DE10026169A1 - Elastic construction element used as torsion spring which has two rigid connection parts and at least threes shape-changeable connecting parts located end sided at both connection parts - Google Patents
Elastic construction element used as torsion spring which has two rigid connection parts and at least threes shape-changeable connecting parts located end sided at both connection partsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verwendung eines elastischen Konstruktionselements mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 als Torsionsfeder.The invention relates to the use of an elastic Construction elements with the features of the preamble of Claim 1 as a torsion spring.
Die Erzeugung definierter, insbesondere sehr kleiner Torsions kräfte und/oder -bewegungen ist schwierig. Wenn mechanische Übersetzungen verwendet werden, um lineare Kräfte und/oder Bewegungen in Drehbewegungen umzusetzen, treten in der Regel unerwünschte Haftreibungen im Bereich von Lagern der Übersetzungen auf. Gleichzeitig kann bei solchen Übersetzungen kaum eine größere Weichheit realisiert werden, wie sie zur passiven Dämpfung externer Schwingungen erforderlich ist. The generation of defined, especially very small torsions Forces and / or movements are difficult. If mechanical Used to linear forces and / or translations Converting movements into rotary movements usually occurs unwanted friction in the area of camps Translations on. At the same time, with such translations hardly any greater softness can be realized than for passive damping of external vibrations is required.
Ein Konstruktionselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-AS 20 51 573 bekannt und wird dort zur Erzeugung von gleichzeitigen Hub- und Drehschwingungen verwendet. Die Verbindungsteile des Konstruktionselements weisen dabei immer einen helikal um die Hauptachse des Konstruktionselements herum gekrümmten Verlauf auf.A construction element according to the preamble of claim 1 is known from DE-AS 20 51 573 and is used there for generation of simultaneous stroke and torsional vibrations. The Connecting parts of the construction element always point a helical around the main axis of the construction element curved course.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung eines Konstruktionselement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei der besonders kleine Torsionssteifigkeiten zwischen den Anschlußteilen des Konstruktionselements erreicht werden.The invention has for its object to use a Construction element according to the preamble of patent claim 1 to show, with the particularly small torsional stiffness reached between the connecting parts of the construction element become.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung eines elastischen Konstruktionselement als Torsionsfeder mit negativer Steifigkeit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by using a elastic construction element as a torsion spring with negative Stiffness solved with the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Verwendung sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 beschrieben.Advantageous embodiments of the use are in the Claims 2 to 11 described.
Die Torsionsfeder mit negativer Steifigkeit kann mit einer herkömmlichen mechanischen Torsionsfeder mit positiver kombiniert werden, womit Gesamttorsionssteifigkeiten nahe null problemlos realisierbar sind. Die Größe und die Wegabhängigkeit der negativen Torsionssteifigkeit aus der erfindungsgemäßen Verwendung des Konstruktionselements können aber auch durch eine aktive Ansteuerung des Konstruktionselements variiert werden.The torsion spring with negative stiffness can with a conventional mechanical torsion spring with positive can be combined, with total torsional stiffness close to zero can be easily implemented. The size and the path dependency the negative torsional rigidity from the invention Use of the construction element can also be done by a active control of the construction element can be varied.
Wichtig für das erfindungsgemäß zu verwendende Konstruktions element sind die Verbindungsteile mit dem helikalen Verlauf um die Hauptachse des Konstruktionselements. Normalerweise weisen die Verbindungsteile diesen helikalen Verlauf in jeder Funktionsstellung des Konstruktionselements auf. Es gibt aber eine Funktionsstellung des Konstruktionselements, in der sich die Verbindungsteile mit ihrer Haupterstreckungsrichtung ohne tangentiale Komponente um die Hauptachse zwischen den beiden Anschlußteilen erstrecken. Zumindest in dieser speziellen, erfindungswesentlichen Funktionsstellung des Konstruktions elements weisen die Verbindungsteile dann aber eine Beulung auf, die in der Regel von der Hauptachse weg gerichtet ist, aber auch auf diese zu gerichtet sein kann. Das heißt, die Verbindungs teile sind niemals geradlinig gestreckt parallel zu der Hauptachse des Konstruktionselements ausgerichtet, so daß niemals eine strukturelle Aussteifung des Konstruktionselements durch die Verbindungsteile gegeben ist. Die Beulung können die Verbindungsteile auch in anderen Funktionsstellungen aufweisen, wobei die Beulung neben der Steigung die wesentlich andere Formvariable der Verbindungsteile bei dem Konstruktionselement ist.Important for the construction to be used according to the invention element are the connecting parts with the helical course around the major axis of the construction element. Usually point the connecting parts this helical course in each Functional position of the construction element. But there is a functional position of the construction element in which the connecting parts with their main direction of extension without tangential component around the major axis between the two Extend connecting parts. At least in this particular, Functional position of the construction essential to the invention elements then have a bulge in the connecting parts, which is usually directed away from the main axis, but also can be directed towards this. That is, the connection parts are never stretched in a straight line parallel to the Main axis of the construction element aligned so that never structural stiffening of the construction element is given by the connecting parts. The bump can Also have connecting parts in other functional positions, in addition to the slope, the bulge is significantly different Shape variable of the connecting parts in the construction element is.
