-
Die
Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem längenveränderlichen
Stellelement und einem von dem Stellelement angetriebenen mechanischen Wegvergrößerungssystem.
Der Stellantrieb ist insbesondere zur Verwendung mit einem als elektrostriktiver
oder magnetostriktiver Aktuator ausgebildeten Stellelement geeignet.
-
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. Das betrifft sowohl elektromechanische als auch fluidische
Systeme.
-
Die
ganzheitliche Systemintegration stellt zusätzliche Anforderungen an alle
Bestandteile eines Antriebssystems, auch die Ansteuerung und Regelung.
Ein weiterer Aspekt besteht in einer Reduktion der Leistungsaufnahme
und im Wirkungsgrad von Stellgliedern. Zusätzlich zu diesen funktionalen
Elementen ergeben sich Forderungen an eine Baugrößen- und Massenreduzierung,
die Langzeitstabilität, den
Werkstoffeinsatz und die Fertigung. Die Nutzung einer einheitlichen
Kinematik für
Wegvergrößerungssysteme
mit alternativen Aktoren für
unterschiedliche Baugrößen und
Leistungen ist nicht oder nur eingeschränkt möglich, d. h. Biegewandler,
monolithische oder Stapelaktoren benötigen spezifische Wegvergrößerungssysteme.
-
In
der Vergangenheit wurden elektromagnetische Stellglieder eingesetzt,
z. B. in der Fluidtechnik (Hydraulik und Pneumatik) bei Ventilen,
in der Elektrotechnik bei Relais-, Schütz- und Schaltelementen. Genügten die
mechanischen Ausgangsgrößen nicht den
Erfordernissen, wurde eine Vorsteuerung eingesetzt, die der Dynamik
abträglich
war. Diese über Jahrzehnte
angewandte und bewährte
Technik, nutzte sowohl im Schalt- als auch im Stetigbereich Schalt- oder
Proportionalmagnete. So sind in der Fluidtechnik im Ventilbereich
für Schaltventile
die Schaltmagnete und im Stetigventilbereich Proportionalmagnete oder
Torquemotoren zu finden. Diese Energiewandler haben hinsichtlich
Dynamik und Stellkraft im Bereich der direkten Steuerung ihre Grenzen
erreicht. So setzen dynamische Probleme auch in der Einspritztechnik
bei Verbrennungsmotoren elektromagnetischen Lösungen Grenzen. Für die Reduktion
der Schadstoffemission und zur Verbesserung der Energieeffizienz
bei Verbrennungsmotoren sind 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 gleichzeitig zu- und
abgeschaltet werden, entsteht zwangsläufig ein Lichtbogen. Schnelle
pneumatische Stelleinheiten für
die Schüttbetätigung und
Zusatzeinrichtungen für
das „Ausblasen” des Lichtbogens
führen
nur begrenzt zum Erfolg.
-
Erste
Einsatzfälle
alternativer Aktoren in den letzen Jahren führten 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.
Diese so genannten Wegvergrößerungssysteme
(WVS) erzeugen dabei eine Übersetzung
im Bereich i = 5 bis 15 bei mechanischen (ebene/räumliche
Mechanismen) und hydrostatischen Getrieben. Die Stellglieder setzten
sich dabei aus autonomen Bestandteilen (Energiewandler Aktor und
Magnet, WVS) zusammen. 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. Die bei solchen Systemen
erforderliche Vorspannung, Spielfreimachung und Wegvergrößerung erfolgen über metallische
Feststoffgelenke in einem geschlossenen Rahmen. Die Verformkräfte und
die zusätzlichen
Nutzkräfte
werden durch den Stapelaktor erzeugt. Die großen Stellkräfte (ca. 40 N/mm2)
werden zu Lasten der Wegvergrößerung proportional
reduziert. Die Aktoren besitzen relativ große Kapazitäten und daraus resultierend
einen entsprechenden Energiebedarf. Aktoren mit relativ großen Verschiebungen
(Biegewandler), die keine Wegvergrößerung benötigen, besitzen einen geringeren
Energiebedarf, generieren aber auch nur geringe Kräfte (< 4 N).
