DE102005023767A1

DE102005023767A1 - Stellantrieb

Info

Publication number: DE102005023767A1
Application number: DE102005023767A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr.-Ing. Schröder
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem längenveränderlichen Stellelement, insbesondere einem elektrostriktiven Aktuator, und einem die Längenänderung des Stellelements vergrößernden Hebelgetriebe. Das Hebelgetriebe weist gebogene Hebelarme (3) mit an diesen angeordneten, in der Länge an das erforderliche Übersetzungsverhältnis des Getriebes anpassbaren Schenkeln (4) und zwischen den Schenkeln (4) verlaufende Zugelemente (5) auf, die mit einem Ende mittels erster Gelenke (6) an den Hebelarmen (3) und mit dem anderen Ende mittels zweiter Gelenke (9) an einem zwischen den Schenkeln (4) positionierten Zugelementverbinder (7) befestigt sind. Die gebogenen Hebelarme (3) sind in ihrem Scheitelpunkt oder an einem ihrer Arme gestellfest angeordnet, wobei zumindest der Bereich in der Umgebung des Scheitelpunktes der gebogenen Hebelarme (3) und/oder der Abschnitt zwischen diesem Scheitelpunkt und den an den Hebelarmen (3) angeordneten Gelenken (6) aus biegeelastischem Material besteht. Die Zugelemente (5) sind biegeschlaff oder mit einer gegenüber den Hebelarmen (3) geringeren Rückstellkraft ausgeführt. Das längenveränderliche Stellelement (2) stützt sich mit seinen Kopfseiten am Scheitelpunkt der gebogenen Hebelarme (3) sowie am Zugelementverbinder (7) ab und ist zwischen den gebogenen Hebelarmen (3) und den Schenkeln (4) so angeordnet, dass seine Längenveränderung in Längsrichtung der Schenkel (4) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem längenveränderlichen Stellelement, insbesondere einem elektrostriktiven Aktuator, und einem die Längenänderung des Stellelements vergrößernden Hebelgetriebe.
Herkömmliche feinmechanische Stellantriebe auf der Basis elektromagnetischer Wandler sind hinsichtlich Energieökonomie und Dynamik ausgeschöpft. Die durch Führung des Magnetkernes entstehende Hysterese, resultierend aus der Reibung, weiterer elektrischer und magnetischer Verluste, stellen insbesondere für stetig verstellbare Systeme Probleme dar. Hinzu kommt, dass die Verluste zu einer Erwärmung des Systems und damit zu einer weiteren negativen Beeinflussung durch Temperaturdrift führen können. Auf Grund der möglichen Leistung sind diese Stellantriebe für sensible Anwendungen in explosionsgefährdeter Umgebung nur mit großen Einschränkungen nutzbar. Besonders in der Fluid- und Elektrotechnik bei Stellgliedern für Ventile, Relais, Schützen und Schaltelemente sind damit den herkömmlichen Antrieben Grenzen gesetzt.
Für die Energieökonomie sind hochdynamische Stellantriebe, die sehr schnell auf Parameteränderungen reagieren können, von großem Interesse. So sind z.B. für die Reduktion der Schadstoffemission und zur Verbesserung der Energieeffizienz bei Verbrennungsmotoren kennliniengeführte Einspritzvorgänge erforderlich, die eine höhere Dynamik der Einspritzventile voraussetzen.
Analoge Anforderungen sind in der Elektrotechnik bei Relais und Schützen anzutreffen. Speziell der beim Zuschalten durch das Prellen oder beim Trennen der Kontakte entstehende Lichtbogen bereitet Probleme. Besonders beim Drehstromnetz, wo bisher die drei Phasen parallel zu- und abgeschaltet werden, entsteht zwangsläufig ein Lichtbogen. Schnelle pneumatische Stelleinheiten für die Schützbetätigung und Zusatzeinrichtungen für das „Ausblasen" des Lichtbogens führen nur begrenzt zum Erfolg.