Die Steigung der helikalen Verbindungsteile um die Hauptachse des Konstruktionselements ist über den gesamten Bereich zwischen den beiden Anschlußteilen typischerweise konstant. Zumindest weist die Steigung der Verbindungsteile einen stetigen Verlauf auf. Die Anbindung der Verbindungsteile an die Anschlußteile erfolgt dazu über Gelenke, die als klassische mehrteilige Gelenke aber auch als Festkörpergelenke ausgebildet sein können.The slope of the helical connecting parts around the main axis of the construction element is between the entire area the two connecting parts are typically constant. At least the slope of the connecting parts has a steady course on. The connection of the connecting parts to the connecting parts This is done via joints, which are classic multi-part Joints can also be designed as solid-state joints.
Das Konstruktionselement ist durch verschiedenste Verformungen beanspruchbar, wie sie sich durch eine lineare Verschiebung der Anschlußteile längs der Hauptachse, eine relative Verdrehung der Anschlußteile um die Hauptachse und relative Verkippungen um alle senkrecht zu der Hauptachse verlaufende Kippachsen der beiden Anschlußteile ergeben. Für die Erfindungsgemäße Verwendung ist es aber notwendig, ein voneinander Entfernen der Anschlußteile in der Hauptrichtung des Konstruktionselements zu unterbinden oder zumindest einzuschränken, da dieses die erfindungswesentliche Beulung abbauen würde. So kann für das zweite Anschlußteil ein gegenüber dem ersten Anschlußteil in Richtung der Hauptachse ortsfestes Drehlager vorgesehen sein, das nur relative Verdrehungen der Anschlußteile ermöglicht.The construction element is due to various deformations resilient, as is shown by a linear displacement of the Connection parts along the main axis, a relative rotation of the Connection parts around the main axis and relative tilting around all tilting axes of the result in two connecting parts. For the invention However, it is necessary to remove the Connection parts in the main direction of the construction element prevent or at least restrict, as this the would diminish bulge essential to the invention. So for that second connector in relation to the first connector in Fixed pivot bearing can be provided in the direction of the main axis, that only allows relative rotation of the connecting parts.
Die Steifigkeit des Konstruktionselements hängt natürlich von der Steifigkeit der einzelnen Verbindungsteile ab, in die wiederum die Länge der Verbindungsteile wesentlich eingeht. Bei relativ langen und dünnen Verbindungsteilen kann es sinnvoll sein, Versteifungsstreben vorzusehen, die endseitig an den Verbindungsteilen angreifen und so bestimmte Relativlage veränderungen der Verbindungsteile verhindern, beispielsweise ein starkes Ausbeulen der Verbindungsteile.The rigidity of the construction element naturally depends on the stiffness of the individual connecting parts into which again the length of the connecting parts is essential. At relatively long and thin connecting parts, it can make sense be to provide stiffening struts that end on the Attack connecting parts and so certain relative position Prevent changes in the connecting parts, for example a strong bulge in the connecting parts.
Die bisherigen Ausführungen betrafen das Konstruktionselement sowohl in passiver als auch in aktiver, d. h. in aktiv ansteuerbarer Ausführung. Eine solche aktiv ansteuerbar Aus führung wird beispielsweise erreicht, wenn mindestens ein ansteuerbarer Aktuator vorgesehen ist, der bei seiner Ansteuerung die Form mindestens eines der Verbindungsteile verändert. Dabei kann die Art der Veränderung der Form der Verbindungsteile sehr unterschiedlich sein. Ändern kann sich beispielsweise ihre absolute Länge, die Steigung ihres helikalen Verlaufs und ihre Ausbeulung relativ zur Hauptachse. Häufig sind diese Formvariablen nicht getrennt voneinander ansteuerbar, sondern stehen in ausgeprägter Wechselwirkung zueinander.The previous statements concerned the construction element both in passive and in active, d. H. in active controllable version. Such an actively controllable off leadership is achieved, for example, if at least one controllable actuator is provided, which at his Control the shape of at least one of the connecting parts changed. The type of change in shape of the Connecting parts can be very different. May change for example their absolute length, the slope of their helical Course and its bulge relative to the main axis. Are common these shape variables cannot be controlled separately, but are in a strong interaction with each other.
Es ist aber nicht nur so, daß bei dem Konstruktionselement eine zielgerichtete Verformung mindestens eines Verbindungsteils genutzt werden kann, um die Relativlage der Anschlußteile in irgendeiner Art und Weise zu verändern oder irgendwelche Kräfte zwischen den Anschlußteilen aufzubringen. Vielmehr ist es auch möglich, derartige Relativlageveränderungen bzw. Kräfte zu registrieren, indem mindestens ein ein Signal abgebender Sensor vorgesehen wird, dessen Signal sich mit Formveränderungen mindestens eines der Verbindungsteile ändert. Unter anderem ist es damit möglich, hochauflösende Winkelsensoren auszubilden.But it is not only the case that a structural element targeted deformation of at least one connecting part can be used to the relative position of the connecting parts in change in any way or have any powers to apply between the connecting parts. Rather, it is possible to such relative position changes or forces register by at least one sensor emitting a signal is provided, the signal of which changes shape changes at least one of the connecting parts. Among other things, is it is therefore possible to design high-resolution angle sensors.
