DE10026178C2 - Elastisches Konstruktionselement - Google Patents

Abstract

Ein elastisches Konstruktionselement (1) weist ein erstes in sich starres Anschlußteil (2), ein zweites in sich starres Anschlußteil (3) und mindestens drei endseitig an den beiden Anschlußteilen (2 und 3) gelagerte und zwischen diesen verlaufende formveränderliche Verbindungsteile (4) auf, die Torsionskräfte und/oder -bewegungen um eine Hauptachse (5) des Konstruktionselements (1) zwischen den Anschlußteilen (2 und 3) vermitteln, wobei die Verbindungsteile (4) rotationssymmetrisch zu der Hauptachse (5) angeordnet sind und zwischen den beiden Anschlußteilen (2 und 3) einen helikal um die Hauptachse (5) herum gekrümmten Verlauf mit veränderlicher Steigung aufweisen. Erfindungsgemäß weisen die Verbindungsteile (4) zudem eine veränderliche Beulung von der Hauptachse (5) weg oder zu der Hauptachse (5) hin zwischen den beiden Anschlußteilen (2 und 3) auf, und es ist mindestens ein ansteuerbarer Aktuator (7), der an mindestens einem der Verbindungsteile (4) angreift und der bei seiner Ansteuerung mindestens eines der Verbindungsteile (4) direkt verformt oder mindestens als ein ein Signal abgebender Sensor vorgesehen ist, der an mindestens einem der Verbindungsteile (4) angreift und dessen Signal sich mit Formänderungen des mindestens einen der Verbindungsteile (4) direkt ändert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elastisches Konstruktions­ element mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Konkret geht es um solche elastische Konstruktionselemente, die zum Aufbringen von Torsionskräften oder zu Torsions­ bewegungen um die Hauptachse aktiv ansteuerbar bzw. als Sensor für diese Torsionskräfte und/oder -bewegungen nutzbar sind. Es geht aber auch um die Ansteuerung zu bzw. die sensorische Erfassung von Neigungs- bzw. Kippbewegungen zwischen den Anschlußteilen.

Die Erzeugung sehr kleiner Torsionskräfte und/oder -bewegungen ist schwierig. Wenn mechanische Übersetzungen verwendet werden, um lineare Bewegungen in Drehbewegungen umzusetzen, treten in dar 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.

Ein elastisches Konstruktionselement mit einem ersten und einem zweiten in sich starren Anschlußteil und mit mindestens drei endseitig an den beiden Anschlußteilen gelagerten und zwischen diesen verlaufenden formveränderlichen Verbindungsteilen, die Torsionskräfte und/oder -bewegungen um eine Hauptachse des Konstruktionselements zwischen den Anschlußteilen vermitteln, wobei die Verbindungsteile rotationssymmetrisch zu der Haupt­ achse angeordnet sind und zwischen den beiden Anschlußteilen eine veränderliche Steigung aufweisen, ist aus der US 5 626 312 bekannt. Dabei erstreckt sich eine Mehrzahl von harten piezo­ elektrischen Stäben, deren axiale Länge veränderlich ist, als Verbindungsteile zwischen den beiden Anschlußteilen. Die Stäbe weisen eine Neigung relativ zu den beiden Anschlußteilen aus. Die Anschlußteile sind über einen zentralen tordierbaren Kern miteinander verbunden. Durch Ansteuerung der piezoelektrischen Stäbe mittels eines äußeren elektrischen Felds wird eine Torsionsbewegung des Konstruktionselements zwischen den beiden Anschlußteilen bewirkt. Das bekannte Konstruktionselement weist dabei eine sehr hohe Steifigkeit auf. Es sind auch nur relativ geringe Drehwinkel zwischen den beiden Anschlußteilen reali­ sierbar. Für andere Verformungen als eine Drehbewegung zwischen den beiden Anschlußteilen ist das bekannte Konstruktionselement nicht vorgesehen oder geeignet.

