DE102005008017A1

DE102005008017A1 - Durch Fluidkraft aktivierbare Betätigungseinrichtung

Info

Publication number: DE102005008017A1
Application number: DE200510008017
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Gorski
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine durch Fluidkraft aktivierbare Betätigungseinrichtung mit einem sich zwischen zwei beabstandeten Kopfstücken erstreckenden Schlauchkörper, dessen Innenraum mit einem fluidischen Druckmedium beaufschlagbar ist, und mit einer letztlich an den beiden Kopfstücken fixierten zum Schlauchkörper koaxialen Strangstruktur, wobei axial und außerhalb des Schlauchkörpers und der Strangstruktur für diese ein in Axialrichtung längenvariables Stützsystem vorgesehen ist, welches die aus einer Druck-Beaufschlagung resultierende Verformung des Schlauchkörpers sowie der Strangstruktur in Radialrichtung begrenzt. Bevorzugt weist das Stützsystem, in Axialrichtung betrachtet, zumindest auf der Innenseite eine Wellenstruktur auf oder nimmt bei Druckbeaufschlagung von innen her eine solche an. Das Stützsystem kann durch ein axial elastisches Stützrohr, insbesondere ein Wellrohr, oder ein axial gestrecktes Gitterrohr oder durch einen in Umfangsrichtung verstärkten Schlauch gebildet sein. Alternativ ist das Stützsystem durch ein im wesentlichen in Axialrichtung geschlitztes Rohr gebildet, wobei vorzugsweise die Schlitze im wesentlichen in einem gemeinsamen Querschnitt unterbrochen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine durch Fluidkraft aktivierbare Betätigungseinrichtung mit einem sich zwischen zwei beabstandeten Kopfstücken erstreckenden anisotropen Hohlkörper oder Schlauchkörper, dessen Innenraum mit einem fluidischen Druckmedium beaufschlagbar ist, und mit einer letztlich an den beiden Kopfstücken fixierten, den Hohlkörper oder Schlauchkörper verstärkenden Strangstruktur. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 196 43 649 C1 oder der EP 0 261 721 A2 auf die WO 00/61952 verwiesen.

Derartige Betätigungseinrichtungen (mit Schlauchkörpern) werden auch als Schlauchaktuatoren oder Kontraktionsschläuche bezeichnet; landläufig auch als Fluidmuskel. Bekanntlich führt eine fluidische Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Schlauchkörpers zu einer Ausbauchung desselben in Radialrichtung, wodurch sich die Länge des Schlauchkörpers (in Axialrichtung) verkürzt. Der Schlauchkörper ist dabei durch eine sog. Strangstruktur, die vorzugsweise durch Fasermaterial gebildet ist, gegen Zerstörung geschützt. Hinsichtlich der Strangstruktur gibt es unterschiedliche Ausführungsformen, nämlich einlagige, bei denen sich die Stränge in Axialrichtung des Schlauchkörpers erstrecken, sowie mehrlagige, bei denen Stränge winkelig zur Axialrichtung des Schlauchkörpers und sich dabei überkreuzend um den Schlauchkörper gewickelt oder in diesem integriert sind.

Anstelle eines ausgeprägten Schlauchkörpers kann jedoch allgemein ein beliebiger anisotroper Hohlkörper vorgesehen sein, d.h. auf eine solche Betätigungsvorrichtung bezieht sich die vorliegende Erfindung. Dabei ist ein anisotroper Hohlkörper dadurch gekennzeichnet, dass seine Struktur in der Mantelfläche in verschiedenen Richtungen bzw. in Richtung der beiden Hauptachsen verschiedene Elastizitätsmodule aufweist. Diese Eigenschaft kann allgemein bspw. durch Faserverbundwerkstoffe erzielt werden. Die im Oberbegriff genannte Strangstruktur wird bei diesen Faserverbundwerkstoffen durch die auf Zug oder Druck belasteten Fasern gebildet. Im weiteren wird anstelle des allgemeinen Begriffs „anisotroper Hohlkörper" jedoch nur noch der speziellere Begriff „Schlauchkörper" verwendet.