Piezokeramische Aktoren führen zu einer erheblichen Verbesserung der Dynamik. Bekannterweise entwickeln piezokeramische Aktoren als Stellglied eine geringe Verschiebung, generieren dabei jedoch eine relativ große Kraft. Diesen Umstand kann man sich zunutze machen und durch Ankoppeln von hydraulischen und/oder mechanischen Getrieben, den Weg zu Lasten der Kraft zu übersetzen, wobei eine Übersetzung im Bereich i = 5 bis 15 bei mechanischen (ebene/räumliche Mechanismen) und hydrostatischen Getrieben realisiert wird. Diese Bauart erfordert durch die konstruktive Anordnung ein relativ großes Bauvolumen und die angekoppelten mechanischen Elemente führen zumeist durch Reibung zu einer Verschlechterung der Dynamik. Der Versuch, die Aktoren in das Übersetzungsgetriebe zu integrieren, ist bisher nur bei den Stapelaktoren zufrieden stellend gelungen. Die Stapelaktoren besitzen jedoch große Kapazitäten und daraus resultierend einen entsprechend hohen Energiebedarf. Aktoren mit relativ großen Verschiebungen (Biegewandler), die keine Wegvergrößerung benötigen, besitzen zwar einen geringeren Energiebedarf, generieren aber auch nur geringe Stellkräfte (< 4 N).
Aus der DE 19643180 A1 und der DE 102004002249 A1 ist ein elektrostriktiver Stellantrieb, der aus einem längenveränderlichen Stellelement in Form eines elektrostriktiven Stapelaktors besteht, das in einen die Längenänderung des Stellelements vergrößernden elliptischen Rahmen aus biegeelastischem Material eingespannt ist. Der Rahmen weist keine definierten Gelenkstellen auf und ist deshalb nur insgesamt und nur durch relativ große Kräfte verformbar. Das längenveränderliche Stellelement ist unter mechanischer Vorspannung innerhalb des elliptischen Rahmens längs dessen Hauptachse angeordnet, während die zulasten der großen Stellkräfte (ca. 40 N/mm²) des Stapelaktors vergrößerten Längenänderungen in Richtung der Nebenachse des elliptischen Rahmens abgegriffen werden. Die erzielbare Übersetzung ist vom Verhältnis der Haupt- und Nebenachse abhängig. Der elliptische Rahmen gemäß DE 19643180 A1 kann als Sonderfall eines rauten- oder parallelogrammförmigen Gelenkvierecks (z.B. US 4937489 A ) mit Feststoffgelenken gelten.
Aus der DE 19739594 C2 ist eine Modifikation des in der DE 19643180 A1 beschriebenen Stellantriebs bekannt, bei der die Feststoffgelenke in mehrere parallele Feststoffgelenke unterteilt sind, wodurch bei gleicher Zugfestigkeit der Gelenkstellen deren Biege-Steifigkeit signifikant verringert und die Randfaserdehnungen an den Biegegelenken, bezogen auf den Biegewinkel, ebenfalls abnehmen und dadurch die Lebensdauer des Stellantriebs erheblich verbessert wird. Diesen Vorteilen steht jedoch eine sehr aufwendige Fertigung des Stellantriebs gegenüber.
Eine andere Modifikation des in der DE 19643180 A1 beschriebenen Stellantriebs ist aus der DE 19625921 A1 bzw. der DE 19625921 C2 bekannt. Die dort beschriebene Lösung verzichtet vollständig auf Feststoffgelenke. Dies wird erreicht, indem die Getriebeglieder aus einem durchgehend um die Aktuatorenden und Getriebeausgänge verlaufenden, biegeschlaffen Zugseil bzw. Zugband bestehen. Im Hinblick auf eine günstige Übersetzungscharakteristik ist das Zugelement nach Art eines rautenförmigen Gelenkvierecks angeordnet, wobei die Vorspannung in einem weiten Wertebereich durch eine quer zur Aktuator-Längsrichtung wirkende Federanordnung realisiert wird. Bei dieser Lösung steht jedoch dem Vorteil des vollständigen Verzichts auf Feststoffgelenke oder mechanische Gelenke einem erhöhten Aufwand zur Reduzierung der Reibung des Zugelementes an dessen Umlenkstellen gegenüber.
Weiterhin ist aus der DE 10107402 A1 ein mittels Mikrostrukturtechnik aus fotosensitivem Glas hergestellter Mikrogreifer bekannt, der eine piezoelektrisch angetriebene kinematische Struktur aufweist. Bei diesem Mikrogreifer sind jedoch, wie aus den 1 und 2 der betreffenden Schrift ersichtlich ist, die in den 1 und 2 dargestellten Feststoffgelenke 9 und 16 sowie 6 und 15 gestellfest. Lediglich das Gelenk 21 bzw. 22 ist ein Losgelenk. Weil zwei Gelenke gestellfest sind, ist das System überbestimmt und damit funktionsunfähig. Ein anderer aus fotosensitivem Glas hergestellter Mikrogreifer ist aus der DE 19648165 A1 bekannt. Die Rückstellkraft wird bei diesem in monolithischer Bauweise ausgeführtem Mikrogreifer durch eine Vielzahl aufwändig aufeinander abzustimmender Feststoffgelenke realisiert.
