie in Form von hoch magnetisierten
Scheiben 15 aus einem Sinterwerkstoff eingelassen, die jeweils einen konzentrischen
Kranz von Magnetpolen unterschiedlicher Feldrichtung bilden. Im einfachsten Fall
können die beiden Magnetkränze aus jeweils zwei IIalbkreisringen bestehen, die an
ihren aneinander anschließenden Enden durch ein nichtmagnetisches Material voneinander
getrennt sind und in Bezug auf ihre Magnetpolung in umgekehrter Richtung zueinander
in die Scheiben 2 bzw. 8 eingelassen sind.
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Halbkreissegtnente In der Annahme, daß die Magnetscheibe i5/sind,
liegen gemäß der zeichnerischen Darstellung der Figur 1 jeweils die Halbkreisscheibe
mit Nordpolen und diejenigen mit Südpolen an ihrer freien Oberlfäche einander gegenüber.
Die dadurch entstehende magnetische Abstoßung bewirkt ein Verschieben der Abtriebsscheibe
8 nach rechts, was durch die Stellung des Kolbens 12 kurz vDr seiner rechten Totlage
in Zylinder 13 angedeutet sein soll.
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Wird die Welle 4 um 1800 gedreht, kommen jeweils entgegengesetzte
Magnetpole in Gegenüberlage, wodurch die Abtriebsscheibe 8 von der Antriebsscheibe
2 angezogen wird. Sie bewegt sich damit zusammen mit dem Kolben 12 in der Vierkantführung
10 nach links.
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Durch Rotation der Achse 4 um jeweils 1800 wird damit eine Bewegungsumkehr
der Abtriebsscheibe 8 in Abtriebsrichtung 11 erzeugt, die zu einer hin- und hergegenden
bewegung des Kolbens 12 im Zylinder 13 führt,/Xi8s durch den Doppelpfeil 14 angedeutet
ist.
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nie Anordnung der Figur 1 stellt nur eine beispielhafte Ausführung
dar. So können z.B. die Magnetscheiben 15 in Art eines Polkranzes mit mehrfachem
Polwechsel ausgeführt sein, wie dies am Beispiel der in Figur 2 dargestellten Antriebsscheibe
22 mit vier sektorförmigen Magnetscheiben 25 gezeigt ist. Bei Verwendung einer solchen
Antriebsscheibe führt jeweils eine viertel Drehung zu einer Gegenbewegung des Abtrebsgliedes.
In Figur 1 sind das Antriebsglied 1 und das Abtriebsglied 16 in vollkommener unabhängiger
Anordnung voneinander dargestellt, die beispielsweise von Vorteil sein kann, wenn
Antrieb und Abtrieb aus isolierungsgründen/Virch eine Wand voneinander getrennten
Räumen untergebracht werden sollen. Es ist aber auch dul-<lllalls möglich, das
Abtriebsglied drehfest, aber verschiebbar auf einer starren Achse zu lagern, die
durchgehend ist, und auf der das Antriebsglied axial unverschiebbar aber drehbar
gelagert ist. Es sind auch Ausführungen denkbar, bei denen eine paketartige Anordnung
von mehreren Antriebs- und Abtriebsgliedern wechselnd hintereinander vorgesehen
ist. In diesem Fall können die Antriebsglieder auf einer durchgehenden, gemeinsamen
Welle befestigt sein, während die Abtriebsglieder di11ch ein Gehäuse miteinander
verbunden sind und vom Umfang hei zwisollen <lie Antriebsgl i eder greifen. Solche
Abwandlungen in der Nagnetanordnung hängen ganz davon ab, welche Kräfte zu übertragen
sind. Auch ist es möglich, den Hub des Abtriebsgliedes durch verstellbare Anschläge
veränderlich zu machen.
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Die Antriebsbewegung braucht ferner keine gleichsinnige Rotationsbewegung
zu sein, sie kann auch eine alternierende Drehwinkelbewegung sein.
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Die Anwendungsmöglichkeiten dieser besonders bevorzugten Ausführungsform
einer Übertragungseinrichtung sind vielfältig, ohne daß hier der Versuch gemacht
werden soll eine Mehrzahl von
Einsatzgebieten anzudeuten. Der in
Figur 1 dargestellte Kolben antrieb soll nur als Beispiel dienen.
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In Figur 2 ist schematisch eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Bewegung
dargestellt, bei der eine lineare, translatorische Antriebsbewegung in eine dazu
senkrechte, hin- und hergehende Abtriebsbewegung umgewandelt wird. Hier ist als
Antriebsglied 31 ein verschiebbares, langliches Bauteil 32 vorgesehen, welches in
Vnearführungen 33 in Richtung des Doppelpfeiles 35 hin-und herheweghar ist. Tn das
Aniriefisbaitei'l 32 sind in nichtllng des Pfeiles 35 eine Reihe von Nagnetklötzen
35 eingelassen, deren nach i gerichteten Magnetpole jeweils eine abwechselnde Polung
aufweisen Als Antriebsebene 37 soll hier diejenige Ebene verstanden werden, die
in der Mittellinie des Antriebsbauteiles 32 senkrecht zur Zeichenebene liegt. Sie
verläuft somit in Normalrichtung zur Hauptrichtung der Magnetfelder der Magnetklötzer
35. Oberhalb des Antriebsgliedes 31 ist ein Abtriebsglied 36 angeordnet, welches
aus einem klotzartigen Bauteil 38 besteht, das mit einem Schaft 39 in senkrechter
Richtung beweglich in einer gestellfesten Führung 40 geführt ist.
