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Die
Erfindung betrifft ein Linearbewegungsaktuator gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
solcher Linearbewegungsaktuator ist aus der US-PS 4,806,815 bekannt.
Dieser Linearbewegungsaktuator umfasst ein Betätigungselemente, welches mit
einem Stellelement in Verbindung steht, das gegen die Wirkung eines
Federelementes arbeitet, so dass das Betätigungsglied aus einer Grundposition
in eine Steuerposition bewegbar ist. Das Federelement ist als Zugkraftelement
ausgebildet und greift an einem Ende des Betätigungsgliedes an. Am selben
Ende des Betätigungsgliedes
greift das Stellelement an, welches aus einer Formgedächtnislegierung
hergestellt ist. Solche Stellelemente aus einer Formgedächtnislegierung
weisen den Vorteil auf, dass durch die Ansteuerung über einen
Strom eine Formänderung
ab einer Grenztemperatur erfolgt, wobei die Temperaturänderung
in dem Material aufgrund dessen Widerstandes in Abhängigkeit
der Bestromung erzeugt wird. Sobald das Stellelement sich wieder
abkühlt,
kehrt das Stellelement in seine Ausgangsform aufgrund des Formgedächtnisses
zurück. Bei
der Auslegung eines solchen Linearbewegungsaktuators ist vorgesehen,
dass die Kraft des Stellelementes zumindest geringfügig größer als
die Kraft des Federelementes ist, so dass das Betätigungsglied
aus einer Grundposition in eine Steuerposition überführbar ist.
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Solche
Linearbewegungsaktuatoren weisen den Vorteil einer geräuschlosen
Stellbewegung bzw. Hubbewegung des Betätigungsgliedes auf. Dadurch ist
eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten
gegeben. Diese Linearbewegungsaktuatoren weisen jedoch den Nachteil
auf, dass eine exakte Ansteuerung eines vorbestimmten Arbeitshubes
oder einer vorbestimmten Bewegung zur Einnahme einer Steuerposition
aus einer Grundposition nicht exakt möglich ist, da zum einen die
Formänderung
der Formgedächtnislegierung
sich innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen eines oberen und
unteren Grenzwertes eine nicht konstante Längenänderung zur Folge hat und zum
anderen bei einer längeren
Ansteuerung einer Steuerposition in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur
eine zusätzliche
Dehnung des Stellelementes erfolgen kann, wodurch die Steuerposition
nicht exakt aufrechterhalten werden kann.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Linearbewegungsaktuator
vorzuschlagen, der eine exakte Ansteuerung und exakte Einstellungen
von Steuerpositionen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind in weiteren Ansprüchen
angegeben.
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Durch
die Ausgestaltung eines Linearbewegungsaktuators mit einer Wegmesseinrichtung
zur Erfassung einer Hubbewegung des Betätigungsgliedes zum Überführen in
eine Steuerposition ist ermöglicht,
dass der Linearbewegungsaktuator die Einstellung vorbestimmter Hubwege von
zumindest einem Betätigungsglied
ermöglicht,
so dass eine exakte Einnahme einer Steuerposition gegeben ist. Die
Ansteuerung des Stellelementes steht dabei in Abhängigkeit
des erfassten Hubweges des Betätigungsgliedes.
Die Längenänderung
des Stellelementes wird folglich durch den Steuerstrom in Abhängigkeit
des erfassten Hubwegs bestimmt. Dadurch können während der Ansteuerung des Stellelementes über die Wegmesseinrichtung
verschiedene auf die Hubposition des Betätigungsgliedes einwirkende
Parameter berücksichtigt
werden. Bspw. beeinflussen oder ändern
hohe Umgebungstemperaturen oder Arbeitstemperaturen die Kontraktion
des zumindest einen Stellelementes, so dass bspw. bei einem definierten Strom
die dazu bekannte Kontraktion des Stellelementes sich zusätzlich aufgrund
der Umgebungstemperatur verändert.
Weitere Einflüsse,
wie die Veränderung
einer Kennlinie des Federelementes, Reibung oder dergleichen, können dadurch
ebenfalls bei der Hubbewegung des Betätigungsgliedes in eine Steuerposition
berücksichtigt
werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Wegmesseinrichtung als eine mechanische, induktive, kapazitive,
optische oder als eine elektromagnetische Strahlung umfassende Erfassungseinrichtung ausgebildet
ist. In Abhängigkeit
der Einsatzzwecke, des zur Verfügung
stehenden Einbauraumes und der Genauigkeit des zu überwachenden
Hubweges von dem Betätigungsglied
erfolgt die Auswahl der Erfassungseinrichtung.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
ist durch den Einsatz von Hallsensoren gegeben, wobei ein Element
des Hallsensors, die Hallensonde oder das Magnetelement an oder
nahe dem Betätigungsglied vorgesehen
ist. Dadurch ist der Vorteil gegeben, dass die durch das Stellelement
zu bewegende Masse gering gehalten ist und somit schnellere Stellzeiten
erzielt werden.