Ein weiteres solches Konstruktionselement, bei dem Verbindungs­ teile rotationssymmetrisch zu der Hauptachse angeordnet sind und zwischen den beiden Anschlußteilen eine veränderliche Steigung aufweisen, ist aus der US 5 594 330 bekannt. Hier erstrecken sich zwischen den beiden Anschlußteilen Verbindungsteile, die sich bei Anlegen eines äußeren Signals in tangentialer Richtung zur Hauptachse des Konstruktionselements umbiegen wollen. Ihre Kopplung durch das zweite Anschlußteil setzt diese Bewegung in eine Torsionsbewegung zwischen den beiden Anschlußteilen um. Von den beiden Anschlußteilen stehen die Verbindungsteile auch nach ihrer Verbiegung zunächst senkrecht und parallel zu der Hauptachse des Konstruktionselements ab. Auch dieses bekannte Konstruktionselement weist nur einen begrenzten abdeckbaren Drehwinkel zwischen seinen beiden Anschlußteilen und eine hohe Steifigkeit auf, obwohl der Drehwinkel prinzipiell größer und die Steifigkeit prinzipiell geringer ist als bei dem zuletzt beschriebenen Stand der Technik.

Ein elastisches Konstruktionselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-AS 20 51 573 bekannt. Es dient zur Umsetzung einer linearen Kraft zwischen den Anschlußteilen in eine Hub-/Drehschwingung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konstruktions­ element nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, das eine besonders feinfühlige aktive Ansteuerung bzw. die Ausbildung hoch sensibler Sensoren insbesondere bezüglich einer Torsion zwischen den beiden Anschlußteilen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das elastische Kon­ struktionselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unter­ ansprüchen 2 bis 10 beschrieben.

Das Besondere an dem neuen Konstruktionselement sind die Verbindungsteile mit dem helikalen und gebeulten Verlauf um die bzw. zu der Hauptachse des Konstruktionselements. Normalerweise weisen die Verbindungsteile den helikalen Verlauf in jeder Funktionsstellung des Konstruktionselements auf. Es ist aber nicht ausgeschlossen, daß es auch eine nutzbare Funktions­ stellung des Konstruktionselements gibt, in der sich die Verbindungsteile mit ihrer Haupterstreckungsrichtung ohne tangentiale Komponente um die Hauptachse zwischen den beiden Anschlußteilen erstrecken. In dieser speziellen Funktions­ stellung des neuen Konstruktionselements weisen die Verbindungs­ teile dann aber zumindest eine Beulung auf, die in der Regel von der Hauptachse weg gerichtet ist, aber auch auf diese zu gerichtet sein kann. Das heißt, die Verbindungsteile sind niemals geradlinig gestreckt parallel zu der Hauptachse des neuen Konstruktionselements ausgerichtet, so daß niemals eine strukturelle Aussteifung des Konstruktionselements durch die Verbindungsteile gegeben ist. Eine Beulung weisen die Verbin­ dungsteile auch in anderen Funktionsstellungen auf, wobei die Beulung neben der Steigung die wesentlich andere Formvariable der Verbindungsteile bei dem neuen Konstruktionselement ist.

Die Steigung der helikalen Verbindungsteile um die Hauptachse des neuen 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 Anschluß­ teile erfolgt dazu über Gelenke, die als klassische mehrteilige Gelenke aber auch als Festkörpergelenke ausgebildet sein können.

Das neue Konstruktionselement ist durch verschiedenste äußere 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. Es ist aber auch möglich, einzelne Relativbewegungen der Anschlußteile gezielt zu unterbinden, um nur die verbleibenden Relativ­ bewegungsmöglichkeiten zu nutzen. So kann für das zweite Anschlußteil ein gegenüber dem ersten Anschlußteil in Richtung der Hauptachse verschiebliches Drehlager vorgesehen sein. Dann sind nur noch relative Verschiebungen der beiden Anschlußteile längs der Hauptachse und relative Verdrehung der beiden Anschlußteile um die Hauptachse möglich. Wenn für das zweite Anschlußteil ein gegenüber dem ersten Anschlußteil ortsfestes Drehlager vorgesehen ist, sind nur noch relative Verdrehungen möglich.