Ausgehend von dem vorstehend dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorteile eines Stellantriebs, bei dem leicht auswechselbare Zugelemente mit untergeordneter Rückstellkraft und separate Bauelemente zur Erzeugung der Rückstellkraft eingesetzt werden, zu kombinieren mit der einfachen und störunanfälligen Bauweise eines Stellantriebs mit einem einstückig ausgeführten biegeelastischen, elliptischen Rahmen. Die zu ermittelnde Lösung soll es überdies ermöglichen, das Übersetzungsverhältnis des Stellantriebs bzw. die wirksame Rückstellkraft durch Austausch weniger Komponenten zu variieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stellantriebs ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Stellantrieb stellt eine integrierte Einheit zur Kraft- und Bewegungserzeugung dar, bestehend aus einem längenveränderlichen Stellelement (elektro- oder magnetostriktiver, z.B. Piezo- oder Terfenolaktor, oder auch konventioneller Aktor) und einem ebenen Hebelgetriebe als Wegübersetzungssystem, das sowohl mechanische als auch Feststoffgelenke aufweist und einen spielfreien sowie hochdynamischen Betrieb ermöglicht.
Das freie Hebelende kann wahlweise als Gestell oder als Abtrieb genutzt werden. Der aus nur 3 Funktionalteilen bestehende Stellantrieb ist einfach im Aufbau und kann raumsparend sowie kompakt ausgeführt werden, sodass er gegenüber Umwelteinflüssen relativ resistent und robust in der Anwendung ist. Eine einfache Kapselung des Stellantriebs zwischen den Stützstellen und die geringe Leistungsaufnahme des Stellelements ermöglicht die Verwendung der Erfindung in explosionsgefährdeten und elektrosensiblen Bereichen. Der erfindungsgemäße Stellantrieb ist bevorzugt einsetzbar in der hydraulischen und pneumatischen Ventiltechnik (Kolben-/Flachschieber- und Sitzventile), bei elektrischen Schaltorganen (Relais, Schütze) und in vielen Bereichen der Feinmechanik und Mikrosystemtechnik (Medizintechnik etc.). Speziell bei Schaltvorgängen in der Elektrotechnik, z.B. beim Drehstrom, könnten mittels der Erfindung phasenbezogene hochdynamische Schaltvorgänge realisiert werden, die das Phänomen der Lichtbogenbildung vollkommen verhindern.
Eine Ausführung als symmetrisch aufgebautes doppeltes Hebelsystem (1) führt zu einer Verdopplung der Wegvergrößerung. Die biegeelastischen Komponenten des Hebelgetriebes übernehmen gleichzeitig die Erzeugung der Vorspannung und die Systemrückstellung gegen die Verschiebung des Stellelements, wobei die Größe der Vorspannkraft durch die Materialstärke des Feststoffgelenkes an der Stützstelle festgelegt werden kann.
Wird die Stützstelle des Stellelements am gebogenen Hebelarm als Gestell genutzt, können zwei symmetrisch antizyklisch entstehende räumliche Bewegungen als Stellweg genutzt werden.
Bei Einsatz eines gebogenen Hebelarms als Gestell und des zweiten gebogenen Hebelarms als Abtrieb, kann der eine gebogene Hebelarm, da er keine Funktion besitzt, verkürzt ausgeführt werden. Das freigeschnittene Ende des Abtriebs ist in diesem Fall technologisch an den freien Seiten als Stellglied nutzbar. Durch Auslegung der Hebel- und Schenkellängen ist die Wegvergrößerung direkt beeinflussbar. Die Auslegung des Hebels und des Schenkels als Träger gleicher Biegebeanspruchung führt zu einer Masseoptimierung mit entsprechenden positiven Auswirkungen auf die Dynamik.