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Das
Betätigungsglied
wird nach einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung nach dem Durchfahren eines Hubweges und Überführen in
eine Hubendstellung bzw. in die Steuerposition durch eine Fang-
oder Haltevorrichtung fixiert. Dadurch kann nach dem Fixieren des
Betäti gungsgliedes
die Bestromung des zumindest einen Stellelementes abgeschalten werden.
Dies weist zum einen den Vorteil auf, dass eine Längenänderung
des Stellelementes durch weitere Einflussfaktoren, wie beispielsweise die
Umgebungstemperatur, verhindert wird. Zum anderen ist eine Einsparung
des Stromes gegeben. Zusätzlich
kann durch die Fixierung des Betätigungselementes über die
Fang- oder Haltevorrichtung die exakt eingestellte Position aufrechterhalten
bleiben, so dass dieser Linearbewegungsaktuator auch für Einsätze geeignet
ist, die Schwingungen oder Erschütterungen
unterliegen, wie bspw. in einem Kraftfahrzeug.
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Die
Fang- oder Haltevorrichtung ist als Klemmvorrichtung ausgebildet,
die unmittelbar an dem Betätigungsglied
oder an einem Klemmabschnitt, der mit dem Betätigungsglied in Verbindung
steht, angreift. Dadurch kann eine Sicherung einer stufenlosen Einstellung
des Hubweges gegeben sein. Die Klemmvorrichtung kann bspw. in Form
einer Zweibackenklemmung oder einer Keilfangzange oder dergleichen
ausgebildet sein.
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Alternativ
umfasst die Fang- oder Haltevorrichtung ein Verriegelungselement,
welches in einer verriegelten Position mit einem am Betätigungsglied angeordneten
Rastelement zusammenwirkt. Dadurch können verschiedene Rastpositionen
aufrechterhalten werden. Durch diese Ausführungsform kann eine stufenweise
Einstellung des Hubweges ermöglicht
sein.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass das an dem Betätigungsglied vorgesehene Rastelement
und das daran angreifende Verriegelungselement eine Verzahnung,
eine Rastklinkenanordnung, selbsthemmende Verkeilung oder eine stufenförmige Verkeilung
aufweist. Diese Verriegelung ist derart ausgelegt, dass nach dem
Stromlosschalten des Stellelementes eine selbständige Halteposition des Betätigungsgliedes
in einer Steuerposition aufgrund der auf das Betätigungsglied wirkenden Federkraft
eingenommen wird und aufrechterhalten bleibt.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Verriegelungselement der Fang- oder Haltevorrichtung durch
ein aus einer Formgedächtnislegierung
gebildeten Entriegelungselement angesteuert oder betätigt wird,
durch welches das Verriegelungselement aus einer Verriegelungsposition
in eine Entriegelungsposition herausführbar ist. Dadurch kann eine einheitliche
Ansteuerung des Betätigungsgliedes
und des Verriegelungselementes durch das aus einer Formgedächtnislegierung
ausgebildete Stellelement und Entriegelungselement vorgesehen sein.
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Zur Überführung des
Betätigungsgliedes
aus einer Steuerposition in eine Grundposition ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass vor dem
Entriegeln des Betätigungsgliedes
das an dem zumindest einen Betätigungsglied
angreifende Stellelement angesteuert wird, so dass dieses Stellelement
in seiner Hublänge
auf eine geringfügig
gegenüber
der geregelten Hubposition verkürzten
Hublänge
einstellbar ist. Dadurch wird ermöglicht, dass das Betätigungsglied
sanft aus der verriegelten Steuerposition zumindest geringfügig angehoben
wird, bevor das Entriegelungselement angesteuert wird, um das Verriegelungselement
aus seiner Klemmung, Verkeilung, Verzahnung oder dergleichen zum
Betätigungsglied
zu lösen.