Die Steifigkeit des neuen 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.

Die bisherigen Ausführungen betrafen das neue Konstruktions­ element sowohl in passiver als auch in aktiver, d. h. in aktiv ansteuerbarer Ausführung. Eine solche aktiv ansteuerbar Aus­ führung wird erreicht, wenn mindestens ein ansteuerbarer Aktuator vorgesehen ist, der bei seiner Ansteuerung direkt 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.

Es ist aber nicht nur so, daß bei dem neuen 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, die einen überragend großen Meßbereich aufweisen.

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. Dieses Vorgehen weist beacht­ liche Vorteile auf, wenn das neue Konstruktionselement unter beengten Raumverhältnissen mit beengten Anschlußmöglichkeiten eingesetzt wird.

Es ist möglich, bei dem neuen 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.

In einer besonders interessanten Ausführungsform des neuen Konstruktionselements 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 Verbin­ dungsteile beeinflußt werden. Bei beidseitig angeordneten Aktuatoren ist eine Beeinflussung der Länge und damit direkt oder indirekt zusammenhängender Variablen möglich.

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.

Das neue Konstruktionselement kann auf verschiedene Weise mit weiteren identischen oder ähnlich aufgebauten Konstruktions­ elementen verschaltet werden. Es sind Kaskaden ausbildbar, bei denen mehrere Konstruktionselemente zueinander in Reihe ge­ schaltet sind. Derartige Kaskaden können ineinander geschachtelt sein, um einen besonders geringen Raumbedarf zu erfordern.

Besonders interessant sind Verschaltungen, bei denen zwei Konstruktionselemente so gegeneinander gerichtet sind, daß sie bei gleichsinniger Ansteuerung ausschließlich eine relative Verdrehung der Anschlußteile bewirken, ohne daß es zu einer sonstigen Relativlageveränderung der Anschlußteile kommt. Um dies besonders einfach zu erreichen, ist eine spiegelsymme­ trische Anordnung der beiden Konstruktionselemente vorzusehen, bei der die Verbindungsteile der beiden Konstruktionselemente gegenläufige helikale Krümmungen aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungskeispielen näher erläutert und beschrieben. In den Figuren, die nicht alle auch die erfindungswesentliche Anordnung von Aktuatoren und/oder Sensoren an den Verbindungsteilen des neuen Konstruktions­ elements wiedergeben, zeigte

Fig. 1 eine perspektivische Seitenansicht einer ersten Aus­ führungsform des neuen Konstruktionselements,

Fig. 2 eine perspektivische Seitenansicht einer zweiten Aus­ führungsform des neuen Konstruktionselements,

Fig. 3 eine perspektivische Seitenansicht einer dritten Aus­ führungsform des neuen Konstruktionselements,

Fig. 4 verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten von Aktuatoren und/oder Sensoren an den Verbindungsteilen des neuen Konstruktionselements,

Fig. 5 verschiedene Aufbauten der Verbindungsteile des neuen Konstruktionselements,

Fig. 6 eine perspektivische Seitenansicht einer weiteren Aus­ führungsform des neuen Konstruktionselements,

Fig. 7 verschiedene Lager für die Verbindungsteile an den Anschlußteilen des neuen Konstruktionselements,

Fig. 8 eine kaskadierte Ausführungsform des neuen Konstruk­ tionselements,

Fig. 9 ein erstes Anwendungsbeispiel für das neue Konstruk­ tionselement,

Fig. 10 ein Anwendungsbeispiel für ein Paar von neuen Kon­ struktionselemente,

Fig. 11 ein Anwendungsbeispiel für zwei senkrecht zueinander angeordnete Paare von neuen Konstruktionselementen,

