Kraft-Weg-Transformationsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem in zwei Freiheitsgraden bewegbaren Element, wobei auf das bewegbare Element im ersten Freiheitsgrad eine Kraft ausübbar ist, wodurch eine Bewegung innerhalb des ersten Freiheitsgrades bewirkt wird und gleichzeitig eine Bewegung im zweiten Freiheitsgrad erzeugt wird, wobei sich der Weg-Kraft-Verlauf im ersten Freiheitsgrad stark von dem Weg-Kraft-Verlauf im zweiten Freiheitsgrad unterscheidet. Dies kann z. B. gefordert werden, wenn eine Klappe oder ein Ventil von einem geschlossenen Zustand, in dem idealerweise auch ein hoher Anpressdruck gegen eine Dichtung anliegt, in einen offenen Zustand zu bringen ist, in welchem die Klappe oder das Ventil in einem stabilen Zustand gehalten werden soll. Ein Anwendungsbeispiel ist eine ferngesteuerte Kippeinrichtung für ein Oberlichtfenster.

Zur Generierung von stark nichtlinearen Kraft-Bewegungs-Verläufen sind aus dem Stand der Technik diverse Konstruktionen bekannt, die Hebeleffekte nutzen und die z. B. mit Hydraulikzylindern angetrieben werden können. Diese Konstruk- tionen sind teilweise sperrig und kompliziert aufgebaut.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer kompakten robusten Vorrichtung, die vorstehend beschriebene Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einer magnetischen Kraft-Weg-Transformationsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Die Kraft-Weg-Transformationsvorrichtung hat ein Gehäuseelement und ein Bewegungselement, wobei das Bewegungselement im Gehäuseelement in zwei

Freiheitsgraden beweglich ist: Im ersten Freiheitsgrad ist das Bewegungselement um einen vorbestimmten Weg zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar, wobei in diesen Endpositionen eine bestimmte Funktion ausgelöst worden ist, wie z. B. Klappe auf, Klappe zu. Die Bewegung zwischen die- sen zwei Endpositionen wird durch eine Eingangsbetätigung verursacht, z. B. mittels eines Handgriffs. Die Betätigung des Handgriffs bewirkt, dass sich das Bewegungselement im zweiten Freiheitsgrad bewegt, der nicht identisch ist mit dem ersten Freiheitsgrad. Im Gehäuseelement sind zwei Magnetanordnungen M1 und M2 mit wenigstens je zwei Magnetpolen vorgesehen. Am Bewegungselement ist eine Magnetanordnung mit mindestens 4 Magnetpolen angeordnet, von denen zwei der Magnetpole der zum Magnetsystem M1 zeigenden Seite des Bewegungselements zugeordnet sind und zwei der Magnetpole der zum Magnetsystem M2 zeigenden Seite des Bewegungselements zugeordnet sind. Mittels der Eingangsbetätigung wird das Bewegungselement von der ersten Position, in der das Bewegungselement in maximaler Anziehung zu Magnetsystem M1 steht, so verschoben, dass magnetische Abstoßung bewirkt wird, wodurch das Bewegungselement vom Magnetsystem M1 weggedrängt wird und in den Anzugsbereich des Magnetsystems M2 eintritt und in die zweite Position gezogen wird, in der die dem Magnetsystem M2 zugeordneten Magnetpole des Bewegungsele- ments in Richtung maximaler Anziehung zum Magnetsystem M2 sind.

Nach Anspruch 2 ist eine Rastverbindung vorgesehen, die so ausgebildet ist, dass bei der Bewegung des Bewegungselements in den Anzugsbereich ein Federschnapper weggedrückt wird, der nach der Einnahme des Bewegungsele- ments in die jeweilige Endstellung der ersten Position oder zweiten Position zurückschnappt und das Bewegungselement formschlüssig verriegelt. Das Bewegungselement ist so ausgebildet, dass es an einer vorbestimmten Stelle eine Lücke aufweist, sodass folgende Funktion erfüllbar ist: Mittels der Eingangsbetätigung wird im zweiten Freiheitsgrad das Bewegungselement so verschoben, dass magnetische Abstoßung bewirkt wird und in dieser Lage des Bewegungselements die Lücke des Bewegungselements so ausgerichtet ist, dass der Durchtritt des Federschnappers ermöglicht ist. Bei dieser Weiterbildung der Erfindung liegt zusätzlich zu der magnetischen Haltekraft eine formschlüssige mechanische Verriegelung vor.

