CN101072962A - 电驱动线性致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于线性地移动质量块的电驱动线性致动器，其中，至少一个细长致动器元件以能够使其沿轴向方向滑动的方式安装在主管内部，该至少一个细长致动器元件在输出侧上作用在质量块上，在输入侧联接至心轴螺母，该心轴螺母本身依靠在心轴上，该心轴以旋转方式安装在主管内部，并且可布置成由电马达旋转移动。心轴螺母以如下方式依靠在心轴上，即心轴的旋转使得心轴螺母轴向移动期间，心轴螺母相对于主管以伸缩的方式移动每个致动器元件。为了防止驱动的振动引起待移动的质量块的振动，本发明设置如下，即每个致动器元件由两根管形成，该两根管同心设置并形成具有特定厚度的管状间隙，这些管通过位于所述间隙内部的弹性材料以非直接的方式连接。两根同心管中的一根作用在待移动的质量块上，而另一根管联接至心轴螺母。

Description

电驱动线性致动器

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的电驱动线性致动器。

背景技术

一般类型的电驱动线性致动器用于沿线性方向往复移动特定的物体(质量块)，例如与液压驱动的线性致动器相比，其能够实现基本上更精确的致动，同时简化控制。此外，不存在由于渗漏的液压油而产生污染的风险。

先前已知的电驱动线性致动器(参见，例如US 6,145,395或US4,712,441)通过管状致动器元件作用在待致动的物体上，其中该管状致动器通过适当的方式在输出侧上摩擦联接至物体。安装该管状致动器元件，以便在主管(通常用作外壳)内沿轴线方向滑动，并且在输入侧上联接至心轴螺母，随后，该心轴螺母被插入到心轴上，该心轴以旋转方式安装在主管内并通过电马达(一般通过减速齿轮的传递)来旋转。在心轴螺母保持非旋转的状态下(通过主管内部的止动件或者通过待移动的物体本身)，心轴每次旋转将导致心轴螺母轴向移动，以便与心轴螺母连接的致动器元件相对于主管作伸缩性移动。另一方面，由于主管相对于待移动的物体固定地安装，因此可根据马达的旋转方向在该物体上施加拉力或推力，由此使得物体进行相应的线性移动。

US 4,500,805公开了一种电驱动线性致动器，其中作用在待移动的物体上的致动器包括总共四个杆状致动器元件，其以90度的均匀角间隔绕中心延伸的心轴同心设置。希望通过这种四重设置提高线性致动器的刚性，其在非常长的致动器的情况下特别重要。然而，该致动器的基本功能在其他方面与前述的仅具有一个致动器元件的致动器无异。

本发明的线性致动器的一个应用是，例如驱动或飞行模拟器，其中模拟物体必须以总共六个自由度来移动；因此，为此将需要六个可单独控制的线性致动器。

本发明的电驱动线性致动器的根本问题在于，产生不合乎需要的噪音，尤其是振动；然而，这两种情况的发生在很多应用中都是决定性的缺点，特别是在所述的驱动或飞行模拟技术中，待获得的测量值会因此而以不能采纳的方式歪曲。例如，在这种模拟过程中，模拟量在很大程度上取决于非常精确的未歪曲的再现，该再现不仅是视觉信息及力反馈的再现，而且是所产生的加速度值及模拟声音(关于模拟事件的声音信息)的再现；然而，上述两种操作参数分别由已知电驱动线性致动器中的固有振动和其所产生的噪音所歪曲。

研究表明产生振动的主要原因在于，马达的旋转到心轴的机械传动装置(因此在传动装置内部)，由于心轴与心轴螺母的啮合导致的旋转移动到线性移动的转换，以及心轴的驱动侧安装。另一方面，噪音的产生特别是由于待移动的物体的振动，该振动是由机械联接至物体的线性致动器的振动所激发的。