Fig. 12 ein zweites Anwendungsbeispiel für zwei senkrecht zueinander angeordnete Paare von neuen Konstruktions­ elementen,

Fig. 13 ein Anwendungsbeispiel für drei senkrecht zueinander ausgerichtete Paare von neuen Konstruktionselementen,

Fig. 14 eine Vorrichtung zur aktiven Ansteuerung von zwei Paaren von neuen Konstruktionselementen in der An­ ordnung gemäß Fig. 11,

Fig. 15 eine Ausführungsform des neuen Konstruktionselement als Torsionsfeder mit negativer Steifigkeit und

Fig. 16 Federkennlinien zu der Torsionsfeder mit negativer Steifigkeit gemäß Fig. 15 sowie zu einer konventio­ nellen Torsionsfeder und zu einer Kombination dieser beiden Torsionsfedern.

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 Schnittstelle zwischen zwei verschiedenen Strukturbereichen einer Gesamt­ struktur ausbilden. Zwischen den beiden Anschlußteilen 2 und 3 erstrecken sich Verbindungsteile 4. Die Verbindungsteile 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 2u 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.

Bei der Ausführung des Konstruktionselements 1 gemäß Fig. 2 sind zusätzlich zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 Verstei­ fungsstreben 6 zwischen den Verbindungsteilen vorgesehen. Die Versteifungsstreben 6 greifen mit ihren beiden Enden an den Verbindungsteilen an und verlaufen dabei etwa senkrecht zum Verlauf der Verbindungsteile. Mit den Versteifungsstreben 6 können die Steifigkeiten des Konstruktionselements 1 gegenüber den verschiedenen Relativbewegungen der Anschlußteile 2 und 3 stark beeinflußt werden. Darüberhinaus können die Versteifungs­ streben 6 auch als lineare Aktuatoren ausgebildet sein, mit denen durch eine Formveränderung dar Verbindungsteile 4 eine Relativlageverschiebung der Anschlußteile 2 und 3 hervorgerufen wird, oder zumindest entsprechende Kräfte erregt werden.

Bei der Ausführungsform des Konstruktionselements 1 gemäß Fig. 3 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 gemäß Fig. 3 könnten natürlich auch als passive Versteifungsstreben 6 gemäß Fig. 2 ausgebildet sein. Darüberhinaus wäre es möglich, die Aktuatoren 7 ebenso wie die Versteifungsstreben 6 gemäß Fig. 2 als Sensoren auszubilden, mit denen durch äußere Einwirkungen hervorgerufene Formveränderungen der Verbindungsteile 4 registriert werden. Hieraus kann dann auf die erfolgte Relativ­ lageverschiebung der Anschlußteile 2 und 3 rückgeschlossen werden.

Fig. 4 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.

Der Aufbau der Verbindungsteile 4 kann sehr unterschiedlich sein. Entscheidend ist ihr helikaler Verlauf um die Hauptachse 5 des Konstruktionselements 1. Fig. 5 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. 5 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.

Fig. 6 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. 7 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. 8 zeigt die Möglichkeit einer Kaskadierung bei dem neuen Konstruktionselement 1. Dabei sind ein äußeres Konstruktions­ element 1 und ein inneres Konstruktionselement 1' vorgesehen. Das äußere Konstruktionselement 1 weist ein ringförmiges Anschlußteil 2 auf. Sein Anschlußteil 3 ist gleichzeitig das Anschlußteil 2' des inneren Konstruktionselements 1', von dem die Verbindungsteile 4' zu dem Anschlußteil 3' führen, welches innerhalb des ringförmigen Anschlußteils 2 angeordnet ist. Eine Verdrehung zwischen den Anschlußteilen 2 und 3 durch Formver­ änderung der Verbindungsteile 4 in Größe eines Winkels Θ₁ kann durch entsprechende Ansteuerung der Verbindungsteile 4' zu Θ₁ + Θ₂ vergrößert werden.