Grundsätzlich können mit einer derartigen Betätigungseinrichtung in Form eines Schlauchaktuators oder Kontraktionsschlauchs auch Längskräfte übertragen werden, jedoch ist die Höhe dieser Längskraft bei gängigen Systemen auf einen Wert begrenzt, der im Hinblick auf eine ausreichende dynamische Festigkeit des Systems relativ gering ist. Dies gilt insbesondere im Falle einer einlagigen Strangstruktur, aber auch bei mehrlagigen Strangstrukturen ist eine Steigerung der Festigkeit wünschenswert.

Im Hinblick hierauf eine geeignete Maßnahme aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist für eine Betätigungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gekennzeichnet durch ein koaxial und außerhalb des Schlauchkörpers und der Strangstruktur für diese vorgesehenes, in Axialrichtung längenvariables Stützsystem, welches die aus einer Druck-Beaufschlagung resultierende Verformung des Schlauchkörpers sowie der Strangstruktur in Radialrichtung begrenzt. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Vorgeschlagen wird somit eine Abstützmöglichkeit für den sich bei Druckbeaufschlagung entsprechend verformenden, d.h. „ausbeulenden" Schlauch körper mit zugehöriger Strangstruktur. Während letztere für den Schlauchkörper selbst eine Stütze darstellt, die sich jedoch zusammen mit dem Schlauchkörper insbesondere auch in Radialrichtung desselben verformen kann, wird für die Einheit von Schlauchkörper und Strangstruktur nun ein weiteres Stützsystem vorgeschlagen, das die mechanische Belastung von Schlauchstruktur und Strangstruktur auf einen Maximalwert begrenzt, indem deren radiale Verformungsmöglichkeit unter fluidischer Druckbeaufschlagung begrenzt wird. Die Möglichkeit einer Verformung der vorgeschlagenen Stützstruktur in Radialrichtung ist gering bzw. minimal; hingegen bietet diese Stützstruktur vorzugsweise eine Verformungsmöglichkeit in Axialrichtung des Schlauchkörpers, um dessen mit einer fluidischen Druckbeaufschlagung einhergehende Kontraktion in Axialrichtung mitmachen zu können.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Stützsystem in Axialrichtung betrachtet zumindest auf der Innenseite eine Wellenstruktur aufweisen oder bei Druckbeaufschlagung von innen her annehmen. Mit einer solchen Wellstruktur, die über der Gesamtlänge des Schlauchkörpers betrachtet auch nur aus zwei in Reihe liegenden Wellen gebildet sein kann, ergibt sich vorteilhafterweise eine Vergrößerung des möglichen Hubs der Betätigungseinrichtung, da bei gleicher Ausbeulung in Radialrichtung eine entsprechend stärke Kontraktion in Axialrichtung erfolgt. Dabei kann die Wellenstruktur durch das Stützsystem quasi unveränderlich vorgegeben sein; alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Stützsystem bspw. durch ein im wesentlichen in Axialrichtung geschlitztes Rohr gebildet ist, wobei die Schlitze im wesentlichen in einem gemeinsamen Querschnitt unterbrochen sind. Dann kann dieses Stützsystem im Bereich der Schlitze zusammen mit dem Schlauchkörper und der zugehörigen Strangstruktur ebenfalls geringfügig ausbeulen, im Bereich der Unterbrechung der Schlitze hingegen nicht, so dass sich hiermit (bei fluidischer Druckbeaufschlagung des Schlauchkörpers) in der entsprechend gestalteten Stützstruktur eine Wellenstruktur ausbildet.