由于即使是使用非常高的质量的传动装置、心轴和/或轴承，也不可能显著地减小振动，因此最终设想通过设置在中间的弹性构件将待移动的物体联接至致动器的端部。除了使线性致动器的长度增加到不能允许的程度以外，该解决方案还具有下列缺点：

1)即使是在相对较短的操作后，弹性中间构件将出现疲劳现象，这将歪曲预期的目标移动距离。

2)很难对任何操作条件调节中间构件的衰减特性，以便在不削弱物体的将要产生的振动的同时，仍然能抑制该振动(通常是高频率的)。

3)弹性中间构件暴露在各自的环境条件下，通常难以找到在-21至70℃的范围内具有足够温度强度，且同时对油或溶剂具有足够抵抗性的材料。

4)中间构件不仅在致动方向上弹性变形，而且在相对于致动方向的横向方向上变形；但是，致动方向上的变形可通过心轴驱动控制中的相应致动顺序控制测量来补偿，而在另一方向上的变形却难以补偿，因而歪曲模拟的结果。

发明内容

因此，本发明基于以如下方式开发一种通用类型的电驱动线性致动器的目的，即能可靠地阻止传递至待移动的物体的振动，而不会限制致动器的实用性或降低其致动精度。

根据本发明，该目的通过权利要求1的特征部分所述的措施来实现。

因此，本发明的核心思想在于，形成具有两根管的致动器元件，该两根管在内部彼此同心地设置以便形成具有预定厚度的管状间隙，并且该两根管通过位于这些间隙内的弹性材料而彼此摩擦地连接。根据本发明，两根同心管中的一根作用在待移动的物体(质量块)上，另一根联接至心轴螺母，可以实现的是，通过弹性材料使致动器的驱动机构产生的振动与待移动的物体可靠地解除或隔离。因此，本发明在待移动的物体和驱动部件之间建立了机械过滤器，以便线性致动器不能在待移动的物体上施加任何负面影响。

在前述的驱动或飞行模拟应用的情况下，易于歪曲测量结果的振动因而不会发生在模拟物体上；而且模拟物体也不会受激发而产生不合乎需要的声音。

研究表明，通过适当选择管状间隙的厚度和/或弹性材料的横向弹性模量，本发明能容易地实现振动衰减特性，该振动衰减特性几乎专门衰减致动方向上的振动，而可在与其相对的横向方向上保持高度的刚性。因此，不管振动衰减效果如何，本发明仍然具有非常高的致动精度。

根据本发明的方案的另一优点在于，线性致动器的结构长度没有增加，因此可保持应用范围而不无需进行改变。

由于能很好地保护弹性材料在两根同心管之间的间隙中不受环境的影响，因此弹性材料很难受到油或溶剂的侵蚀；而且，弹性材料的热影响由于管包围该弹性材料而变得均匀，因此在实际中，即使温度在-21至70℃范围内也不会存在问题。最后，过早的疲劳现象同样由于弹性材料的保护设置被排除，因而线性致动器可保持较高的可靠性和操作安全性。

根据权利要求2的原理，优选两根同心管中的内管联接至待移动的质量块，而外管联接至心轴螺母，其由于在本发明的线性致动器的特定实施例中，这在制造技术方面更加容易。根据权利要求3，如果内管在其面对待移动的物体的端部从外管沿轴向方向突出预定的距离，则在该情况下可实现特别简单的联接方式。

根据权利要求4的原理，如果弹性材料由电绝缘物质组成，则待移动的物体与线性致动器不仅在振动方面分离而且电气分离；因此，例如大尺寸模拟系统的最终必要的接地变得更容易。

根据权利要求5，弹性材料的预期衰减特性不仅受到管状间隙的厚度选择和/或所使用的弹性材料的横向弹性模量的大小的影响，而且受弹性材料仅设置在间隙内部的区域中，即例如仅设置在同心管的两个端部区域的影响。