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In das klotzartige Bauteil 38 ist von unten ein Magnetklotz 41 eingelassen,
dessen Nordpol nach unten weist. Der Schaft 39 ist oberhalb der gestellfesten Führung
40 mit einem Bund 42 versehen. Zwischen dem Bund 42 und der Führung 40 ist eine
beispielsweise mit Vorspannung beaufschlagte Schraubenfeder 43 abgestützt. Die Richtung
der hin- und hergehenden Abtriebsbewegung ist durch den Doppelpfeil 44 angedeutet.
Sie verläuft senkrecht zur Antriebsebene 37.
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Im Gegensatz zur Ausführungsform der Figur 1, bei der Antriebs-und
Abtriebsglied jeweils mit einer identischen Anzahl und Anordnung von Magnetpolen
vershen sind, weist das Abtriebsglied 36 nach Figur 3 nur einen für die Bewegungsübertragung
wirksamen
Magnetpol, nämlich den nach untengerichteten Nordpol
des Magnetklotzes 41 auf. Dagegen ist das linear verschiebbare Antriebsglied 31
mit einer Folge von vier wechselnden blagnetpolen versehen. Wird das Antriebsbauteil
32 um eine Polteilung nach rechts in Richtung des Pfeiles 35 verschoben, kommt ein
Südpol in Gegenüberlage zu dem Nordpol des Abtriebsgliedes 36, wodurch dieses gegen
die Xtüekstellkraft der Feder 43 nach unten gezogen wird. Die Begrenzung des Hubes
kann durch die Feder 43 elastisch erfolgen, es kônnen aber auch entsprechende hubberciizende
Anschläge vorgesechen sein.
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Pur die Funktionsfähigkeit des Übertragungssystems nach Figur 3 wären
lediglich ei unterschiedliche nach oben gerichtete aIagnetpole im Antriebsbauteil
32 erforderlich, insofern dieses zwischen zwei Stellungen hin- und herbewegt wird,
in denen sich jeweils einer der Pole dem Magnetklotz 41 des Abtriebsgliedes gegenüber
befindet. Es kann in bestimmten Am.endungsfällen aber auch erwünscht sein, einen
mehrfachen Polwechsel durch eine lineare Antriebsbewegung zu erzeugen, die in einer
Richtung gerichtet ist. Andererseits wäre es zur Vergrößerung der Kraftübertragung
auch bei der Anordnung der Figur 3 möglich, im Abtriebsglied 36 zwei oder mehr nebeneinanderliegende
Magnetpole unterschiedlicher Polung vorzusehen.
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Die Ausführungsform der Figur 4 entspricht im Grundprinzip derjenigen
der Figur 3, wobei jedoch die lineare Antriebsbewegung in der Antriebsebene 47 auf
enen Tangentialbereich beschränkt ist, da die Magnetpole des Antriebsgliedes am
Umfang eines rotierenden Bauteiles 52 angeordnet sind, dessen Rotationsachse 54
parallel zur Antriebs ebene 47 verläuft. Zur Verminderung des magnetischen Kurzschlusses
im zentralen Bereich des Antriebsgliedes 51 weist diesesnur einen einzeigen zentralen
Magnet 55 auf, der an beiden Seiten mit magnetischeleitenden
Pol
schuhen 56 versehen ist, aus deren Unifangsflächen die rla¢netischen Kraftfelder
im wesentlichen senkrecht austreten und im Fall eines nach oben gerichteten Poles
im wesentlichen senkrecht zur Antriebsebene 47 verlaufen, in gleicher Weise, wie
dies auch beim Ausführungsbeispiel der IPigllr 7 gegeben ist. Das ntriebsglied 5i
kann beispielsweise in Richtung der Pfeile 57 um die Antriebsachse 54 rotieren.
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Das A triebsglied 58 ist an seiner nach unten gerichteten Stirnfläche
lediglich der Umfangskontur des Antriebsglieds 51 angepaßt. Es ist mit seinem Schaft
59 in einem gestellfesten Bauteil 60 geführt, welches gleichzeitig zur Anschlagbegrenzung
des Abtriebsgliedes 58 dient. Die zur Antriebsebene 57 senkrecht verlaufene, hin-
und hergehende Abtriebsbewegung ist duich den Doppel pfeil 61 angedelltet.
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Die in den Figuren 1 bis ii wiedergegebenen schematischen Anordnungen
stellen lediglich beispielhafte Ausführungen des beanspruchten Systems durch Bewegungsumwandlung
dar. Insbesondere die Ausführungsform der Figur 1 läßt deutlich erkennen, wie durch
einfachste koaxiale Anordnung mit geringem Konstruktionsraum eine rotierende Antriebsbewegung
in eine Hubbewegung umgewandet werden kann. Die Übertragungsanordnungen weisen neben
den jeweiligen Lagerungen für das Antriebs- und Abtriebsglied keine weiteren dem
Verschleiß unterworfenen Bauteile auf. Es ist lediglich darauf zu achten, daß das
Abtriebsglied in seiner hin- und hergehenden IJinearbewegang einwandfrei und zuverlässig
geführt ist. Die Verwendung von Permanentmagneten entsprechend starker Kraftfelder
macht es möglich, hohe Leistungen mit den beschribenen Systemen zu übertragen. Der
Hub und die Frequenz der übertragenen Bewegung können nach Bedarf gewählt werden
und lassen sich auch so ausführen, daS sie während des Betriebes leicht veränderbar
sind. Wegen der geringen Anzahl von
Lagerungen lassen sich die
Übertragungsverluste gering halten.
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on besonderem Vorteil kann die nach Wunsch berührungsfreie Bewegungsübertragung
sein.
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