Durch eine solche Ansteuerung können
sanft ansteigende Bewegungskennlinien für eine erschütterungsfreie
Stellbewegung erzielt werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das zumindest eine Stellelement ab einer Aufheiztemperatur von
mehr als 70 °C
aktivierbar ist. Diese Grenztemperatur für Formgedächtnislegierungen weist den Vorteil
auf, dass ohne Stromversorgung eine Kontraktion bzw. eine Änderung
in der Länge
nicht erfolgt, wodurch die Beibehaltung der Grundposition sichergestellt
ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zur Umkehr der Bewegungsrichtung des Betätigungsgliedes zumindest ein
einachsig gelagerter Hebelmechanismus vorgesehen ist. Dadurch wird
ermöglicht,
dass die Hubbewegung des Betätigungsgliedes
gleichsinnig zur Kraftrichtung des Federelementes ausgerichtet werden
kann. Darüber
hinaus können
auch weitere Getriebeelemente vorgese hen sein, die eine Umlenkung
der Hubbewegung in eine davon abweichende Bewegungsrichtung ermöglichen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Stellelement zur Vergrößerung des
Hubweges an zumindest einem Umlenkelement anliegt, um die Länge des Stellelementes
zu vergrößern. Zumeist
finden Drähte aus
einer Formgedächtnislegierung
Einsatz, die bspw. aus einer NiTi-Legierung, aus einer Legierung aus
Cu-Basis oder Fe-Basis oder aus einem Memoriekunststoff hergestellt
sind. Diese Drähte
ermöglichen
in Abhängigkeit
des Durchmessers eine Längenänderung
bis zu acht Prozent, so dass bei größer erforderlichen Hubwegen
die Umlenkelemente eine platzsparende Anordnung von langen Stellelementen ermöglicht.
Zusätzlich
kann ein Seilzugsystem oder weitere Getriebe zwischengeschalten
sein, um eine Wegübersetzung
zu erzielen
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Beispiele näher
beschrieben und erläutert.
Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale
können
einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Linearbewegungsaktuators,
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2 eine
perspektivische Ansicht von hinten des Linearbewegungsaktuators
gemäß 1,
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3 eine
schematische Draufsicht auf den Linearbewegungsaktuator gemäß 1 und
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4 eine
schematische Ansicht eines teilfreigeschnittenen Linearbewegungsaktuators
gemäß 1.
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In
den 1 bis 4 ist ein Linearbewegungsaktuator 11 in
mehreren Perspektiven dargestellt. Solche Linearbewegungsaktuatoren 11 werden insbesondere
in Heizungs-, Lüftungs-
und Klimaanlagen oder -systemen, vorzugsweise in der Gebäudetechnik
sowie in der Fahrzeugtechnik, wie Fahrzeuge zu Wasser, auf dem Land
und in der Luft eingesetzt. Ein Betätigungsglied 12 des
Linearbewegungsaktuators 11 ist in einer Grundstellung 14 angeordnet
ist. Der Linearbewegungsaktuator 11 umfasst ein Wegbegrenzungselement 16,
welches im Ausführungsbeispiel
als Grundplatte ausgebildet ist. An diesem Wegbegrenzungselement 16 liegt
ein Auflageabschnitt 17 des Betätigungsgliedes 12 zur
Einnahme der Grundstellung 14 auf. Auf dem Wegbegrenzungselement 16 ist
bspw. ein Rahmenteil 18 befestigt, welches auch zweiteilig
oder mehrteilig ausgebildet sein kann. Dieses Rahmenteil 18 nimmt
in einem Zwischenraum 19 Umlenkelemente 21, insbesondere
Umlenkrollen, auf, über
welche Stellelemente 22 aus einer Formgedächtnislegierung
zwischen dem Betätigungsglied 12 und
einem Befestigungselement 23 geführt und umgelenkt sind. Die
Befestigungselemente 23 sind bspw. als Klemmplatten ausgebildet, welche über eine
lösbare
Schraubverbindung die Stellelemente 22 zum Rahmenteil 18 fixiert.
Gleichzeitig ist dadurch auch das Aufbringen einer Vorspannung ermöglicht.
Alternativ können
das oder die Stellelemente 22 auch durch eine unlösbare Verbindung, beispielsweise
durch Löten,
Kleben, Klemmen oder Schweißen,
zum Rahmenteil 18 oder Gehäuse befestigt sein.
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Zwischen
einem oberen Endabschnitt 25 des Betätigungsgliedes 12 und
einem Gegenlager 26, welches am Rahmenteil 18 vorgesehen
ist, greift ein Federelement 28 an, welches das Betätigungsglied 12 in
der Grundeinstellung 14 positioniert. Dieses Federelement 28 kann
als Spiraldruckfeder, kunststoffelastisches Element oder dergleichen
ausgebildet sein.