Nach Anspruch 3 sind mehrere Kraft-Weg-Transformationsvorrichtungen hintereinander geschaltet.

Nach Anspruch 4 wird durch die Bewegung im ersten Freiheitsgrad eine Hydraulik oder eine Pneumatik bewegt oder der Kolben ist direkt als Hydraulik- oder Pneumatikkolben ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt mit Fig. 1a eine Seitenschnitt-Darstellung, die Fig. 1b eine Draufsicht-Schnittdarstellung und die Fig. 1c eine perspektivische Ansicht einer der möglichen Ausführungsformen der erfindungsgemäße Kraft-Weg-Transformationsvorrichtungen.

In einem Gehäuseelement 1 ist am Boden ein Magnetsystem M1 mit den Magneten M1a und M1b angeordnet. Im Deckel ist das Magnetsystem M2 mit den Magneten M2a und M2b angeordnet. In dem Gehäuseelement 1 ist ein bewegbares Element 2 angeordnet, das ein Magnetsystem M3 mit den Magneten M3a und M3b aufweist.

Die Magnete oder Magnetpole sind in M1 und M3 so angeordnet, dass sie von einer Anziehungsposition, in der sich ungleichnamige Magnetpole anziehend gegenüberliegen in eine Abstoßungsposition bringbar sind, in der sich gleichna- mige Magnetpole abstoßend gegenüberliegen.

Ebenso sind die Magnete oder Magnetpole in M2 und M3 so angeordnet, dass sie von einer Anziehungsposition, in der sich ungleichnamige Magnetpole anziehend gegenüberliegen in eine Abstoßungsposition bringbar sind, in der sich gleichna- mige Magnetpole abstoßend gegenüberliegen.

Das bewegbare Element 2 ist im Gehäuseelement 1 so gelagert, dass es sich in zwei Freiheitsgraden bewegen kann: In einem ersten Freiheitsgrad kann sich das Element 2 um das Bewegungsspiel 3 zwischen Boden und Deckel des Gehäuse-

elements hin und her bewegen. In einem zweiten Freiheitsgrad kann das Element 2 so verschoben bzw. gedreht werden, dass das Magnetsystem M3 von einer Position der magnetischen Anziehung zwischen M1 und M3 in eine Position der magnetischen Abstoßung von M1 und M3 gebracht werden kann, bzw. das EIe- ment 2 so verschoben bzw. gedreht werden kann, dass das Magnetsystem M3 von einer Position der magnetischen Anziehung zwischen M2 und M3 in eine Position der magnetischen Abstoßung von M2 und M3 gebracht werden kann.

M1 , M2, M3 sind so angeordnet, dass M2 und M3 in Anziehung sind, wenn M1 und M3 in Abstoßung sind oder dass M2 und M3 in Abstoßung sind, wenn M2 und M3 in Anziehung sind.

Der Erfindungsgedanke wird anhand dieser zylinderförmigen Ausführungsform gemäß der Fig. 1 und 2 beschrieben, wobei sich ein Kolben mit kreisförmigem Querschnitt in einem dazu passenden Zylinder bewegt. Das zylinderförmige

Gehäuse steht senkrecht und hat somit einen Zylinderboden mit einer Zylinderboden-Bohrung und einen Zylinderdeckel mit einer Zylinderdeckel-Bohrung. Der Kolben hat zwei Kolbenstangen, die jeweils aus der Zylinderboden-Bohrung und aus der Zylinderdeckel-Bohrung herausragen. Der Kolben ist rund und daher mittels einer der Kolbenstangen in dem Gehäuse drehbar. Am Zylinderboden, am Zylinderdeckel und am Kolben sind Magnete angeordnet. Wenn der Kolben in die Nähe des Zylinderbodens gefahren wird, erfolgt eine magnetische Anziehung. Da jedoch an der Kolbenunterseite und an dem Zylinderboden je zwei Magnetpole mit unterschiedlicher Polung angeordnet sind, dreht sich der Zylinder selbsttätig um die um die eigene Achse, bis sich die jeweils ungleichnamigen Magnetpole anziehend gegenüberstehen.