Bei einem aktiv ausgebildeten Konstruktionselement mit einer Regelschleife für die Kontrolle der angestrebten Relativlage veränderung müssen aber nicht sowohl Aktuatoren als auch Sensoren an den Verbindungsteilen angeordnet werden. Es ist durchaus realisierbar, ein einziges Bauteil sowohl als Aktuator als auch als Sensor zu verwenden. Dies Vorgehen weist beachtliche Vorteile auf, wenn das Konstruktionselement unter beengten Raumverhältnissen mit beengten Anschlußmöglichkeiten eingesetzt wird.With an actively trained construction element with a Control loop for checking the desired relative position But change does not have to be both actuators and Sensors are arranged on the connecting parts. It is quite feasible, a single component both as an actuator to use as a sensor as well. This approach is remarkable Benefits when the construction element is under cramped Space conditions with cramped connection options used becomes.
Es ist möglich, bei dem Konstruktionselement bekannte lineare Aktuatoren bzw. Sensoren, so wie piezoelektrische oder magnetostriktive Aktuatoren/Sensoren oder Linearmotoren/ -generatoren, einzusetzen. Beispielsweise können solche Aktuatoren bzw. Sensoren endseitig an verschiedenen Verbindungs teilen angreifen und damit Relativlageveränderungen hervorrufen bzw. registrieren.It is possible to use known linear in the construction element Actuators or sensors, such as piezoelectric or magnetostrictive actuators / sensors or linear motors / generators. For example, such Actuators or sensors at the ends of different connections attack parts and thus cause changes in the relative position or register.
In einer besonders interessanten Ausführungsform des Konstruk tionselements sind die linearen Aktuatoren bzw. Sensoren jedoch längs der Verbindungsteile angeordnet. Das heißt, sie weisen denselben helikalen Verlauf wie die Verbindungsteile auf. Bei einseitig an den Verbindungsteilen angeordneten Aktuatoren kann mit den Aktuatoren vornehmlich die Beulung der Verbindungsteile beeinflußt werden. Bei beidseitig angeordneten Aktuatoren ist eine Beeinflussung der Länge und damit direkt oder indirekt zusammenhängender Variablen möglich.In a particularly interesting embodiment of the construct tion elements are the linear actuators or sensors, however arranged along the connecting parts. That is, they point the same helical course as the connecting parts. At Actuators arranged on one side on the connecting parts can primarily the buckling of the connecting parts with the actuators to be influenced. With actuators arranged on both sides an influence on the length and thus directly or indirectly related variables possible.
Es ist auch denkbar, daß die linearen Aktuatoren bzw. Sensoren so angeordnet sind, daß sie mindestens eines der helikal verlaufenden Verbindungsteile tordieren bzw. dessen Torsion registrieren. Dabei können die Verbindungsteile selbst als Mehrfachhelix ausgebildet sein, deren einzelnen Materialstränge einen feinskaligen helikalen Verlauf aufweisen, dem der gröber skalige helikale Verlauf der Verbindungsteile überlagert ist.It is also conceivable that the linear actuators or sensors are arranged so that they are at least one of the helical twist running connecting parts or its torsion to register. The connecting parts themselves as Multiple helix be formed, the individual strands of material have a fine-scale helical course that the coarser scaled helical course of the connecting parts is superimposed.
Das Konstruktionselement kann auf verschiedene Weise mit weiteren identischen oder ähnlich aufgebauten Konstruktions elementen verschaltet werden. Besonders interessant sind Verschaltungen mit einer spiegelsymmetrische Anordnung von zwei Konstruktionselementen, bei der die Verbindungsteile der beiden Konstruktionselemente gegenläufige helikale Krümmungen aufweisen.The construction element can be used in different ways other identical or similar construction elements are interconnected. Are particularly interesting Interconnections with a mirror-symmetrical arrangement of two Construction elements, in which the connecting parts of the two Construction elements opposing helical curvatures exhibit.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen eines dabei zu verwendenden elastischen Konstruktionselements und eines Ausführungsbeispiels der Verwendung selbst näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt:The invention is described below using exemplary embodiments an elastic construction element to be used and an embodiment of the use itself closer explained and described. It shows:
Fig. 1 eine perspektivische Seitenansicht einer ersten Aus führungsform eines Konstruktionselements für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 1 is a side perspective view of a first guide From form a structural member for use in the invention,
Fig. 2 eine perspektivische Seitenansicht einer zweiten Aus führungsform eines Konstruktionselements für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 2 is a perspective side view of a second guide From form a structural member for use in the invention,
Fig. 3 verschiedenen Anbringungsmöglichkeiten von Aktuatoren und/oder Sensoren an den Verbindungsteilen eines Konstruktionselements für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 3 different mounting possibilities of actuators and / or sensors at the connection parts of a construction element for use in the invention,
Fig. 4 verschiedene Aufbauten der Verbindungsteile eines Konstruktionselements für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 4 various constructions of the connection parts of a construction element for use in the invention,
Fig. 5 eine perspektivische Seitenansicht einer weiteren Aus führungsform eines Konstruktionselements für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 5 is a perspective side view of another guide die from a structural member for use in the invention,