Für die Befestigung des vorgeschlagenen Stützsystems am Schlauchkörper bzw. an den Kopfstücken bestehen verschiedene Möglichkeiten. So kann, wenn der Schlauchkörper und die Strangstruktur durch einen Crimpring oder dgl. auf den Kopfstücken gehalten sind, das Stützsystem durch einen sich über das Kopfstück hinaus in Richtung zum anderen Kopfstück erstreckenden Crimpring oder dgl. auf dem Kopfstück gehalten oder durch diesen selbst gebildet sein. Hiermit können die auftretenden Spannungen im Bereich der Crimpung begrenzt werden, wobei der über das Kopfstück hinaus verlängerte Crimpring in Radialrichtung vorzugsweise kontinuierlich aufgeweitet sein kann. Das Stützsystem kann also selbst die Funktion eines Crimprings übernehmen, bspw. wenn dieses in Form eines axial elastischen Stützrohres, bspw. eines Wellrohres, ausgebildet ist.

Nach einer alternativen Ausführungsform kann das Stützsystem durch ein axial gestrecktes Gitterrohr gebildet sein. Gegebenenfalls können die Durchbrüche des Gitterrohres mit einem Elasomermaterial gefüllt sein. Sowohl ein Gitterrohr als auch ein Wellrohr können gleichzeitig die Funktion einer Druckfeder übernehmen und somit eine einer Kontraktion entgegenwirkende Kraft in die Betätigungseinrichtung einleiten, d.h. deren Rückstellwirkung unterstützen. Ein solches System kann dann um einen Arbeitspunkt in Zugrichtung und in Druckrichtung arbeiten. Nach einer weiteren Ausführungsform kann das Stützsystem durch einen in Umfangsrichtung verstärkten Schlauch gebildet sein.

Die beigefügten Prinzipskizzen zeigen auf das wesentliche abstrahiert bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei für gleiche Elemente stets gleiche Bezugsziffern verwendet sind.

Die 1, 2 zeigen jeweils einen Halbschnitt durch eine erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung, wobei die Einheit von Schlauchkörper und Strangstruktur, welche in bekannter Weise in den Schlauchkörper integriert sein kann, mir der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Senkrecht zur Längsachse 2 dieser Einheit erstreckt sich die Radialrichtung R. In den Endabschnitten der Betätigungseinrichtung bzw. des Schlauchkörpers 1 sind wie üblich Kopfstücke 3a, 3b vorgesehen, auf denen der Schlauchkörper 1 (zusammen mit seiner Strangstruktur) durch Crimpung gehalten ist. Bei der Ausführungsform nach 1 ist hierfür ein Crimpring 4 vorgesehen.
In Radialrichtung R außerhalb des Schlauchkörpers (mit Stützstruktur) 1 befindet sich ein sog. Stützsystem 5, das in Axialrichtung, d.h. in Richtung der Längsachse 2 ausreichend längenvariabel ist, hingegen in Radialrichtung R die aus einer Druckbeaufschlagung des Schlauchkörpers 1 von innen her mit einem Fluid resultierende Verformung desselben begrenzt.
Beim Ausführungsbeispiel nach 1 ist dieses Stützsystem 5 durch einen in Umfangsrichtung durch geeignete Einlagen 5b verstärkten Schlauch 5a gebildet, auf dessen innenseitiger, d.h. dem Schlauchkörper 1 zugewandten Oberfläche eine in Axialrichtung ausgerichtete Wellenstruktur 6 vorgesehen ist. Dieses Stützsystem 5 ist durch weitere Crimpringe 7 letztlich auf den Kopfstücken 3a, 3b befestigt. Beim Ausführungsbeispiel nach 2 ist das Stützsystem 5 durch ein Wellrohr gebildet, das mit seinen Enden gleichzeitig als Crimpring für den Schlauchkörper 1 auf den Kopfstücken 3a, 3b fungiert. Naturgemäß ist auf der Innenseite dieses Wellrohres ohnehin eine Wellstruktur vorhanden.
Das Ausführungsbeispiel nach 3 zeigt ebenfalls im wesentlichen einen Halb-Längsschnitt, in dem gleichzeitig das Stützsystem 5 abschnittsweise in Aufsicht dargestellt ist. Hier ist das Stützsystem 5 durch ein in Axialrichtung geschlitztes Rohr gebildet, wobei die mehreren, in Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Schlitze 5c in zumindest einem gemeinsamen Querschnitt 8 unterbrochen sind. Bei Druckbeaufschlagung von innen her biegen sich die verbleibenden Stege 5d zwischen den Schlitzen 5c zumin dest geringfügig in Radialrichtung R nach außen, so dass sich eine Wellenstruktur ausbildet. Vorteilhafterweise bauen diese Stege 5d bei Reduzierung der Druckbeaufschlagung von innen her eine rückstellende Druckkraft auf.
Mit den vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich somit eine Betätigungseinrichtung, die auch eine Übertragung höherer Kräfte in Axialrichtung sicher ermöglicht, wobei durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Ein bevorzugter Anwendungsfall kann in der Verwendung einer solchen durch Fluidkraft aktivierbaren Betätigungseinrichtung als Aktuator in einem Fahrzeug mit einer Schwingunsdämpfungseinrichtung in Form einer durch gezielte Ansteuerung des Aktuators längenvariablen Strebe liegen. Hierfür werden bislang vorzugsweise Piezoaktuatoren vorgeschlagen (vgl. bspw. DE 198 20 617 C2 ), alternativ klassische Hydraulikzylinder. Gegenüber diesen beiden Sytemen zeichnet sich eine erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung durch deutlich geringeres Gewicht und geringere Kosten aus.