Es ist auch eine Ausführungsform des Konstruktionselements 1 denkbar, bei dem die in Fig. 8 mit 2 und 3' bezeichneten Anschlußteile einstückig, d. h. starr miteinander verbunden sind. In diesem Fall weist das Konstruktionselement 1 zwei Sätze von Verbindungsteilen 4 und 4' mit gegenläufigen helikalen Krümmungen auf. Dabei ist es durch geschickte Ansteuerung der Verbindungsteile 4 und 4' möglich, eine reine Drehbewegung zwischen den Anschlußteilen 2 und 3 ohne eine lineare Bewegung in Richtung der Hauptachse 5 zu realisieren. Beziehungsweise kann umgekehrt eine reine lineare Bewegung in Richtung der Hauptachse 5 ohne zusätzliche Drehbewegung zwischen den Anschlußteilen 2 und 3 um die Hauptachse 5 erreicht werden.

Das in Fig. 9 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. 9 ist es jedoch schwierig, die Masse 19 nur in einer isolierten Richtung gegenüber der Basis 20 zu manipulieren.

Bei dem Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 10 ist ein Paar von Konstruktionselementen 1 vorgesehen, die in spiegelsymmetrischer Anordnung zu einer senkrecht zu ihren Hauptachsen 5 verlaufenden Symmetrieebene 21 angeordnet sind. So kann die Masse 19 relativ zu der Basis 20 um die gemeinsame Hauptachsen 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 auch möglich, die Masse 19 längs der Hauptachse 5 zu verschieben, ohne sie dabei gleichzeitig zu verdrehen.

Fig. 22 zeigt die Anordnung von zwei Paaren von Konstruktions­ elementen 1 gemäß Fig. 10, 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.

Während Fig. 11 eine echte Reihenschaltung von zueinander senkrechten Paaren von Konstruktionselementen 1 zeigt, betrifft Fig. 12 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. 12 eine relativ unabhängige Verschwenkung der Masse 19 gegenüber der Basis 20 um die beiden gemeinsamen Hauptachsen 5 jeweils eines Paars von Konstruktionselementen 1 möglich.

In Fig. 13 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. 12 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.

Fig. 14 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. 15 skizziert ein grundsätzlich anderes Anwendungsbeispiel des neuen Konstruktionselements 1. Bei der Anordnung gemäß Fig. 15 ist zwischen den Anschlußteilen 2 und 3 neben den Verbin­ dungsteilen 4 noch ein Abstandhalter 26 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. 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 im Bereich seines labilen Gleichgewichts bezüglich der Drehstellung der Anschlußteile 2 und 3 eine negative Torsions­ steifigkeit auf. 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 Konstruktionselement 1 gemäß Fig. 15 herum angeordnet ist. Dies ist in Fig. 16 skizziert.

Fig. 16 zeigt die Federkennlinie 27 des Konstruktionselements 1 gemäß Fig. 15. Die negative Torsionssteifigkeit ergibt sich in dem Bereich um das labile Gleichgewicht bei 28. Hierdurch kann die Steifigkeit einer Torsionsfeder mit der geradlinigen Federkennlinie 29 bereichsweise so reduziert werden, wie es die kombinierte Federkennlinie 30 im Bereich um 28 herum anzeigt.