Als Stellelement ist bevorzugt eine einfache und im Vergleich zu Multilayersystemen preisgünstige Bauform als metallkaschierter Streifen aus Piezokeramik verwendbar. Bei diesem Piezoaktor wird die Querkontraktion als Wegverschiebung genutzt, sodass die Kraft direkt abhängig vom Querschnitt des Piezostreifens ist und zum Betrieb nur ein relativ geringer Energieaufwand (geringe Kapazität) erforderlich ist.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellantriebs,
2 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellantriebs,
3 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellantriebs,
4 eine schematische Seitenansicht einer Variante der Ausführungsform nach 1 und
5 räumliche Darstellung einer Anwendung der Ausführungsform nach 2 in der Ventiltechnik.
Der in 1 gezeigte doppelarmige Stellantrieb besteht aus einem Stellelement 2 (z.B. Piezoaktor o. Ä.) und einem Hebelgetriebe, das gebogene Hebelarme 3, Zugelemente 5, einen Zugelementverbinder 7 und Schenkel 4 aufweist, die in Verlängerung der Hebelarme 3 angeordnet sind. Mindestens der Bereich um den Scheitelpunkt der gebogenen Hebelarme 3 besteht aus elastischem Material und fungiert als Feststoffgelenk 8. Die Rückstellkraft und die Vorspannung im System wird durch das Feststoffgelenk 8 und, soweit verwendet, das elastische Material der gebogenen Hebelarme 3 erzeugt. Die Zugelemente 5 sind über Gelenke 6 mit den Hebelarmen 3 und über Gelenke 9 mit dem Zugelementverbinder 7 verbunden. Das Hebelgetriebe weist Stützstellen für das Stellelement 2 am Zugelementverbinder 7 und am Scheitelpunkt der gebogenen Hebelarme 3 auf, wobei dieser Scheitelpunkt am Gestell 1 angeordnet ist. Die Stützstellen des Stellelements 2 sind isolierend und entsprechend der Kraftübertragung auszuführen. Sie können u. U. zur elektrischen Ankopplung des Stellelements 2 verwendet werden.
Das Stellelement 2 wirkt durch Kontraktion oder Translation auf die Schenkel 4. Eine striktive Bewegung des Aktors bewirkt über die Längenrelation der Zugelemente 5, der gebogenen Hebelarme 3 und der Schenkel 4 eine antizyklische Bewegung an deren Enden. Die Bewegung erfolgt in Bezug auf die gestellfeste Stützstelle am Scheitelpunkt der Hebelarme 3. Die Schenkel 4 werden stetig proportional zur Aktorladung verstellt.
Bei Benutzung eines der Hebelarme 3 (2) als Gestell des Antriebes überträgt sich die durch die achssymmetrische Anordnung der Schenkel 4 nach 1 verdoppelte Bewegung auf den einzelnen Schenkel 4. Das Bewegungs- und Übersetzungsmodell der 2 entspricht dem der 1, ermöglicht jedoch eine Masse- und Baugrößenreduktion.
In 3 wird das System aus 2 durch Zugelemente, die auf die Gelenke 6 wirken, und durch eine Feder 10 mit Einstellmitteln 11 zur Veränderung der Vorspannung der Feder 10 ergänzt, um eine variabel einstellbare Rückstellkraft für den Schenkel 4 zu generieren. Das Gelenk 8 im Bereich des Scheitelpunkts der gebogenen Hebelarme 3 kann als klassisches oder Feststoffgelenk ausgebildet sein. Bei einem Feststoffgelenk 8 summieren oder subtrahieren sich die Federkräfte.
4 zeigt eine Realisierungsvariante der in 1 gezeigten Ausführungsform. Die Zugelemente 5 bestehen hier aus einem flächigen Zugblatt. Der erforderliche Freiheitsgrad entsteht durch elastische Verformung des Zugblattes 5 im Bereich der Stützstelle am Zugelementverbinder 7. Die freien Enden der Zugelemente 5 sind z.B. hakenförmig ausgebildet und greifen in eine schlitzförmige Aussparung des gebogenen Hebelarms 3 ein, wodurch die zwei Gelenke 6 gebildet werden. Bei Verwendung anderer Zugelemente (z.B. biegeschlaffe metallische und nichtmetallische Bänder, Drähte, Seile) ist die Anbindung und Gelenkgestaltung angepasst auszuführen. Das im Scheitelpunkt der gebogenen Hebelarme 3 angeordnete Feststoffgelenk wird, ebenso wie bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen durch verschiedene Varianten der Materialreduktion (z.B. Abschleifen) in Relation zu den Hebelarmen 3 und Schenkeln 4 erzeugt. Der Piezoaktor 2 stützt sich über isoliert angebrachte röhrenförmige Segmente auf der Stützstelle 7 und dem Scheitelpunkt der gebogenen Hebelarme 3 (Feststoffgelenk) ab.