Fig. 6 verschiedene Lager für die Verbindungsteile an den Anschlußteilen eines Konstruktionselements für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 6 different bearings for the connecting parts of the connection parts of a construction element for use in the invention,
Fig. 7 ein erstes Anordnungsbeispiel für ein Konstruktions element für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 7 shows a first arrangement example of a construction element for use in the invention,
Fig. 8 ein Anordnungsbeispiel für ein Paar von Konstruk tionselementen für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 8 shows an arrangement example of a pair of constructive elements tion for use in the invention,
Fig. 9 ein Anordnungsbeispiel für zwei senkrecht zueinander angeordnete Paare von Konstruktionselementen für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 9 shows an arrangement example of two perpendicularly disposed pairs of structural elements for use in the invention,
Fig. 10 ein zweites Anordnungsbeispiel für zwei senkrecht zueinander angeordnete Paare von Konstruktions elementen für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 10 shows a second arrangement example of two mutually perpendicular pairs of construction elements for use in the invention,
Fig. 11 ein Anordnungsbeispiel für drei senkrecht zueinander ausgerichtete Paare von Konstruktionselementen für die erfindungsgemäße Verwendung, Fig. 11 is a constitution example for three vertically aligned pairs of structural elements for use in the invention,
Fig. 12 eine Vorrichtung zur aktiven Ansteuerung von zwei Paaren von Konstruktionselementen in der Anordnung gemäß Fig. 9, Fig. 12 is a device for the active control of two pairs of constructional elements in the arrangement shown in Fig. 9,
Fig. 13 die neue Verwendung eines Konstruktionselements als Torsionsfeder mit negativer Steifigkeit und Fig. 13 shows the new use of a construction element as a torsion spring with negative rigidity and
Fig. 14 Federkennlinien zu der Torsionsfeder mit negativer Steifigkeit gemäß Fig. 13 sowie zu einer konventio nellen Torsionsfeder und zu einer Kombination dieser beiden Torsionsfedern. Fig. 14 spring characteristics to the torsion spring with negative rigidity according to FIG. 13 and to a conventional torsion spring and a combination of these two torsion springs.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Konstruktionselement 1 weist zwei Anschlußteile 2 und 3 auf, die jeweils in sich starr ausgebildet sind. Die Anschlußteile 2 und 3 dienen zur endseitigen Befesti gung des Konstruktionselements 1 an weiteren, typischerweise anders ausgebildeten Konstruktionselementen. Dabei kann das Konstruktionselement 1 beispielsweise eine elastische mechani sche Schnittstelle zwischen zwei verschiedenen Strukturbereichen einer Gesamtstruktur ausbilden. Zwischen den beiden Anschlußtei len 2 und 3 erstrecken sich Verbindungsteile 4. Die Verbindungs teile 4 weisen jeweils einen helikal gekrümmten Verlauf um eine Hauptachse 5 des Konstruktionselement 1 auf. Dabei sind die Verbindungsteile 4, von denen hier drei vorgesehen sind, rotationssymmetrisch um eine Hauptachse 5 des Konstruktions elements 1 herum angeordnet. Die Anzahl der Verbindungsteile 4 kann auch größer als drei sein, aber nicht kleiner. Die Verbindungsteile 4 sind jeweils formveränderlich, d. h. genauer elastisch verformbar. Da hier die beiden Anschlußteile 2 und 3 nicht durch weitere Bauteile als durch die Verbindungsteile 4 miteinander verbunden sind, ist es möglich, den Abstand der Anschlußteile 2 und 3 in Richtung der Hauptachse 5 zu verändern, die Anschlußteile 2 und 3 um die Hauptachse 5 gegeneinander zu verdrehen und die Anschlußteile 2 und 3 um senkrecht zu der Hauptachse 5 verlaufenden Kippachsen gegeneinander zu verkippen. Bei diesen Relativbewegungen der Anschlußteile 2 und 3 verändern sich die Formen der Verbindungsteile 4, wobei die wesentlichen Formvariablen ihre Steigung um die Hauptachse 5 und eine in der Regel von der Hauptachse 5 weg gerichtete, in Fig. 1 nicht dargestellte Beulung der Verbindungsteile 4 sind.An illustrated in Fig. 1 construction element 1 has two connection parts 2 and 3 which are respectively formed in itself rigid. The connecting parts 2 and 3 are used for the end fastening supply of the construction element 1 to further, typically differently constructed construction elements. The construction element 1 can, for example, form an elastic mechanical interface between two different structural areas of an overall structure. Connecting parts 4 extend between the two connecting parts 2 and 3 . The connecting parts 4 each have a helically curved course about a main axis 5 of the construction element 1 . The connecting parts 4 , of which three are provided here, are arranged rotationally symmetrically around a main axis 5 of the construction element 1 . The number of connecting parts 4 can also be greater than three, but not less. The connecting parts 4 are each changeable in shape, ie more precisely elastically deformable. Since here the two connecting parts 2 and 3 are not connected to each other by components other than the connecting parts 4 , it is possible to change the distance between the connecting parts 2 and 3 in the direction of the main axis 5 , the connecting parts 2 and 3 about the main axis 5 against each other to twist and the connecting parts 2 and 3 to tilt perpendicular to the main axis 5 tilting axes against each other. With these relative movements of the connecting parts 2 and 3 , the shapes of the connecting parts 4 change , the essential shape variables being their slope about the main axis 5 and a bulge of the connecting parts 4 , not shown in FIG. 1, which is generally directed away from the main axis 5 .