根据权利要求6的原理，对于弹性材料的材料，可使用例如由天然橡胶，硅橡胶，三元乙丙橡胶(EPDM)或聚氨基甲酸酯。

附图说明

在下文中，通过参照附图和描述实施例将更详细地阐明本发明，其中：

图1是本发明的线性致动器的纵向截面图；和

图2是表示密封的实施例变形的、图1的附图标记A所示的区域的放大图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的线性致动器包括套管18，该套管18具有设置在其一端的套管底部19，和设置在其另一端的套管头部20；在右侧固定至该套管底部19的传动装置11；和用于通过传动装置11来驱动的电马达10；心轴24，该心轴24同轴地安装在套管18内部并且通过传动装置侧的轴承22和输出侧轴承23以可旋转方式安装。与心轴24的外螺纹啮合的心轴螺母21插入在心轴24上。心轴螺母21保持在安装成在套管18的内表面上滑动的活塞25内部，并且通过活塞25与外气缸或致动器管31联接，该外气缸或致动器管31与内气缸或致动器管32以及摩擦连接两个致动器管31和32的弹性材料层33一起形成空心的圆柱形致动器元件。该外致动器管31安装成在套管头部20的内表面上滑动，同时内致动器管32通过其圆柱形内表面支撑输出侧轴承23。

线性致动器通过其传动装置外壳11的后侧支撑或连接在固定的基准点12处。从外致动器管31突出预定距离的内致动器管32的端部与联接部件13固定连接。最后，将由线性致动器待移动的物体(质量块)1固定在联接部件13上。在当前所示应用中阻止物体旋转；换句话说，最后通过摩擦连接弹性材料33与致动器管32的固定连接还阻止外致动器管31的旋转并因此阻止心轴螺母21的旋转。因此，心轴24每次转动，心轴螺母21将移动到左侧或右侧相应的距离，同时也相应地移动物体1。另一方面，如果待移动的物体1不具有阻止旋转的安装件，则有必要为线性致动器内部的心轴螺母21提供阻止旋转的装置，例如，可通过套管18内部的止动面来实现。

为了实现线性致动器返回至它的右手端位置时保持在限定位置，这样不会导致损坏，为此，提供了具有锅状环27形式的外止动件，该外止动件固定至内致动器管32的外端部，并且通过线性致动器的端部位置的阻尼环28与套管头部20的端面29接触。由于阻尼环28优选由硅树脂或其它可滑动的材料制成，故由物体1施加在该端部位置的扭转力矩不会对线性致动器的内部部分造成损坏。与内部设置的方案相比，类似的外端部止动件具有更好保养特性的优点。

由于本发明的致动器元件由两根管31和32形成，其中两根管31和32在内部彼此同心地设置以便形成具有预定厚度的管状间隙，并且通过位于该间隙内的中间弹性材料而彼此摩擦地连接，以及只有该两根管中的内管与待移动的物体1相连，故可以实现的是，弹性材料33将待移动的物体1与由致动器(马达10，传动装置11，心轴24，以及安装件)的驱动机构产生的任何振动可靠地隔离。

弹性材料例如可以由天然橡胶，硅橡胶，三元乙丙橡胶(EPDM)，或聚氨基甲酸酯组成。通常，在选择适当的材料时，不仅应考虑成品致动器的预期衰减特性，还应该考虑各种材料的横向弹性模量，一般衰减特性(损耗系数和摩擦系数)，剪切强度，与金属的附着性能或粘结性能，温度范围和/或长时间特性。

衰减特性还进一步受两根致动器管31和32之间的圆柱形间隙的厚度的适当选择的影响。影响衰减特性的其它途径可通过适当选择弹性材料33在圆柱形间隙内的总接触面来提供，例如使该弹性材料仅仅部分地填充圆柱形间隙内的空间(与附图所示的实施例不同)；例如，可仅在致动器管31和32的两个端部区域设置弹性材料33，或者使弹性材料33在轴向方向上凹陷。

当分别选择圆柱形间隙的厚度，弹性材料33的物质，和/或弹性材料和圆柱形间隙中的任何凹陷的尺寸时，优选地，应注意使致动器元件的轴向方向上的衰减远大于其直径方向上的衰减。其结果是，尽管在轴向方向上具有很好的衰减特性，但能确保与致动的目标方向具有最小的偏差。

