DE102005025983A1 - Stellantrieb mit integriertem Vorspann- und Wegvergrößerungssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit integriertem Vorspann- und Wegvergrößerungssystem, dessen längenveränderliches Stellelement als elektro- oder magnetostriktiver oder konventioneller Aktuator ausgebildet ist. DOLLAR A Der Stellantrieb besteht aus folgenden Baugruppen: einem Stellantrieb mit einem längenveränderlichen Stellelement (1), insbesondere einem elektrostriktiven Aktuator, mit an den Enden des Stellelements (1) angeordneten Kopfstücken (3). Einem biegeschlaffen Zugelement (2), das beiderseits des Stellelementes (1) und in dessen Längsrichtung verlaufend um das Stellelement (1) und dessen Kopfstücke (3) gespannt ist, und Vorspannmitteln (4) zur Erzeugung einer Zugvorspannung des Zugelements (2). Die Vorspannmittel (4) können als Blattfedern ausgebildet sein, die beiderseits des Stellelementes (1) entlang der zum Stellelement (1) weisenden Innenfläche des Zugelements (2) bogenförmig verlaufend angeordnet sind und sich an den Kopfstücken (3) abstützen. Alternativ können die Vorspannmittel (4) als elastische Volumenelemente ausgebildet sein, die aus Elastomeren oder funktionsgleichen Kunststoffen bestehen und in dem Raum zwischen dem Zugelement (2) und dem Stellelement (1) beiderseits des Stellelementes (1) angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit integriertem Vorspann- und Wegvergrößerungssystem, dessen längenveränderliches Stellelement als elektro- oder magnetostriktiver oder konventioneller Aktuator ausgebildet ist.
• Die klassischen Stellantriebe haben in den letzten Jahren auch mit entsprechender Optimierung hinsichtlich Dynamik eine fast nicht verschiebbare Grenze erreicht. Insbesondere trifft diese Aussage auf elektromagnetische Wandler zu, die auch als Stelleinheiten für Schalt- und Stetigventile in der Fluidtechnik oder in Schalteinheiten (Relais, Schaltschütz etc.) in der Elektrotechnik eingesetzt werden.
• Für die Energieökonomie sind hochdynamische Stellantriebe, die sehr schnell auf Parameteränderungen reagieren können, von großem Interesse. Das betrifft sowohl elektromechanische als auch fluidische Systeme. Eine Verbesserung des Leistungsteils mechatronischer Antriebssysteme führt auf der Steuerungs- und Regelebene zu zusätzlichen Anforderungen. Ein weiterer Aspekt besteht in einer Reduktion der Leistungsaufnahme und im Wirkungsgrad dieser Stellglieder. Zusätzlich zu diesen funktionalen Elementen ergeben sich Forderungen hinsichtlich Baugrößen- und Massenreduzierung, Langzeitstabilität, Werkstoffeinsatz und Fertigung.
• Durch den Einsatz alternativer Aktuatoren in den letzen Jahren konnte eine erhebliche Verbesserung der Dynamik von Stellgliedern erreicht werden. Bekannterweise generieren piezokeramische Aktuatoren als Stellglied eine geringe Verschiebung, entfalten 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 übersetzen. Diese so genannten Wegvergrößerungssysteme (WVS) erzeugen dabei eine Übersetzung im Bereich i= 5 bis 10. Bisher erstellte Systeme setzten sich dabei aus autonomen Bestandteilen, Energiewandler (Aktuator) und WVS, zusammen. Diese Bauart erfordert durch die konstruktive Anordnung einen großen Bauraum und die angekoppelten, insbesondere mechanischen, Getriebe (WVS) führen zu einer Verschlechterung der Dynamik. Der Versuch die Aktuatoren in die Wegvergrößerung zu integrieren ist bisher nur bei den Stapelaktuatoren gelungen. Vorrangig werden hier im Interesse der Vorspannung und Spielfreimachung metallische Feststoffgelenke in einem geschlossenen Rahmen eingesetzt. Die dafür erforderlichen Verformkräfte und die zusätzlichen Nutzkräfte können nur mit Stapelaktuatoren erbracht werden.
• Aus der DE 19643180 A1 und der DE 102004002249 A1 ist ein elektrostriktiver Stellantrieb bekannt, der aus einem längenveränderlichen Stellelement in Form eines elektrostriktiven Stapelaktors besteht, das in einem 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 Verformungskräfte 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 Lösung gemäß DE 19625921 verzichtet vollständig auf Feststoffgelenke und ersetzt den aus der DE 19643180 A1 bekannten elliptischen Rahmen aus biegeelastischem Material durch ein durchgehendes, biegeschlaffes Zugseil bzw. Zugband, das um die Aktuatorenden verläuft. Die Vorspannfunktion des elliptischen Rahmens aus der DE 19643180 A1 wird durch eine separate Federanordnung realisiert. Bei dieser Lösung steht jedoch dem Vorteil des vollständigen Verzichts auf Feststoffgelenke oder mechanische Gelenke ein erhöhter Aufwand zur Erzeugung der Vorspannung gegenüber.
• Ausgehend von dem vorstehend dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorteile eines Stellantriebs, bei dem die auftretenden Zugkräfte von leicht auswechselbaren biegeschlaffen Zugelementen aufgenommen werden, zu kombinieren mit der einfachen und störunanfälligen Erzeugung der Vorspannkräfte, wie dies bei Rahmen aus biegeelastischem Material realisiert wird.