Bei der Ausführungsform des Konstruktionselements 1 gemäß Fig. 2 sind auf drei Ebenen zwischen den Anschlußteilen 2 und 3 Aktuatoren 7 vorgesehen, die jeweils in Form eines gleich schenkligen Dreiecks angeordnet sind und endseitig an den Verbindungsteilen 4 angreifen. Bei dieser Anordnung der Aktuatoren 7 kann unmittelbar die Beulung der Verbindungsteile 4 von der Hauptachse 5 weg beeinflußt werden. mit der lineare Bewegungen und Drehbewegungen zwischen den Anschlußteilen 2 und 3 hervorrufbar sind. Die Aktuatoren 7 könnten auch als Sensoren ausgebildet sein, mit denen durch äußere Einwirkungen hervor gerufene Formveränderungen der Verbindungsteile 4 registriert werden. Hieraus kann dann auf eine zugrundeliegende Relativlage verschiebung der Anschlußteile 2 und 3 rückgeschlossen werden.In the embodiment of the construction element 1 according to FIG. 2, actuators 7 are provided on three levels between the connecting parts 2 and 3 , each of which are arranged in the form of an isosceles triangle and act on the end of the connecting parts 4 . With this arrangement of the actuators 7 , the bulge of the connecting parts 4 can be influenced directly away from the main axis 5 . with the linear movements and rotary movements between the connecting parts 2 and 3 can be caused. The actuators 7 could also be designed as sensors with which changes in shape of the connecting parts 4 caused by external influences are registered. From this, an underlying relative position shift of the connection parts 2 and 3 can then be deduced.
Fig. 3 skizziert an den drei Verbindungsteilen 4 drei ver schiedene Varianten der Formveränderung durch direkt an den Verbindungsteilen 4 angreifende Aktuatoren 8, 9 und 10. Der Aktuator 8 ist einseitig außen an dem zugehörigen Verbindungs teil 4 angeordnet und verändert dessen Krümmung und Beulung nach Art eines Bimetalls. Die Aktuatoren 9 sind bezogen auf die Hauptachse 5 innen und außen längs des zugehörigen Verbindungs teils 4 angeordnet und verändern bei abgestimmt synchroner Ansteuerung dessen Länge. Die Aktuatoren 10 sind um das zuge hörige Verbindungsteil 4 herum gewickelt und führen zu einer Torsion des Verbindungsteils 4 um seine lokale Längser streckungsrichtung. Bei den Aktuatoren 8 bis 10 handelt es sich um Aktuatoren auf der Basis von piezoelektrischem Material, das mit einer Spannungsquelle 11 angesteuert wird. Derartige Aktuatoren können auch als Sensoren verwendet werden, um die Verformung der Verbindungsteile 4 und damit letztlich jede Relativlageverschiebung der Anschlußteile 2 und 3 nachzuvoll ziehen. Besonders interessant ist die gleichzeitige Verwendung derselben piezoelektrischen Bauteile sowohl als Aktuatoren als auch als Sensoren. Fig. 3 outlines on the three connecting parts 4 three different variants of the change in shape by directly acting on the connecting parts 4 actuators 8 , 9 and 10th The actuator 8 is arranged on one side outside on the associated connecting part 4 and changes its curvature and bulge in the manner of a bimetal. The actuators 9 are arranged in relation to the main axis 5 inside and outside along the associated connecting part 4 and change the length of the coordinated control. The actuators 10 are wound around the associated connecting part 4 and lead to a torsion of the connecting part 4 around its local longitudinal direction. The actuators 8 to 10 are actuators based on piezoelectric material, which is controlled by a voltage source 11 . Such actuators can also be used as sensors to understand the deformation of the connecting parts 4 and thus ultimately any relative displacement of the connecting parts 2 and 3 . Of particular interest is the simultaneous use of the same piezoelectric components both as actuators and as sensors.
Der Aufbau der Verbindungsteile 4 kann sehr unterschiedlich sein. Entscheidend ist ihr helikaler Verlauf um die Hauptachse 5 des Konstruktionselements 1. Fig. 4 skizziert links, daß jedes Verbindungsteil 4 seinerseits als Mehrfachhelix aufgebaut sein kann, wobei einzelne Materialstränge 12 einen feinskaligen helikalen Verlauf um die lokale Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Verbindungsteils 4 aufweisen, dem der gröberskalige helikale Verlauf des jeweiligen Verbindungsteils 4 überlagert ist. Die Materialstränge 12 können ihrerseits durch Verstei fungsstreben 13 untereinander verbunden sein. Auch diese Ver steifungsstreben 13 können durch aktiv ansteuerbare Aktuatoren oder Sensoren ersetzt werden. Links in Fig. 4 sind verschiedene Querschnittsformen 14 der Verbindungsteile 4 skizziert. Die Querschnittsform ist auf den jeweiligen Anwendungszweck abzustimmen. In einer konkreten Ausführungsform des neuen Konstruktionselements 1 bestehen die Verbindungsteile 4 aus Abschnitten von schmalem Federstahlflachband.The structure of the connecting parts 4 can be very different. The decisive factor is their helical course around the main axis 5 of the construction element 1 . Fig. 4 sketches on the left that each connecting part 4 can in turn be constructed as a multiple helix, with individual material strands 12 having a fine-scale helical course around the local longitudinal direction of extension of the respective connecting part 4 , on which the coarser-scale helical course of the respective connecting part 4 is superimposed. The material strands 12 can in turn be connected to each other by stiffening struts 13 . This Ver stiffening struts 13 can be replaced by actively controllable actuators or sensors. Various cross-sectional shapes 14 of the connecting parts 4 are outlined on the left in FIG. 4. The cross-sectional shape must be matched to the respective application. In a specific embodiment of the new construction element 1 , the connecting parts 4 consist of sections of narrow spring steel flat strip.
