Ich habe ein Problem und suche hiermit in Form eines Brainstormings nach Lösungsmöglichkeiten. Ich hoffe es wird sich rege beteiligt...;-)
Also ich möchte einen Hebelarm (länge ca.10-30cm) nach unten bewegen so dass er mit Wucht an einen Anschlag schlägt. Ich möchte noch nicht erzählen für was es wirklich ist, da die Idee entweder genial oder völlig schwachsinnig ist. Man stelle sich vor ich möchte eine elektrische Fliegenklatsche bauen, ein kleines Hammerwerk oder ich möchte den täglichen Gang zur Domina durch eine technische Lösung ablösen. Mit anderen Worten der Hebel soll schon mit einiger Wucht (dessen Grösse noch bestimmt werden muss) aufschlagen. Weitere Eckdaten:
- Hebelarmlänge ca. 20cm
- "Wucht": ordentlich wie mit Hand
- "Wucht" kontinuierlich veränderbar
- Definierter Endpunkt und Anfangspunkt nicht notwenig, er schlägt halt irgendwie auf,
- Mechanismus selbst nahezu geräuschlos
- keine grösseren EM-Felder (Elektromagnet fällt damit höchtwahrscheinlich aus!)
- Schlagfrequenz bis zu 10Hz
- jeder Schlag muss einzeln auslösbar sein, also keine feste Frequenz (wie z.B. beim Hammerwerk)
Lange Stange, in der mitte drehbar gelagert, dort motor mit drehzahlsteuerung. Die ganze konstruktion kann normal zur drehachse geschwenkt werden, so das die stangenenden entweder deinen anschlag treffen oder halt nicht. Ganez menge detailfragen noch offen, aber das fällt mir erstmal auf die schnelle ein.
Erfüllt nicht die Anforderungen. Jeder Schlag soll einzeln angefordert und spätestens 10ms später erfolgen. Deine Schalgstange müßte also schon mit 100U/s (!) drehen. Na gut, denkbar, aber ich weiß nicht...
Eine große Frage verbleibt in der Anforderungsliste offen: die Energie die dem Schlagsystem beim Aufprall entzogen wird. Ich meine folgendes: Wenn der Schlag so ist, wie mit einem Hammer auf einen Amboß, dann ist diese Schlagenergie vergleichsweise gering. Dann springt der Hammer von alleine fast in seine Ausgangslage zurück. Dann brauchst du ihn nur noch ein wenig Energie nachzuliefern. Sollte das nicht der Fall sein, dann mußt du ihm viel Energie nachliefern. Dann bekommst du aber ein Problem, wenn der Schlag doch mal elastich verlaufen sollte, dann schlägt er dir nämlich mit doppelter Wucht zurück
- lautlos dürfte das kaum noch sein.
Muß es ein Drehhebel sein, ich meine würde grundsätzlich ein Linearzylinder auch funktionieren? Nur so von der geometrieschen Anordnung her meine ich.
Ich würde an folgendes denken. Der Hammer schlägt angetrieben durch eine Torsionsfeder zu. Durch deren Vorspannung kann man die Schlagstärke regeln. Die Welle auf der der Hammer sitzt, ist durch einen E-Motor angetrieben. Aber nicht direkt, sondern über eine elektrisch schaltbare Kupplung plus Rutschkupplung. Löst du die Kupplung, schlägt der Hammer durch die Feder getrieben zu. Nach dem Schalg kuppelst du wieder ein und der Motor hat dann 90ms Zeit, den Hammer wieder zu spannen. Beim erreichen der oberen Begrenzung wird das Moment der Rutschkupplung überschritten und sie rutsch durch, der Hammer bleibt aber oben. So lange, bis du die schaltbare Kupplung wieder für 10ms+x öffnest. Angenommen der Spannweg sei 180°, dann muß der Motor diesen in wenigewr als sagen wir
80ms schaffen, das macht eine Drehzahl von mindestens 375U/min
- also selbst mit einem Getriebemotor gut zu schaffen. Problem dürfte die Rutschkupplung sein, an der fällt nämlich der Großteil der Leistung des Motors ab. Man könnte es verkomplizieren, indem man einen Haltemechanismus für die aufgespannte Stellung einbaut und wenn der Hammer gespannt ist, diese einrasten und die Schlatkupplung auskuppeln.
Ähnliche Variante.