Wird jetzt an einer der beiden Kolbenstangen der Kolben um die Kolbenstangenachse gedreht, so stehen sich bei einer Drehung von z. B. 180 Grad nicht mehr die ungleichnamigen Pole, sondern die gleichnamigen Pole gegenüber, sodass eine maximale Abstoßungskraft zwischen dem Kolben und dem Zylinderboden entsteht. Demzufolge wird der Kolben bei seiner Drehung von der dann zunehmenden magnetischen Abstoßungskraft aufwärts in Richtung Zylinderdeckel gedrückt.

Wenn der Abstand zwischen Zylinderboden und Zylinderdeckel ausreichend klein ist, gelangt der aufsteigende Kolben in das magnetische Kraftfeld der Magnetpole des Zylinderdeckels, d. h., der Kolben wird nicht nur nach oben gedrückt, sondern auch nach oben gezogen.

Durch die geometrische Anordnung der Magnete, durch unterschiedliche Magnetstärken und durch die unterschiedliche Länge des Kolbenhubes können verschiedenste Kraft-Weg-Kennlinien erzeugt werden. Ist der Kolbenhub ausreichend groß, gibt es einen mittleren Abschnitt des Kolbenhubs, in dem keine Magnetkräf- te wirken, d. h. der Kolben kraftfrei verschiebbar ist. Es können auch mehrere Zylinder mit je einem Kolben und einer gemeinsamen Kolbenstange hintereinander gesetzt werden. Mit einer solchen kaskadenartigen Anordnung kann das Spektrum der Kraft-Weg-Kennlinien erweitert werden.

Durch die starke Nichtlinearität der Magnetkräfte gewährleistet die Kraft-Weg- Transformationsvorrichtung zwei sehr stabile Zustände, wenn der Kolben an dem Zylinderboden oder am Zylinderdeckel anliegt.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand einer Zylinder-Kolben-Anordnung be- schrieben, wobei der Kolben in dem Zylinder mittels der Kolbenstange gedreht wurde. Dem Fachmann ist klar, dass die Verschiebung des beweglichen Elements aber nicht nur drehend vonstattengehen kann. Es ist auch eine lineare Verschiebung oder auch ein Kippen um eine Kippachse möglich. Es muss nur immer durch geeignete Führungen sichergestellt sein, dass das bewegbare EIe- ment sich nur in zwei Freiheitsgraden innerhalb des Bewegungsspiels bewegen kann.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung ist gegeben, wenn das bewegliche Element in einem oder beiden stabilen Zuständen durch eine Rastverbindung zusätzlich zur magnetischen Anziehung formschlüssig gesichert ist. Diese Rastverbindung kann vorteilhafter weise dadurch geöffnet werden, dass bei durch Verschiebung erfolgter Umpolung die Rastung auf die Art freigegeben wird, dass an die Stelle des Einrasthinterschnitts eine Lücke gleichzeitig mit verschoben wird

und so die Rastverbindung aufgehoben ist und das bewegliche Element auf die andere Seite gedrückt/gezogen wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung nach Anspruch 4 liegt vor, wenn das bewegliche Element einen Hydraulik-Antriebskolben antreibt oder selbst als Hydraulik-Antriebskolben ausgebildet ist und über die hydraulische Kopplung mit einem zweiten oder mehreren Arbeitskolben die gewünschte Arbeit verrichtet wird. Vorteilhaft dabei ist, dass der beschränkte Hub (Magnetkräfte wirken nur auf kurze Entfernungen) durch eine Querschnittsverkleinerung des Arbeitskolbens der Hydraulik den Arbeitskolben um einen nahezu beliebiges Vielfaches des Weges annähernd verlustfrei und zudem mit einem zeitverzögerten „Servoeffekt" umgesetzt werden kann. Normalerweise wird in hydraulischen Systemen der umgekehrte Effekt ausgenutzt: Der Antriebskolben hat meist einen kleine Querschnitt und der Arbeitskolben einen großen, sodass eine große Unter- setzung vorliegt. Derartige Vorrichtungen können jedoch in nahezu beliebiger Stärke durch moderne Selten-Erden-Magnete angetrieben werden, so dass hier ein großer Antriebskolben große Kräfte bei kleinem Hub erzeugen kann. Der Vorteil dieser Weiterführung der Erfindung liegt in der Verbindung von stabilen Anfangs- und Endzuständen, einer Servo-zeitverzögerten Bewegung des Arbeits- kolbens und der nahezu verlustfreien Kraftumsetzung der Eingangsbewegung.