在任何情况下，结合间隙厚度选择的弹性材料必须确保两根同心致动器管之间的摩擦连接。

如果所使用的弹性材料能抵御外部影响，则有可能根据图2的显示(在面对待移动的物体1的端部区域处的两根管31和32之间的间隙内部)提供O形环40，该O形环40以如下方式定位在环形紧固件41上，以便通过压力与内管32的外周表面接触，即一方面，不会阻碍由弹性材料33引起的两根管31和32之间的相对移动，另一方面，还能防止物质的渗透，从而保护弹性材料33。在图2中还可以看出，选择紧固件41的尺寸，以提供足够大的空间42a-42c，从而以便防止紧固件41与内管32的外周表面，止动件27，或弹性材料33的接触。

为了制造本发明的致动器元件，可使用各种已知的工艺；例如，所使用的弹性材料可在流体状态下填充到两根对齐的致动器管之间的间隙中，并且随后通过例如加热或固化剂进行固化。

根据应用情况，可以希望使外致动器管31与待移动的物体1相连。在该情形中，内致动器管32必须连接至心轴螺母21；而且没必要使内致动器管32在输出侧上从外致动器管31突出。

本发明的所讨论的原理，即使用包括两根同心致动器管的衰减致动器元件，也可与通过数个中间致动器元件作用在待移动的物体上的线性致动器一起使用。

关于本发明的进一步的特征和优点，可参见附图。

附图标记列表

1质量块(待移动的物体)

10电马达

11传动装置

12基准点

13联接件

18套管

19套管底部

20套管头部

21心轴螺母

22，23轴承

24心轴

25活塞

31外致动器管

32内致动器管

33弹性材料

27止动件

28阻尼环

29套管端侧

40O形环

41O形环紧固件

42a-42c空间

Claims (7)

1.一种用于线性地移动质量块(1)的电驱动线性致动器，其中，至少一个细长致动器元件(31，32，33)以能够使其沿轴向方向滑动的方式安装在主管(20)内部，该至少一个细长致动器元件(31，32，33)在输出侧上作用在所述质量块(1)上，在输入侧联接至心轴螺母(21)，该心轴螺母(21)又插入到以可旋转方式安装在所述主管(2)内部的心轴(24)上，并且能以如下方式布置成由电马达(10)旋转移动，即在所述心轴(24)的旋转使得所述心轴螺母(21)轴向移动期间，所述心轴螺母(21)相对于所述主管(20)以伸缩的方式移动每个致动器元件(31，32，33)，其特征在于，每个致动器元件由两根管(31，32)形成，该两根管(31，32)同心设置以形成具有预定厚度的管状间隙，所述管通过位于所述间隙内部的中间的弹性材料(33)摩擦连接，所述两根同心管(31，32)中的一根作用在待移动的质量块(1)上，而另一根联接至所述心轴螺母(21)。

2.根据权利要求1所述的线性致动器，其特征在于，所述两根同心管(31，32)中的内管作用在待移动的质量块(1)上，而外管联接至所述心轴螺母(21)。

3.根据权利要求2所述的线性致动器，其特征在于，所述内管(32)在其面对待移动的质量块(1)的端部从所述外管(33)沿轴向方向突出预定的距离。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的线性致动器，其特征在于，所述弹性材料(33)由电绝缘物质组成。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的线性致动器，其特征在于，所述弹性材料(33)仅设置在间隙内部的区域中。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的线性致动器，其特征在于，所述弹性材料(33)由天然橡胶，硅橡胶，三元乙丙橡胶(EPDM)，或聚氨基甲酸酯组成。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的线性致动器，其特征在于，在所述两根同心设置的管(31，32)之间的间隙中，在其面对待移动的质量块(1)的端部区域设置有保护所述弹性材料(33)不受外部影响的O形环(40)。

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