Fig. 5 skizziert, daß die Verbindungsteile 4 des neuen Konstruktionselements 1 nicht notwendigerweise einen konstanten Querschnitt über ihre gesamte Erstreckung zwischen den An schlußteilen 2 und 3 aufweisen müssen. Vielmehr können sich die Querschnitte auch mehr oder weniger stark über diese Erstreckung hinweg ändern. Fig. 5 outlines that the connecting parts 4 of the new structural element 1 do not necessarily have to have a constant cross-section over their entire extent between the connecting parts 2 and 3 . Rather, the cross-sections can change more or less over this extent.
Fig. 6 skizziert verschiedene Ausführungsformen einer Anbindung der Verbindungsteile 4 an die Anschlußteile 2 und 3. Jede dieser Ausführungsformen bildet ein Gelenk aus. Jegliche besondere Materialbeanspruchung im Bereich der Verbindung zwischen den Anschlußteilen 2 und 3 und den Verbindungsteilen 4 wird durch ein Kugelgelenk 15 vermieden. Ein Scharniergelenk 16, dessen Scharnierachse 17 senkrecht zu der Hauptachse 5 des Konstruk tionselements 1 ausgerichtet ist, verhindert schon die wesent lichen Materialbelastungen im Anschlußbereich. Ein Festkörper gelenk 18 ist mit besonders geringem Aufwand realisierbar und kann bei geeigneter Materialauswahl ebenfalls die notwendigen Standfestigkeiten des neuen Konstruktionselements 1 gegenüber Ermüdungsbrüchen im Bereich der Anbindung der Verbindungsteile 4 an die Anschlußteile 2 und 3 gewährleisten. Fig. 6 different embodiments outlined a connection of the connection parts 4 at the terminal portions 2 and 3. Each of these embodiments forms a joint. Any special material stress in the area of the connection between the connecting parts 2 and 3 and the connecting parts 4 is avoided by a ball joint 15 . A hinge joint 16 , the hinge axis 17 is oriented perpendicular to the main axis 5 of the construction element 1 , already prevents the material union wesent union in the connection area. A solid body joint 18 can be implemented with particularly little effort and, with a suitable choice of material, can likewise ensure the necessary stability of the new construction element 1 against fatigue fractures in the area of the connection of the connecting parts 4 to the connecting parts 2 and 3 .
Das in Fig. 7 skizzierte Anwendungsbeispiel für ein Konstruk tionselement 1 betrifft die Schwingungsdämpfung einer Masse 19 gegenüber einer Basis 20. Dabei kann das Konstruktionselement 1 als passives Federelement aber auch als aktiv ansteuerbares Aktuatorelement oder auch als Sensorelement oder auch als kombiniertes Aktuator- und Sensorelement vorgesehen sein. Bei der Anordnung gemäß Fig. 7 ist es jedoch schwierig, die Masse 19 nur in einer isolierten Richtung gegenüber der Basis 20 zu manipulieren.The application example sketched in FIG. 7 for a construction element 1 relates to the vibration damping of a mass 19 relative to a base 20 . The construction element 1 can be provided as a passive spring element but also as an actively controllable actuator element or also as a sensor element or as a combined actuator and sensor element. In the arrangement according to FIG. 7, however, it is difficult to manipulate the mass 19 only in an isolated direction with respect to the base 20 .
Bei dem Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 8 ist ein Paar von Konstruktionselementen 1 vorgesehen, die in spiegelsymmetrischer Anordnung zu einer senkrecht zu ihren Hauptachsen 5 verlaufenden Symmetrieebene 20 angeordnet sind. So kann die Masse 19 relativ zu der Basis 20 um die gemeinsame Hauptachse 5 der Konstruk tionselemente 1 verdreht werden, ohne daß es gleichzeitig zu einer Relativverschiebung in Richtung der Hauptachse 5 kommt, wenn beide Konstruktionselemente 1 auf eine Formveränderung der Verbindungsteile 4 angesteuert werden. Durch gegenläufige Ansteuerung ist es grundsätzlich auch möglich, die Masse 19 längs der Hauptachse 5 zu verschieben, ohne sie dabei gleichzeitig zu verdrehen. In the application example shown in Fig. 8 there is a pair of construction elements 1, which are arranged in mirror-symmetrical arrangement to a direction perpendicular to their main axis 5 of symmetry plane 20. Thus, the mass 19 can be rotated relative to the base 20 about the common main axis 5 of the construction elements 1 without there being a relative displacement in the direction of the main axis 5 when both construction elements 1 are driven to a change in shape of the connecting parts 4 . By means of opposite control, it is in principle also possible to move the mass 19 along the main axis 5 without simultaneously rotating it.
Fig. 9 zeigt die Anordnung von zwei Paaren von Konstruktions elementen 1 gemäß Fig. 8, wobei die beiden gemeinsamen Hauptachsen der Paare 5 senkrecht aufeinander stehen und wobei zwischen den basisseitigen Konstruktionselementen 1 und den masseseitigen Konstruktionselementen 1 ein Rahmen 22 angeordnet ist. So ist der Rahmen 22 mit den basisseitigen Konstruktions elementen 1 um die hier horizontale Achse verschwenkbar bzw. in Richtung dieser Achse verschiebbar, während mit den masse seitigen Konstruktionselementen 1 die Masse 19 gegenüber dem Rahmen um die hier vertikale Achse verdrehbar bzw. in dieser Richtung verschiebbar ist. Fig. 9 shows the arrangement of two pairs of construction elements 1 according to FIG. 8, wherein the two common main axes of the pairs 5 are perpendicular to each other and wherein a frame 22 is arranged between the base-side construction elements 1 and the earth-side construction elements 1 . Thus the frame 22 with the base-side construction element 1 around the horizontal here axis pivotable or in the direction of the axis displaceable, while the ground-side structural elements 1, the mass 19 relative to the frame about the vertical here axis or in rotated this direction displaceably is.