5 zeigt eine räumliche Darstellung einer Anwendung der Ausführungsform nach 2 in der Ventiltechnik. Hierbei befinden sich die in 2 dargestellten Elemente in einem geschlossenen Gehäuse, durch das Leitungen 12 zur Zuführung elektrischer Energie zum Stellelement 2 sowie Anschlussnippel 14 zur Zu- und Abfuhr von Fluiden geführt werden. Im Betrieb steuert der Schenkel 4 die Ventildüsen 13 auf bzw. zu.

Claims

Stellantrieb mit einem längenveränderlichen Stellelement (2), insbesondere einem elektrostriktiven Aktuator, und einem die Längenänderung des Stellelements (2) vergrößernden, in Form eines Gelenkvierecks gestalteten Hebelgetriebe, wobei 1.1 das Hebelgetriebe gebogene Hebelarme (3) mit an diesen angeordneten, in der Länge an das erforderliche Übersetzungsverhältnis des Getriebes anpassbaren Schenkeln (4) und zwischen den Schenkeln (4) verlaufende Zugelemente (5) aufweist, die mit einem Ende mittels erster Gelenke (6) an den Hebelarmen (3) und mit dem anderen Ende mittels zweiter Gelenke (9) an einem zwischen den Schenkeln (4) positionierten Zugelementverbinder (7) befestigt sind, 1.2 die gebogenen Hebelarme (3) in ihrem Scheitelpunkt oder an einem ihrer Arme gestellfest angeordnet sind und zumindest der Bereich in der Umgebung des Scheitelpunktes der gebogenen Hebelarme (3) und/oder der Abschnitt zwischen diesem Scheitelpunkt und den an den Hebelarmen (3) angeordneten Gelenken (6) aus biegeelastischem Material besteht, 1.3 die Zugelemente (5) biegeschlaff oder mit einer gegenüber den Hebelarmen (3) geringeren Rückstellkraft ausgeführt sind, 1.4 das längenveränderliche Stellelement (2) sich mit seinen Kopfseiten am Scheitelpunkt der gebogenen Hebelarme (3) und am Zugelementverbinder (7) abstützt und zwischen den gebogenen Hebelarmen (3) und den Schenkeln (4) so angeordnet ist, dass seine Längenveränderung in Längsrichtung der Schenkel (4) verläuft.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (5) aus elastischem Material bestehen und der Abstand der Gelenke (6) vom Scheitelpunkt der gebogenen Hebelarme (3) kleiner als die halbe Länge der Zugelemente (5) ist.
Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (5) mit einer Rückstellkraft ausgeführt sind, die im Vergleich zur Rückstellkraft der gebogenen Hebelarme (3) mindestens um den Faktor 5 niedriger ist.
Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den gebogenen Hebelarmen (3) angeordneten Gelenke (6) als Drehgelenke oder Feststoffgelenke ausgebildet sind.
Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (5) als Zugblätter ausgebildet sind, deren Schmalseiten in Richtung der Schenkel (4) zeigen.
Stellantrieb nach einem der Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die den gebogenen Hebelarmen (3) zugewandten Enden der Zugelemente (5) hakenförmig ausgebildet sind und zwecks Bildung der Gelenke (6) in eine schlitzförmige Aussparung der gebogenen Hebelarme (3) eingreifen.
Stellantrieb nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (5) und der Zugelementverbinder (7) einstückig ausgebildet sind und aus elastischem Material bestehen.
Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Scheitelpunkts der gebogenen Hebelarme (3) als Feststoffgelenk (8) ausgebildet ist.
Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen des Stellelements (2) am Scheitelpunkt der gebogenen Hebelarme (3) und/oder am Zugelementverbinder (7) elektrisch isolierend ausgebildet sind.
Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (2) ein monolithischer Streifen aus Piezokeramik ist, dessen durch Querkontraktion erzeugte Längenveränderung genutzt wird.
Stellantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmalseiten des Streifens aus Piezokeramik aus der von den Schenkeln (4) aufgespannten Ebene herauszeigen.