In Fig. 2a ist eine allgemeine Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt gezeichnet, in der mit Bezugszeichen 1 ein rotationssymmetrisches Gehäuse bezeichnet ist, an dessen Boden das Magnetsystem 1 mit den Magneten M1a und M1b angeordnet ist und am Deckel das Magnetsystem M2 mit den Magneten M2a und M2b angeordnet ist. Das verschiebbare Element 2 mit dem Magnetsystem M3 aus den Magneten M3a/b ist mit einer Achse 5 in den Bohrungen 4a/b drehbar gelagert und kann sich zwischen einer mit dem Boden des Gehäuses bündigen Position in eine mit dem Deckel des Gehäuses bündigen Position um das Bewegungsspiel 3 bewegen. In Fig. 1 ist das verschiebbare Element 2 mit dem Magnetsystem M3 in Anziehungsstellung zu M1 und in Abstoßungsposition zu M2.

Die Zeichnung 2b zeigt nun das bewegliche Element 2 nach einer Drehung um 180°, in der es umgepolt ist und M3 in Abstoßungsposition zu M1 ist und in Anziehungsposition zu M2.

Fig. 3a, b zeigen in Schnittansicht eine vorteilhafte Weiterentwicklung, in der die beiden Lagezustände von dem beweglichen Element, d. h. im vorliegenden Beispiel der Kolben, durch federnde Rastelemente 21 , 22 noch zusätzlich gegen Zug gesichert sind und eine Lücke 20 im Kolben 2a die Rastung nach der Verpolung frei gibt, d. h. der Kolben 2a ist unsymmetrisch ausgebildet und weist einen Vor- sprung oder eine Ausnehmung aus (Lücke). Wenn sich der Kolben nach unten bewegt, wird die Federrastung 21 zur Seite gedrückt, bis der Kolben am Zylinderboden anliegt. Dann springt die Federrastung 21 wieder in ihre Ausgangslage und verriegelt den Kolben 2a. Wenn der Kolben 2a ohne Drehung nach oben gedrückt oder gezogen wird, wird der Kolben von der Magnetkraft festgehalten. Sollte diese Magnetkraft nicht ausreichen, wird der Kolben dennoch von der Querverriegelung durch die Federrastung 21 in der Position gehalten. Erst wenn die Achse 5 gedreht wird und somit auch der Kolben 2a mit dem Vorsprung oder der Ausnehmung, wird eine Position erreicht, in der die Federrastung 21 nicht mehr in Eingriff ist, weil der Vorsprung weggedreht wurde oder die Federrastung 21 in der Lücke 20 liegt, d. h. auch nicht mehr in Eingriff ist. Der gleiche Vorgang läuft ab, wenn der Kolben in Richtung Zylinderdeckel gedrückt und gezogen wird.

In Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung als Kippvorrichtung in Schnittansicht. Eine Befestigungsplatte B mit einem sich darüber wölbenden Gehäuse G weist einen Raum R auf. Dieser Raum R entspricht dem Zylinderraum von Fig. 1 bis 3. In dem Raum R ist ein Schwenkelement S mit einem Magnetpaar SM vorgesehen. Das Schwenkelement S ist mit einem Betätigungshebel BH verbunden, der um die Schwenkachse SA schwenkbar ist. Weiterhin ist in dem Gehäuse G ein Langloch LL vorgesehen, durch das die Schwenkachse SA verläuft.

Die Fig. 4a zeigt die Befestigungsplatte B, die z. B. an einer Wand befestigt ist. Das Schwenkelement S ist mit dem unteren Magnetpaar M1 in Anziehung. Wird der Betätigungshebel BH in Pfeilrichtung bewegt, kommt es zwischen dem

Magnetpaar des Schwenkelements S und dem unteren Magnetpaar M1 des Gehäuses zur Abstoßung, wodurch das Schwenkelement S etwas angehoben wird. Diese Bewegung ermöglicht das Langloch LL. Das verschwenkte Magnetpaar des Schwenkelements ist jetzt im Anzugsbereich des oberen Magnetpaars M2 des Gehäuses und wird an dieses herangezogen, wie in Fig. 4b gezeigt. Dadurch wird das Zugseil ZS in Pfeilrichtung nach oben gezogen. Die Fig. 4c zeigt die Draufsicht der Vorrichtung und die Fig. 4d eine perspektivische Ansicht.