-
Der
Versuch, die Aktoren in die Wegvergrößerung zu integrieren, ist
bisher nur bei den Stapelaktoren zufrieden stellend gelungen. Aus
der
DE 196 43 180
A1 und der
DE
10 2004 002 249 A1 ist ein elektrostriktiver Stellantrieb
bekannt, der aus einem längenveränderlichen
Stellelement in Form eines elektrostriktiven Stapelaktors besteht,
das unter mechanischer Vorspannung in einem die Längenänderung
des Stellelements vergrößernden
elliptischen Rahmen aus biegeelastischem Material eingespannt ist.
Das längenveränderliche
Stellelement ist innerhalb des elliptischen Rahmens längs dessen
Hauptachse angeordnet; es stützt
sich im Bereich der Hauptscheitel des elliptischen Rahmens auf dessen Innenseite
ab. Die zulasten der großen
Stellkräfte (ca.
40 N/mm
2) des Stapelaktors vergrößerten Längenänderungen
werden in Richtung der Nebenachse des elliptischen Rahmens abgegriffen.
Die erzielbare Übersetzung
ist vom Verhältnis
der Haupt- und Nebenachse abhängig.
Der Rahmen weist keine definierten Gelenkstellen auf und ist deshalb
nur insgesamt und nur durch relativ große Kräfte verformbar. Die Fertigung
und Montage eines derartigen Stellantriebs ist aufwendig. Nachteilig
ist auch, dass sich die wirksame Rückstellkraft im Betrieb nur
sehr aufwändig
an unterschiedliche Anforderungen anpassen lässt.
-
Die
US 4 570 095 A offenbart
eine zu den zwei vorgenannten Lösungen
funktionell vergleichbare Lösung,
wobei jedoch hier das die Wegvergrößerung erzeugende biegeelastische
Element quasi als halbe Ellipse ausgebildet ist und das längenveränderliche
Stellelement nicht unmittelbar auf das biegeelastische Element wirkt,
sondern über
eine Hebelanordnung. Gemäß der
US 4 570 095 A wird
die Längenänderung
des Stellelements auf zwei symmetrisch angeordnete L-förmige Hebelarme übertragen, wodurch
sich der Abstand der freien Enden der Hebelarme entsprechend dem
gewählten Übersetzungsverhältnis ändert. Zwischen
den freien Enden der Hebelarme ist als biegeelastisches Element
eine schwach gekrümmte
bogenförmige
Biegefeder angeordnet. Eine Abstandänderung der freien Enden der L-förmigen Hebelarme
führt somit
zur Änderung
der Krümmung
der Biegefeder, also zu einer senkrecht zur Längsachse der Biegefeder gerichteten,
vergrößerten Auslenkung
des Scheitelpunkts der Biegefeder.
-
Eine
Modifikation des in der
DE
196 43 180 A1 beschriebenen Stellantriebs ist aus der
DE 196 25 921 A1 bzw.
der
DE 196 25 921
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.
-
Aus
der
DE 10 2005
023 767 A1 ist ein Stellantrieb mit einem längenveränderlichen
Stellelement bekannt, das innerhalb eines als Gelenkviereck gestalteten
Hebelgetriebes angeordnet ist. Das Gelenkviereck besteht aus einem
elastischen, u-förmig
gebogenen Bereich und zwei gleichlangen Zugelementen, die sich innerhalb
der Schenkel des gebogenen Bereichs erstrecken. Ein Ende jedes Zugelements
ist mit Abstand zur Symmetrieachse des gebogenen Bereichs an je
einem Schenkel des gebogenen Bereichs gelenkig angeordnet. Die freien
Enden der beiden Zugelemente sind an einem Zugelementverbinder gelenkig
angeordnet. Das längenveränderliche Stellelement
stützt
sich am Scheitelpunkt des u-förmig
gebogenen Bereich und dem Zugelementverbinder ab.
-
Ausgehend
von dem vorstehend dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen einfach montierbaren Stellantrieb anzugeben,
bei dem Reibung zwischen beweglichen Teilen weitgehend reduziert
ist, das Übersetzungsverhältnis des
Stellantriebs durch leicht austauschbare Komponenten verändert werden
kann und die wirksame Rückstellkraft
einstellbar ist.