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Also das links liegende Antriebsrad läuft ständig und ist ein normales Zahnrad. Der eigendliche Hammer hängt gelenkig an dem Hammerarm. Dieses Gelenk besitzt zum Verhindern von undefinierten Zuständen eine Torsionsfeder, die selbiges Gelenk im stationären Fall in gestreckter Haltung hält. An der Hammerantriebswelle befindet sich ein Sperrzapfen. Die Sperre kann elektrische angetrieben ein oder ausgeschaltet werden. Das Zahnrad, in das das Antriebszahnrad eingreift hat eine Besonderheit: die Verzahnung geht nur halb herum. In dem Winkelbereich 'Hammer schlägt zu' sind die Zahnräder so nicht im Eingriff, in dem anderen Bereich 'Hammer wird gespannt' jedoch schon. Eventuell muß man diese Zahnradpaarung durch Reibräder ersetzen, wegen der vermutlich unangenehmen Relativgeschwindigkeit bei wieder-Einkuppeln. In der Skizze nicht eingezeichnet ist der Federantrieb. Der erfolgt durch ein Zugfeder, die an der Hammerwelle an einem Exzenter sitzt und so gespannt ist, daß sie die Bewegung beschleunigt wären dder Hammer zuschlägt und selbige bremst, wenn der Hammer mit Motorkraft gespannt wird. Durch die Vorspannung der Feder kann man wieder die Schlagstärke einstellen.
Gerade für die Zahnradpaarung wird das natürlich zu einer mechanischen Tortur, vileicht ist hier doch eine elektrisch schaltbare Kupplung sinnvoll, eine reibschlüssige, die etwas sanfter schaltet. Aber ob diese Kupplung nun ein- oder ausgekuppelt ist, kann man durch einen einfachen Geber/Schalter/Schleifkontakt realisieren, weil die Zuordnung ein/aus sich nämlich fest aus dem Drehwinkel ergibt. Eventuell ist ein zusätzlicher Freilauf sinnvoll, damit der Motor beim hochziehen des Hammers selbigen abbremsen muß - sollte er zu schnell sein.
Jedenfalls sollte es so sein, daß der entscheidende Teil der Gesamtmasse im Hammerkopf sitzt und der ganze Rest, der angehalten und wieder gestartet werden muß, möglichst leicht ist. Das spart verschleiß bei Kupplung oder Zahnradpaarung und bei dem Sperrmechanismus.
Die Kinematik von Feder an Hubzapfen kombiniert mit dem Kniegelenk im Hammerstiel ist natürlich nicht ganz ohne, da wird es eventuell viele Versuche brauchen, bis das richtig rundläuft. Je nach technischen Möglichkeiten kann man das natürlich auch berechnen, aber das setzt voraus, daß man die Bauteile auch exakt so realisiert bekommt, wie man sie in der Rechnung idealisiert hat.
Dazu antworte ich mit einem Spruch eines begnadeten Konstruktionsleiters, von dem ich als junger Ingenieur viel gelernt habe: "Unmöglich gibt es nicht. Allenfalls unwirtschaftlich."
Ob du es glaubst oder nicht: Elektromechanische Single-Step-Spanneinrichtungen für 200 mm Hub bei 0,3 s Betätigungszeit habe ich selber schon vor über 10 Jahren gebaut. Die sind heute noch in der Produktion.
Dass allerdings auch ich die Anforderungen des OP für ziemlich heftig bis hinterfragungswürdig halte, sei davon unberührt.
Elastisch. "Amboss" wird nicht verformt. Stell dir eine Glocke vor.
Wie meist du das? Kann ich mir grad nicht vorstellen, ist ja auch schon spät...
Aber die Idee mit der Torsionsfeder, oder überhaupt Feder die gespannt wird gefällt mir. Das Problem ist aber das Spannen, welches eben möglichst geräuschlos sein soll. Vor dem Glockenschlag möchte ich nichts hören, nur den Glockenschlag sonst idealerweise nix.
Die Frage ist wie schnell man spannen kann.
100ms wäre nett, 75ms ideal, 150ms das äusserste.
Mal sehen was mit im Traum so einfällt...*gäähnnn*
Ahh, da kann man sich doch was drunter vorstellen. Also denken wir uns jetzt einen Klöppelantrieb für eine Glocke.
Na ja, ich meine muß es ein Hebel sein oder täte es auch ein Pneumatikzylinder der gerade ausgefahren wird? Na gut, wenn man so einen Pneumatikzylinder realisieren kann, dann kann man damit natürlich auch einen Hebel antreiben.