Auch soweit bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung nicht immer unmittelbar auf das Vorhandensein von direkt an die Verbindungsteile 4 angebundenen Aktuatoren und/oder Sensoren hingewiesen wurde, sind diese erfindungsgemäß immer vorhanden, beispielsweise auch bei der Torsionsfeder mit negativer Steifigkeit gemäß Fig. 15. Dort kann mit Hilfe einer aktiven Ansteuerung von an den Verbindungsteilen angreifenden Aktuatoren beispielsweise die Lage des Nulldurchgangs der Torsionskraft verschoben werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Konstruktionselement

2

Anschlußteil

3

Anschlußteil

4

Verbindungsteil

5

Hauptachse

6

Versteifungsstrebe

7

Aktuator

8

Aktuator

9

Aktuator

10

Aktuator

11

Spannungsquelle

12

Materialstrang

13

Versteifungsstrebe

14

Querschnitt

15

Kugelgelenk

16

Scharniergelenk

17

Scharnierachse

18

Festkörpergelenk

19

Masse

20

Basis

21

Symmetrieebene

22

Rahmen

23

Sensor

24

Regler

25

Spannungsverstärker

26

Abstandhalter

27

Federkennlinie

28

labiles Gleichgewicht

29

Federkennlinie

30

kombinierte Federkennlinie

Claims (10)

1. Elastisches Konstruktionselement, mit einem ersten und einem zweiten in sich starren Anschlußteil und mit mindestens drei endseitig an den beiden Anschlußteilen gelagerten und zwischen diesen verlaufenden formveränderlichen Verbindungs­ teilen, die Torsionskräfte und/oder -bewegungen um eine Haupt­ achse des Konstruktionselements zwischen den Anschlußteilen vermitteln, wobei die Verbindungsteile rotationssymmetrisch zu der Hauptachse angeordnet sind und zwischen den beiden An­ schlußteilen eine veränderliche Steigung aufweisen, wobei die Verbindungsteile zwischen den beiden Anschlußteilen einen helikal um die Hauptachse herum gekrümmten Verlauf aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile (4) eine veränderliche Beulung von der Hauptachse (5) weg oder zu der Hauptachse (5) hin zwischen den beiden Anschlußteilen (2 und 3) aufweisen und daß mindestens ein ansteuerbarer Aktuator (7 bis 10), der an mindestens einem der Verbindungsteile (4) angreift und der bei seiner Ansteuerung das mindestens eine der Verbindungsteile (4) direkt verformt, oder mindestens ein ein Signal abgebender Sensor, der an mindestens einem der Verbindungsteile (4) angreift und dessen Signal sich mit Formänderungen des mindestens einen der Verbindungsteile (4) direkt ändert, vorgesehen ist.

2. Konstruktionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein einziges Bauteil sowohl als der Aktuator als auch als der Sensor verwendet wird.

3. Konstruktionselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens ein linearer Aktuator (7) bzw. Sensor vorgesehen ist, der endseitig an zwei der Verbindungs­ teile (4) angreift.

4. Konstruktionselement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens ein linearer Aktuator (8 bis 10) bzw. Sensor vorgesehen ist, der längs eines der Verbindungsteile (4) angeordnet ist.

5. Konstruktionselemente nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der mindestens eine lineare Aktuator (10) bzw. Sensor so angeordnet ist, daß er das mindestens eine der Verbindungs­ teile (4) tordiert bzw. dessen Torsion registriert.

6. Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile (4) gelenkig an den Anschlußteilen (2 und 3) gelagert sind.

7. Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für das zweite Anschlußteil (3) ein gegenüber dem ersten Anschlußteil (2) in Richtung der Hauptachse verschiebliches Drehlager vorgesehen ist.

8. Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für das zweite Anschlußteil (3) ein gegenüber dem ersten Anschlußteil (2) ortsfestes Drehlager vorgesehen ist.

9. Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß Versteifungsstreben (6) vorgesehen sind, die endseitig an den Verbindungsteilen (4) angreifen.

10. Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zweiten Anschlußteil (3) ein Bauteil befestigt ist, das weiterhin an dem zweiten Anschlußteil (3) eines zweiten Konstruktionselements (1) befestigt ist, wobei die beiden Konstruktionselemente spiegelsymmetrisch zu einer Ebene (21) aufgebaut sind, die senkrecht zu ihrer gemeinsamen Hauptachse (5) verläuft.