Claims

Durch Fluidkraft aktivierbare Betätigungseinrichtung mit einem sich zwischen zwei beabstandeten Kopfstücken (3a, 3b) erstreckenden anisotropen Hohlkörper, insbesondere Schlauchkörper (1), dessen Innenraum mit einem fluidischen Druckmedium beaufschlagbar ist, mit einer letztlich an den beiden Kopfstücken (3a, 3b) fixierte den Hohlkörper oder Schlauchkörper (1) verstärkenden Strangstruktur (1), gekennzeichnet durch ein koaxial und außerhalb des Hohlkörpers oder Schlauchkörpers (1) und der Strangstruktur (1) für diese vorgesehenes, in Axialrichtung längenvariables Stützsystem (5), welches die aus einer Druck-Beaufschlagung resultierende Verformung des Hohlkörpers oder Schlauchkörpers (1) sowie der Strangstruktur (1) in Radialrichtung (R) begrenzt.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützsystem (5) in Axialrichtung betrachtet zumindest auf der Innenseite eine Wellenstruktur (6) aufweist oder bei Druckbeaufschlagung von innen her annimmt.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hohlkörper oder Schlauchkörper (1) und die Strangstruktur (1) durch einen Crimpring (4) oder dgl. auf den Kopfstücken gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützsystem (5) durch einen sich über das Kopfstück (3a, 3b) hinaus in Richtung zum anderen Kopfstück erstreckenden Crimpring (7) oder dgl. auf dem Kopfstück (3a, 3b) gehalten oder gebildet ist.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hohlkörper oder Schlauchkörper (1) und die Strangstruktur (1) durch Crimpung auf den Kopfstücken (3a, 3b) gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützsystem (5) die Funktion eines Crimprings übernimmt.
Betätigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützsystem (5) durch ein axial elastisches Stützrohr, insbesondere ein Wellrohr, oder ein axial gestrecktes Gitterrohr ggf. mit Elastomerfüllung in den Durchbrüchen oder durch einen in Umfangsrichtung verstärkten Schlauch (5a) gebildet ist.
Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützsystem durch ein im wesentlichen in Axialrichtung geschlitztes Rohr gebildet ist.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (5c) im wesentlichen in einem gemeinsamen Querschnitt (8) unterbrochen sind.
Verwendung einer durch Fluidkraft aktivierbaren Betätigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche als Aktuator in einem Fahrzeug mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung in Form einer durch gezielte Ansteuerung des Aktuators längenvariablen Strebe.