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Zur
Ansteuerung des bzw. der Stellelemente 12 wird ein Stromkreis
geschlossen und ein vorbestimmter Betrag an Strom dem Stellelement 22 zugeführt. Dadurch
erfolgt eine Kontraktion der Stellelemente 22, wodurch
das Betätigungsglied 12 aus
einer Grundstellung 14 in eine Steuerposition 31 gemäß 2 übergeführt wird.
Diese Steuerposition 31 kann eine Hubendstellung als auch
eine Zwischenposition zwischen der Grundposition 14 und
der Hubendstellung darstellen. Zur Überwachung des Hubweges und
insbesondere zur exakten Einstellung einer Steuerposition ist eine
Wegmesseinrichtung 33 vorgesehen, welche die Veränderung
des Hubweges bzw. den Abstand des Betätigungsgliedes 12 zu
einer Grundposition 14 erfasst.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist der Einsatz eines Hallsensors als Wegmesseinrichtung 33 vorgesehen.
Beispielsweise ist ein Magnetelement 36 des Hallsensors
an einem Flanschring 37 oder sonstigen Abschnitt des Betätigungsgliedes 12 angeordnet.
Die Hallsonde 38 der Wegmesseinrichtung 33 ist
am Rahmenteil 12 oder gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 an
einem Gehäuseabschnitt 39 vorgesehen,
der dem Betätigungsglied 12 zugeordnet
ist. Die Wegmesseinrichtung 33 ist mit einer Steuerung 41 verbunden,
welche gleichzeitig auch die Bestromung der Stellelemente 22 ansteuert.
In Abhängigkeit
des erfassten Hubweges wird die Stromzufuhr erhöht oder verringert bzw. abgeschalten,
um den vorbestimmten Hubweg zur Einnahme der gewünschten Steuerposition 31 anzusteuern.
Eine Steuerspannung der Wegmesseinrichtung 33 kann als
Ausgangssignal zur optischen, akustischen und/oder elektronischen
Anzeige des Hubwegs verwendet werden. Alternativ kann auch eine
mechanische Anzeige, beispielsweise über einen ausfahrbaren Stift,
vorgesehen sein.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 bis 4 sind
beispielsweise zwei Stellelemente 22 zur Betätigung des
Betätigungsgliedes 12 vorgesehen.
Aufgrund der Parallelschaltung der Stellelemente 22 kann
die Kraft bei gleichem Hubweg verdoppelt werden. Die Umlenkung der
Stellelemente 22 kann auch mehrfach vorgesehen sein, um
die gewünschte Gesamtgröße der Hubbewegung
zu erzielen, da im Allgemeinen die Stellelemente 22 sich
in Längsrichtung
bis zu 8 % der Länge
kontrahieren. Die Anzahl der Stellelemente 22 sowie deren
Ausbildung steht in Abhängigkeit
zur aufzubringenden Kraft für
die Stellbewegung durch das Betätigungsglied 12.
In Abhängigkeit
dazu wird das Federelement 28 ausgebildet, dessen Druckkraft
geringer ist als die Kontraktionskraft der oder des Stellelementes 22.
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Das
Betätigungsglied 12 weist
zumindest einen Stift oder Bolzen 43 oder ein sonstiges
Element mit einer Schalt- oder Steuerfläche auf, der unmittelbar zur
Ansteuerung eines Elementes oder zur Aufnahme eines Adapterelementes
mit einer vergrößerten oder
auf die Betätigungsaufgabe
angepassten Angriffsfläche
vorgesehen ist.
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In
den 1, 2 und 4 ist des
Weiteren eine Fang- oder Haltevorrichtung 46 vorgesehen, welche
nach dem Überführen des
Betätigungsgliedes 12 aus
einer Grundposition 14 in eine Steuerposition 31 an
dem Betätigungsglied 12 angreift
und diese Steuerposition 31 sichert. In dem Gehäuseabschnitt 39,
welcher ein Teil der Fang- oder Haltevorrichtung 46 ist,
wird abweichend zur Bewegungsrichtung des Betätigungsgliedes 12 ein
Verriegelungselement 48 verschiebbar geführt, so
dass das Verriegelungselement 48 an Rastelementen 49 des
Betätigungsgliedes 12 angreift.
Im Ausführungsbeispiel sind
die Rastelemente 49 als Stufen- bzw. Treppenabschnitte ausgebildet,
so dass in Abhängigkeit
der Höhe
der Steuerposition 31 die erste, zweite oder dritte Treppenstufe
an dem Verriegelungselement 48 aufliegt und eine verriegelte
bzw. gesicherte Steuerposition 31 vorgesehen ist. Das Verriegelungselement 48 wird über ein
federelastisches Element 50 auf das Betätigungsglied 12 zubewegt,
so dass das Verriegelungselement 48 in Abhängigkeit
der Hubposition automatisch an einem Rastelement 49 angreift.