Während Fig. 9 eine echte Reihenschaltung von zueinander senkrechten Paaren von Konstruktionselementen 1 zeigt, betrifft Fig. 10 ein Anwendungsbeispiel, bei dem zwei Paare von senkrecht zueinander ausgerichteten Konstruktionselementen 1 parallel geschaltet sind. Das heißt, alle Konstruktionselemente 1 greifen einerseits an der Basis 20 und andererseits an der Masse 19 an. Damit ist zwar keine in idealer Weise unabhängige Relativlageveränderung der Masse 19 gegenüber der Basis 20 um und in Richtung der beiden gemeinsamen Hauptachsen 5 jeweils eines Paars von Konstruktionselementen 1 möglich. Doch stellen die Konstruktionselemente 1 des jeweils einen Paars beispiels weise einer Schwenkbewegung der Masse 19 um die gemeinsame Hauptachse der Konstruktionselemente 1 des jeweils anderen Paars nur geringe Steifigkeiten entgegen. So ist auch mit der Anordnung gemäß Fig. 10 eine relativ unabhängige Verschwenkung der Masse 19 gegenüber der Basis 20 um die beiden gemeinsamen Hauptachsen 5 jeweils eines Paars von Konstruktionselementen 1 möglich.While FIG. 9 shows a real series connection of mutually perpendicular pairs of construction elements 1 , FIG. 10 relates to an application example in which two pairs of construction elements 1 oriented perpendicular to one another are connected in parallel. This means that all construction elements 1 act on the one hand on the base 20 and on the other hand on the mass 19 . Thus, an ideally independent change in the relative position of the mass 19 relative to the base 20 around and in the direction of the two common main axes 5 of a pair of construction elements 1 is not possible. However, the construction elements 1 of each pair, for example, counter a pivoting movement of the mass 19 about the common main axis of the construction elements 1 of the other pair, only slight stiffness. A relatively independent pivoting of the mass 19 relative to the base 20 about the two common main axes 5 of a pair of construction elements 1 is also possible with the arrangement according to FIG. 10.
In Fig. 11 ist skizziert, daß die Masse 19 insgesamt durch drei zueinander senkrecht ausgerichtete Paare von Konstruktions elementen 1 gegenüber der Basis 20 geführt ist, wobei gegenüber Fig. 10 das dritte Paar von Konstruktionselementen 1 direkt zwischen der Basis 20 und der Masse 19 ergänzt wurde. So sind insgesamt drei zueinander senkrecht verlaufende Kippachsen für die Masse 19 gegenüber der Basis 20 realisiert.In Fig. 11 it is sketched that the mass 19 is guided by three mutually perpendicular pairs of construction elements 1 with respect to the base 20 , with the third pair of construction elements 1 added directly between the base 20 and the mass 19 compared to Fig. 10 has been. A total of three mutually perpendicular tilt axes for the mass 19 relative to the base 20 are realized.
Fig. 12 skizziert anhand der Anordnung von zwei zueinander senkrecht ausgerichteten Paaren von Konstruktionselementen 1 unter Zwischenordnung eines Rahmens 22 die Ansteuerung der Konstruktionselemente 1 bzw. von daran angeordneten Aktuatoren. Ein an der Masse 19 vorgesehener Sensor 23 nimmt Beschleuni gungen um die jeweiligen gemeinsamen Hauptachsen 5 auf und führt diese einem Regler 24 zu. Ausgangssignale des Reglers laufen durch einen Spannungsverstärker 25 und steuern dann die Aktua toren so an, daß die Masse 19 aktiv in Ruhe gehalten wird. Fig. 12 outlined with reference to the arrangement of two mutually perpendicular aligned pairs of structural elements 1 with the interposition of a frame 22, the driving of the construction elements 1 and arranged thereto by actuators. A provided on the mass 19 sensor 23 accelerations on the respective common main axes 5 and leads this to a controller 24 . Output signals of the controller run through a voltage amplifier 25 and then control the actuators so that the mass 19 is kept actively at rest.