• 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, die aus einem längenveränderlichen Stellelement (elektro- oder magnetostriktiver, z.B. Piezo- oder Terfenolaktor, oder auch konventioneller Aktor), einem biegeschlaffen Zugelement, das um das Stellelement und dessen Kopfstücke gespannt ist, und Mitteln zur Erzeugung einer Zugvorspannung des Zugelements besteht, die als Blattfedern und/oder elastische Volumenelemente ausgebildet sind.
• Der erfindungsgemäße Stellantrieb weist neben der einfachen Montage und der störunanfälligen Erzeugung der Vorspannkräfte insbesondere folgende Vorteile auf:
• – einfache Skalierung des Stellwegs mit der Länge des Stellelements und der Stellkraft mit der Querschnittsfläche des elektro- oder magnetostriktiven Stellelements
• – sehr einfache und preisgünstige Bauform des Stellelements, z.B. als kaschierte Platte aus Piezokeramik
• – Trennung von Wegübersetzungssystem und Vorspanneinheit schafft konstruktive Freiheit
• – Wegübersetzungssystem mit dem biegeschlaffen Zugelement wird nur auf Zug beansprucht. Das Stellelement muss nicht gegen innere Kräfte und Momente des Wegübersetzungssystems anarbeiten, sodass kein Stellweg- bzw. Stellkraftverlust entsteht. Innere Spannungen im Wegübersetzungssystem sind minimal.
• 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.
• Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
• Dabei zeigen 1a eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Stellantriebs in der Draufsicht,
• 1b eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Stellantriebs in der Seitenansicht,
• 2 eine räumliche Darstellung einer Ausführungsform des Stellantriebs nach 1.
• Die in 1a und 1b gezeigte Ausführungsform des Stellantriebs weist ein Stellelement 1 (z.B. Piezoaktor o. Ä.) auf, an dessen Enden Kopfstücke 3 aufgesetzt sind. Durch Integration von Kontaktstellen in die Kopfstücke 3 ist eine einfache und sichere Spannungsversorgung des Stellelements 1 möglich. Über die beiden Kopfstücke 3 ist ein Zugelement 2 gespannt, das unter einem kleinen Winkel gegen das Stellelement 1 geneigt ist: Dieser Winkel bestimmt wesentlich die mit dem Stellantrieb erzielbare Wegvergrößerung. Das Zugelement 2 ist hier als Zugband ausgebildet und kann aus hochfesten Metallen sowie faserverstärkten Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen bestehen. Die Rückstellkraft und die Vorspannung im System wird durch die elastischen Vorspannmittel 4 erzeugt. Die Vorspannmittel 4 sind hier als elastische Volumenelemente ausgebildet, die aus Elastomeren oder funktionsgleichen Kunststoffen bestehen und in dem Raum zwischen dem Zugelement 2 und dem Stellelement 1 beiderseits des Stellelementes 1 angeordnet sind. Die Vorspannmittel 4 können aber auch als Blattfedern ausgebildet sein, die beiderseits des Stellelementes 1 bogenförmig verlaufend angeordnet sind, sich an den Kopfstücken 3 abstützen und das Zugelement 2 spannen. Das Zugelement 2 wird durch die elastischen Vorspannmittel 4 nur auf Zug beansprucht und kann entsprechend in der Festigkeit ausgelegt werden.
• Das Stellelement 1 bewirkt durch seine Kontraktion oder Translation mittels des Zugelements 2 eine Verformung der elastischen Vorspannmittel 4 und erzeugt dadurch eine Abtriebsbewegung in Richtung der beiden in 1b eingezeichneten Pfeile.
• 2 zeigt eine räumliche Darstellung der Ausführungsform des Stellantriebs nach 1. Diese Darstellung zeigt, dass der aus nur 3 Funktionalteilen bestehende Stellantrieb einfach im Aufbau ist und raumsparend sowie kompakt ausgeführt werden kann.

Claims (6)

1. Stellantrieb mit integriertem Vorspann- und Wegvergrößerungssystem, bestehend aus a) einem Stellantrieb mit einem längenveränderlichen Stellelement (1), insbesondere einem elektrostriktiven Aktuator, mit an den Enden des Stellelements (1) angeordneten Kopfstücken (3), b) einem biegeschlaffen Zugelement (2), das beiderseits des Stellelementes (1) und in dessen Längsrichtung verlaufend um das Stellelement (1) und dessen Kopfstücke (3) gespannt ist, und c) Vorspannmittel (4) zur Erzeugung einer Zugvorspannung des Zugelements (2), die ausgebildet sind als c1) Blattfedern, die beiderseits des Stellelementes (1) entlang der zum Stellelement (1) weisenden Innenfläche des Zugelements (2) bogenförmig verlaufend angeordnet sind und sich an den Kopfstücken (3) abstützen, und/oder c2) elastische Volumenelemente, die aus Elastomeren oder funktionsgleichen Kunststoffen bestehen und in dem Raum zwischen dem Zugelement (2) und dem Stellelement (1) beiderseits des Stellelementes (1) angeordnet sind.
2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (2) als Zugseil oder Zugband ausgebildet ist.
3. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (2) aus hochfesten Metallwerkstoffen, faserverstärkten Kunststoffen oder Faserverbundwerkstoffen besteht.
4. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfstücke (3) elektrisch isolierend ausgebildet sind.
5. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfstücke (3) Kontaktstellen zur Spannungsversorgung des Stellelements (1) aufweisen.
6. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (2) mindestens abschnittsweise elektrisch isoliert ausgebildet ist.