Schwer machbar. Pneumatik zischt immer ein bischen. Und Mechanik, die mit solchen Kräften und Beschleunigungen arbeitet ist bestimmt auch nicht lautlos.
Die Frage ist, welche Energie man so umsetzen muß. Aber wenn ich mir das so noch mal überlege, ist wohl wirklich ein Maschinengewehr die einfachste Lösung:-).
Aber einen Pneumatikzylinder sollte man doch wohl in 10ms zum Ausfahren bringen können, oder? Hmm, das hieße allerdings, wenn das Einfahren genau so schnell geht, daß man ihn mir 50Hz flattern lassen könnte - und das scheint wieder ganz schön viel.
:-) Und dann denke ich an einen Direktantrieb mit elektr. Tauchspule.
LOL! Aber die Analogie ist gar nicht so weit weg, zumindest was die Geschwindigkeiten betrifft.
Das bezweifle ich. Anzugszeit des Ventilmagneten + Reaktionszeit des Ventils + Füllzeit für Leitung und Zylinder + Überwindung von Reibung und Massenträgheit im Zylinder = mehrere Zehntelsekunden.
Gute Idee, um die Schlagfrequenz zu erhöhen. Nur die Frage ist, ob das zum Problem passt, da die verschiedenen Schlägel ja an verschiedenen Stellen zuschlagen.
Ich habe mal ein paar Hausnummern getippt:
Angenommen der Hammer habe 50g und er soll den Schlagweg von
20cm in 0.01s schaffen. Dann braucht er eine lineare Beschleunigung von 4000m/s^2 was bei seinem Gewicht einer Kraft von 200N entspricht. Da haben wir schon das erste Problem, eine Feder die so stark ist wird einen großen Teil ihrer Energie dafür verwenden, sich selbst zu beschleunigen. Man muß also die Bewegung der Feder verringern, was man über ein Hebelverhältnis natürlich regeln kann. Nur muß dann die Feder auch wieder stärker sein wodurch sie wieder schwerer wird.
Diese Feder muß 10 mal pro Sekunde um 20cm gespannt werden, das macht meiner Rechnung nach runde 400W Leistung aus - das zumindest klingt schon mal machbar. Na ja, ich stell mir gerade den barbarischen Lärm vor, den die so malträtierte Glocke verursacht, schließlich sind Glocken recht effektive Schallwandler....
Man sollte dem Motor zu liebe schon irgendwie eine Drehfeder einbauen. Das kann auch so aussehen, daß der Hammerstiel einbach biegeweich ist. Der Motor beschleunigt dann einfach eine viertel Umdrehung und schaltet dann wieder auf Bremsen um. Das Ganze muß so getimet werden, daß der Hammer weit genug durchschwingt, daß er die Glocke trifft. Hätte auch den Vorteil, daß der Hammer dann zurückprallt und gleich wieder weggezogen wird. Man erhält also genau einen definierten Impuls und keinen Doppelschlag.
Allerdings kann ich mir schwer einen E-Motor vorstellen, der eine so große Winkelbeschleunigung aufbauen kann. Rechne mal, eine mindestens viertel Umdrehung in einer Hundertstel Sekunde aus dem Stand. Selbst bei konstanter Rotation sind das schon
1500U/min. Sprich man braucht einen Motor, der mit 3000U/min läuft und diese Drehzahl nach dem Einschalten in einer halben Umdrehung aufbaut. Kein normaler Motor kann so schnell hochlaufen. Das müßte schon eine 10kW-Maschine im Handyformat sein.
Irgendwie kommt mir die Pneumatiklösung am brauchbarsten vor: Man vergleiche das Problem mal mit einem Luftgewehr. Luft ist einfach dal leichteste Medium, um aus großer Kraft und langsamer Bewegung eine schnelle Bewegung zu machen. Also ein E-Motor mir 6000U/min der einen Kolben antreibt der abwechselnd Über- und Unterdruck erzeugt. Dieser Druck wird mit einem angemessenen Rohr auf einen Zylinder gegeben, in dem ein kleiner Kolben mit langem Hub arbeitet. Sonst keinerlei Ventile, alles geschlossen. Der Arbeiskolben wird elektromechanisch blockiert und bei Bedarf im richtigen Augenblick freigegeben. Herausdrücken tut er dann mit dem hohen Arbeisdruck, einfahren tut er natürlich nur mit dem Umgebungasdruck zu höchstens Vakuum, was der Pumpenkolben bestenfalls erzeugen kann, also viel langsamer. Reicht aber ja hin.
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