-
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, angetrieben durch ein längenveränderliches
Stellelement, das als elektro- oder magnetostriktiver oder auch
konventioneller Aktor ausgebildet ist. Das aus wenigen Komponenten
bestehende mechanische Wegvergrößerungssystem übernimmt gleichzeitig
die Erzeugung der Vorspannung und die Systemrückstellung gegen die Verschiebung
des Stellelements.
-
Bei
dem Stellelement kann es sich um eine einfache preisgünstige Bauform
handeln, z. B. einen Aktor in Form eines metallkaschierten Streifens
aus Piezokeramik, oder um strukturierte Aktoren, z. B. piezokeramische
Stapelaktoren oder magnetostriktive Materialien. Bei zuerst aufgeführtem Aktor
wird die Querkontraktion als Wegverschiebung genutzt. Die Kraft
ist damit direkt abhängig
vom Querschnitt des Piezostreifens. Eine Längsschichtung des Aktorstreifens
(Multilayerausführung)
kann zur Reduktion der Betriebsspannung genutzt werden. Bei piezokeramischen
Stapelaktoren können
sowohl röhrenförmige als
auch quaderförmige
Bauformen eingesetzt werden. Bei den magnetostriktiven Aktoren sind
zylindrische Bauformen vorzuziehen. Es können auch herkömmliche
Aktoren wie Magnete, Schraubtriebe, fluidische Antriebe etc. verwendet
werden.
-
Das
günstige
Masse-Leistung-Verhältnis
des Stellantriebs ermöglicht
die Nutzung einer einheitlichen Kinematik für ein Wegvergrößerungssystem
für unterschiedliche
Bauformen, -größen und
Leistungen.
-
Durch
eine Kombination von zwei Biegefedern aus gleichem oder unterschiedlichem
Werkstoff und gleichen oder unterschiedlichen Krümmungen und Abmessungen sind
das Übersetzungsverhältnis und
resultierende Federsteifigkeiten in einem weiten Bereich variierbar.
Bei gleichen Parametern der zwei verwendeten Biegefedern entsteht
ein Wegvergrößerungssystem,
bei welchem an den Kontaktstellen zwischen den beiden Biegefedern
keine Relativbewegung und damit keine mechanische Reibung entsteht.
Damit ist ein hysteresefreier Betrieb des Wegvergrößerungssystem
gegeben.
-
Durch
die Gestaltung der Radien der zwei Biegefedern, durch den Winkel
des Biegesegmentes (Biegefeder 2) und die Länge des an der ersten Biegefeder
angeordneten Hebelarms ist die Wegübersetzung proportional und
die Kraftübersetzung
umgekehrt proportional direkt beeinflussbar. Die Auslegung des Hebelarms
als Träger gleicher
Biegebeanspruchung führt
zu einer Masseoptimierung mit entsprechenden positiven Auswirkungen
auf die Dynamik.
-
Die
einfache Montier- und Demontierbarkeit der Komponenten ermöglicht es
insbesondere durch Austausch lediglich der zweiten Biegefeder, das Übersetzungsverhältnis und
die resultierende Federsteifigkeit zu verändern.
-
Der
einstellbare Zuganker ermöglicht
eine einfache Montage, Erzeugung der Vorspannung und Justierung
des Stellantrieb sowie den Einbau aller Arten von klassischen und
alternativen Aktoren in das Wegvergrößerungssystem. Das Wegvergrößerungssystem,
mit dem Übersetzungen
(i > 20) in größeren Wegbereichen
realisierbar sind, kann sowohl in der Mikrosystemtechnik als auch
in skalierter Bauform für große Stellglieder
Verwendung finden.
-
Die
Kraft- und Wegrelation an dem erfindungsgemäßen Stellantrieb prädestiniert
ihn für
den Einsatz in der hydraulischen und pneumatischen Ventiltechnik
(Kolben-/Flachschieber-,
Sitz- und Membranventile), bei elektrischen Schaltorganen (Relais,
Schütze)
und in vielen Bereichen der Feinmechanik und Mikrosystemtechnik
(Medizintechnik etc.). Da der Aufbau einfach (nur 3 Funktionalteile) und
kompakt ausgeführt
werden kann, ist das System gegenüber Umwelteinflüssen relativ
resistent und robust in der Anwendung. Die räumliche Integration der Teile
führt zu
einem Stellantrieb mit geringen geometrischen Abmaßen.