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An
dem Verriegelungselement 48 greift ein Entriegelungselement 51 an,
welches ebenfalls aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt
ist. Dieses Entriegelungselement 51 ist ebenfalls wie das Stellelemente 22 als
Draht ausgebildet und wird über Umlenkrollen 21 zu
den Befestigungselementen 23 geführt und fixiert. Eine gemeinsame
Steuerung ist für
die Bestromung des Stellelementes 22 als auch des Entriegelungselementes 51 vorgesehen.
Damit eine hinreichender Stellweg erzielt wird, führt bspw. das
Befestigungselement 23 gemäß 2, welches ein
Entriegelungselement 51 aufnimmt, zum Verriegelungselement 48,
welches in dem linken Gehäuseabschnitt 39 angeordnet
ist.
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Zum
Entriegeln der Fang- oder Haltevorrichtung 46 ist vorgesehen,
dass die Stellelemente 22 bestromt werden, so dass das
Betätigungsglied 12 zumindest
minimal nach oben bewegt wird. Gleichzeitig wird das Entriegelungselement 51 bestromt, wodurch
die Verriegelungselemente 48 nach dem zumindest geringfügigen Abheben
des Betätigungsgliedes 12 in
eine Entriegelungsposition überführbar sind.
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Die
Fang- oder Haltevorrichtung 46 kann alternativ auch dadurch
ausgebildet sein, dass eine Verzahnung oder Verkeilung vorgesehen
ist, um das Betätigungsglied 12 in
einer Steuerposition 31 zu fixieren. Ebenso können verschiedentliche
Rampen oder dergleichen vorgesehen sein, um einzelne Steuerpositionen
zu fixieren und ein erleichtertes Herausfahren oder eine Einnahme
der Steuerposition ermöglichen.
Alternativ können
Klemmbacken oder Keilschuhe oder dergleichen vorgesehen sein, die
an einen komplementären
Abschnitt angreifen, der an dem Betätigungsglied 12 vorgesehen
ist.
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Die
Formgedächtnislegierung
wird bevorzugt derart gewählt,
dass diese erst ab einer Temperatur von bspw. 70 °C beginnt
sich zu kontrahieren. Dadurch wird einerseits eine Kontraktion bei üblichen Umgebungstemperaturen
verhindert, andererseits kann auch ein schnelles Ansprechen ermöglicht werden.
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Die
in den 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform
ist lediglich beispielhaft. Der Einsatz der Wegmesseinrichtung 33 kann
an jeglichen weiteren Linearbewegungsaktuatoren 11 vorgesehen sein,
welche Stellelemente 22 aus einer Formgedächtnislegierung
einsetzen.
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Der
Linearbewegungsaktuator 11 kann in Abhängigkeit der Anwendungsfälle modular
aufgebaut sein. Beispielsweise ist in einer ersten Ausführungsform
die Fang- oder Haltevorrichtung 46 nicht vorgesehen. Ein
solcher Linearbewegungsaktuator wird für eine Zweipunktregelung eingesetzt,
bei dem das Betätigungsglied 12 in
einer Grundposition 14 oder einer Steuerposition 31 angeordnet
ist, wobei eine der beiden Endpositionen durch eine Bestromung aufrechterhalten
wird. Alternativ zur Zweipunktregelung ohne Fang- oder Haltevorrichtung 46 kann
der Linearbewegungsaktuator 11 auch mit der Fang- oder
Haltevorrichtung 46 vorgesehen sein. Dadurch ist ermöglicht,
dass einer der beiden Endpunkte durch die Fang- oder Haltevorrichtung durch
die Fang- oder Haltevorrichtung 46 gehalten und ohne Bestromung über eine
längere
Zeitdauer gesichert ist.
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Alternativ
kann der Linearbewegungsaktuator 11 auch als Mehrstufenregler
vorgesehen sein. Die Fang- oder Haltevorrichtung 46 weist
mehrere Raststufen auf, welche das Betätigungsglied 12 in Zwischenpositionen
zwischen einer Grundposition 14 und einer gegenüberliegenden
Endposition fixiert.
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Darüber hinaus
ist dieser Linearbewegungsaktuator 11 auch als Proportionalregler
einsetzbar. Dabei wird der Hub über
die Bestromung eingestellt, wobei insbesondere die Hubbewegung über die Wegmesseinrichtung 33 überwacht
wird.
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Alle
vorgenannten Merkmale sind jeweils für sich erfindungswesentlich
und können
beliebig miteinander kombinierbar sein.