Fig. 13 skizziert die erfindungsgemäße Verwendung des neuen Konstruktionselements 1, bei denen es sich um eines gemäß jeder der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen in jeder der voranstehend beschriebenen Anordnungen handeln kann. Bei der konkreten Anordnung gemäß Fig. 13 ist zwischen den Anschluß teilen 2 und 3 neben den Verbindungsteilen 4 ein Abstandhalter 26 fester Länge vorgesehen. Der Abstandhalter 26 kann starr mit dem Anschlußteil 2 verbunden sein und ein ortsfestes Drehlager für das Anschlußteil 3 aufweisen, das nur Verdrehungen des Anschlußteils 3 um die Hauptachse 5 ermöglicht. In jedem Fall muß der lineare Abstand der Anschlußteile 2, 3 in der Haupt richtung 5 beschränkt sein. Wenn dann die Anschlußteile 2 und 3 so gegeneinander verdreht werden, daß die Verbindungsteile 4 zwar ihre maximale Beulung von der Hauptachse 5 weg, aber keine helikale Krümmung aufweisen, befinden sich die beiden Anschluß teile 2 und 3 bezüglich ihrer Drehstellung in einem labilen Gleichgewicht. Jede Relativverdrehung der Anschlußteile 2 und 3 führt dann dazu, daß die Verbindungsteile 4 in ihrem Bestreben, ihre Beulung abzubauen, die Relativverdrehung zu vergrößern versuchen, bis die mit gestrichelten Linien dargestellte Form der Verbindungsteile 4 erreicht ist, die unter Berücksichtigung des fixen Abstands der beiden Anschlußteile 2 und 3 ein Energie minimum darstellt. Mit anderen Worten weist das Konstruktions element 1 aus der hier beschriebenen Funktionsstellung mit dem labilen Gleichgewicht bezüglich der Drehstellung der Anschlußteile 2 und 3 eine negative Torsionssteifigkeit auf. Fig. 13, the inventive use of the new outlines the construction element 1, in which it can act in any of the arrangements described above to a according to any of the embodiments described above. In the specific arrangement according to FIG. 13, a spacer 26 of fixed length is provided between the connection parts 2 and 3 in addition to the connecting parts 4 . The spacer 26 can be rigidly connected to the connection part 2 and have a fixed pivot bearing for the connection part 3 , which only allows the connection part 3 to be rotated about the main axis 5 . In any case, the linear distance between the connecting parts 2 , 3 in the main direction 5 must be limited. If the connecting parts 2 and 3 are then rotated so that the connecting parts 4 have their maximum bulge away from the main axis 5 , but have no helical curvature, the two connecting parts 2 and 3 are in an unstable equilibrium with respect to their rotational position. Each relative rotation of the connecting parts 2 and 3 then leads to the fact that the connecting parts 4, in their endeavor to reduce their bulge, attempt to increase the relative rotation until the shape of the connecting parts 4 , shown in broken lines, is reached, taking into account the fixed distance between the two Connection parts 2 and 3 represent an energy minimum. In other words, the construction element 1 from the functional position described here with the unstable equilibrium with respect to the rotational position of the connecting parts 2 and 3 has a negative torsional rigidity.
Diese negative Torsionssteifigkeit kann genutzt werden, um die Gesamtsteifigkeit einer Torsionsfederanordnung mit parallel geschalteter tragender Torsionsfeder in einem Arbeitsbereich weich zu machen, der um das labile Gleichgewicht des Konstruk tionselement 1 gemäß Fig. 13 herum angeordnet ist. Dies ist in Fig. 14 skizziert. Fig. 14 zeigt die Federkennlinie 27 des Konstruktionselements 1 gemäß Fig. 13. Die negative Torsions steifigkeit ergibt sich in dem Bereich um das labile Gleich gewicht bei 28. Hierdurch kann die Steifigkeit einer Torsions feder mit der geradlinigen Federkennlinie 29 bereichsweise so reduziert werden, wie es die kombinierte Federkennlinie 30 im Bereich um 28 herum anzeigt.This negative torsional rigidity can be used to soften the overall rigidity of a torsion spring arrangement with a parallel connected torsion spring in a work area which is arranged around the unstable balance of the construction element 1 according to FIG. 13. This is outlined in Fig. 14. Fig. 14 shows the spring characteristic 27 shows the structural element 1 according to Fig. 13. The negative torsional rigidity is obtained in the region around the unstable equilibrium at 28. In this way the stiffness of a torsion spring be partially reduced with the linear spring characteristic 29 as it shows the combined spring characteristic 30 in the area around 28.
Variationen der Federkennlinie 27 des erfindungsgemäß verwen deten Konstruktionselements sind aber auch allein durch seine aktive Ansteuerung mittels der Aktuatoren 7 bis 10 möglich. Variations in the spring characteristic curve 27 of the construction element used according to the invention are also possible solely through its active control by means of the actuators 7 to 10 .
11
- Konstruktionselement
- construction element
22
- Anschlußteil
- connector
33rd
- Anschlußteil
- connector
44
- Verbindungsteil
- connecting part
55
- Hauptachse
- main axis
77
- Aktuator
- actuator
88th
- Aktuator
- actuator
99
- Aktuator
- actuator
1010th
- Aktuator
- actuator
1111
- Spannungsquelle
- voltage source
1212th
- Materialstrang
- strand of material
1313
- Versteifungsstrebe
- stiffening strut
1414
- Querschnitt
- Cross-section
1515
- Kugelgelenk
- ball joint
1616
- Scharniergelenk
- hinge joint
1717th
- Scharnierachse
- hinge axis
1818th
- Festkörpergelenk
- Solid-state joint
1919th
- Masse
- Dimensions
2020th
- Basis
- Base
2121
- Symmetrieebene
- plane of symmetry
2222
- Rahmen
- Frame
2323
- Sensor
- sensor
2424th
- Regler
- regulator
2525th
- Spannungsverstärker
- voltage amplifier
2626
- Abstandhalter
- spacers
2727
- Federkennlinie
- spring characteristic
2828
- labiles Gleichgewicht
- unstable balance
2929
- Federkennlinie
- spring characteristic
3030th
- kombinierte Federkennlinie
- combined spring characteristic
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