-
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
mit gestellfestem Zuganker,
-
2 eine
schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellantriebs
mit gestellfestem Hebelende der ersten Biegefeder,
-
3 und 4 eine
Darstellung zweier Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Stellantriebs
nach 2 mit einem röhrenförmigen Stellelement,
das den Zuganker umschließt,
-
5 und 6 eine
Darstellung zweier Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Stellantriebs
nach 2 mit einem Stellelement, das zwischen den Schenkeln
eines zweischenkligen Zugankers angeordnet ist.
-
Der
in 1 gezeigte Stellantrieb besteht aus einer ersten
bogenförmigen
Biegefeder 5, an deren beiden freien Enden jeweils ein
Hebelarm 1 einstückig
angeformt ist, dessen Länge
entsprechend dem erforderlichen Übersetzungsverhältnis gewählt ist.
Eine zweite bogenförmige
Biegefeder 6 stützt
sich mit ihren Enden auf der konkaven Innenseite der ersten Biegefeder 5 ab.
Eine Kopffläche
eines längenveränderlichen
Stellelements 2, z. B. ein Piezoaktor, stützt sich
einerseits am Scheitelpunkt der zweiten Biegefeder 6 und
andererseits an einem der Biegefeder 6 abgewandten Ende
eines Zugankers 3 ab. Das andere Ende des Zugankers 3 ist
gemäß 1 gestellfest
ausgeführt
und stützt
sich unter Erzeugung einer Vorspannung der beiden Biegefedern 5; 6 an dem
Scheitelpunkt der ersten Biegefeder 5 ab. Bei einer Längenänderung
des Stellelements 2 führen
die Enden der Hebelarme 1 eine als Stellgröße nutzbare gegensinnig
wirkende Bewegung aus.
-
Im
Unterschied zu der Ausführungsform nach 1 weist
die Ausführungsform
nach 2 einen Stellantrieb mit einer ersten bogenförmigen Biegefeder 5 auf,
deren eines Ende gestellfest ist und an deren anderem Ende ein Hebelarm 1 einstückig angeformt
ist. Gegenüber
der in 3 dargestellten Variante verdoppelt sich hier – bei gleicher
Längenänderung
des Stellelements 2 – die
Auslenkung des Hebelarms 1.
-
Die 3 bis 6 zeigen
spezielle Varianten der in 2 dargestellten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Stellantriebs.
Es ist ausdrücklich hervorzuheben,
dass die in den 3 bis 5 dargestellten
Maßstäbe nur die
Größe der nach
der Erfindung hergestellten speziellen Erprobungsmuster veranschaulichen
sollen. Der erfindungsgemäße Stellantrieb
und die zu seiner Herstellung verwendeten Bauteile sind jedoch hinsichtlich
ihrer Abmessungen oder ihrer Proportionen zueinander keinesfalls auf
die aus den vorgenannten Figuren entnehmbaren Maße eingeschränkt.
-
Die
in 3 und 4 dargestellten Varianten besitzen
ein röhrenförmiges Stellelement 2,
das den Zuganker 3 umschließt. Diese Varianten unterscheiden
sich in der Ausbildung des Widerlagers, an dem sich die den Biegefedern 5; 6 abgewandte
Kopffläche
des Stellelements 2 abstützt. Das Widerlager gemäß 3 ist
als Biegefeder ausgebildet, die sich bezüglich Werkstoff, Krümmung und
Abmessungen von der zweiten Biegefeder 6 unterscheidet
und bei Bedarf gegen die Biegefeder 6 austauschbar ist,
um das Übersetzungsverhältnus und/oder
die Rückstellkraft
zu verändern.
Die vom Zuganker 3 erzeugte Vorspannung kann durch Montage-,
Justier- und Einstellmittel auf einen vorgebbaren Wert eingestellt werden
Diese Mittel sind in 3 und 4 symbolisch
durch an den Enden des Zugankers 3 angeordnete Spannelemente
in Form von Muttern dargestellt.
-
Bei
den in 5 und 6 gezeigten Varianten ist der
Zuganker 3 zweischenklig ausgeführt und außerhalb des Stellelements 2 angeordnet.