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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patentanspruch 1.
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DE 199 52 946 A1 beschreibt
eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
in Form eines piezoelektrischen Antriebs, der auch als Piezoringmotor
bezeichnet wird. Ein Antriebskörper,
welcher einen ringförmigen
Körper
aufweist, hat eine durch diesen hindurchführende Antriebskörperöffnung.
Durch die Antriebskörperöffnung führt eine
Welle, wobei ein Außenumfang
der Welle geringfügig
geringer als ein Innenumfang der Antriebskörperöffnung ist. Im Betrieb zum
Antreiben der Welle ist eine zentrale Längs- bzw. Rotationsachse der
Welle so gegenüber
einer zentralen Achse der Antriebskörperöffnung versetzt, dass die Welle
mit ihrem Außenumfang
im Betrieb an zumindest einem Punkt des Innenumfangs der Antriebskörperöffnung form-
oder reibschlüssig
anliegt. Mittels eines ersten und eines zweiten Festkörper-Aktors
ist der Antriebskörper
in eine zweidimensionale translatorische Bewegung in einer Ebene senkrecht
zu der Wellenachse antreibbar, wodurch die Welle in Rotation versetzt
wird.
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Die
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
als ein Stellantrieb zeichnet sich unter anderem durch ein hohes
Drehmoment, eine hohe Stellgenauigkeit, eine flache Bauform und
inhärente
Sensoreigenschaften aus.
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4 zeigt
eine beispielhafte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik. Ein Antriebskörper 1 weist
eine zentrale durch diesen hindurchführende Antriebskörperöffnung 2 auf,
durch welche eine Welle 3 führt. die Antriebskörperöffnung 2 hat
einen geringfügig
größeren Innendurchmesser
als ein Außendurchmesser
der Welle 3. Die Antriebskörperöffnung 2 und die Welle 3 stehen in
Reibschluss und/oder Formschluss zueinander, so dass durch eine
translatorische Bewegung des Antriebskörpers 1 in einer Ebene
x, y senkrecht zu einer Wellenachse Z* und einer Antriebskörperöffnungsachse
Z die Welle 3 in eine Rotation versetzbar ist. Der Antriebskörper 1 ist über zwei
oder mehr Aktoren 4 gegenüber einem Gehäuse 9 in
der Ebene x, y verstellbar angeordnet. Durch eine entsprechende
Ansteuerung der Aktoren 4 wird der Antriebskörper 1 in die
translatorische Bewegung versetzt.
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Wie
aus 4 erkennbar ist, weisen derartige Anordnungen
insbesondere auch mit Blick auf den eigentlichen Antriebskörper 1 einen
hohen Grad an Symmetrie auf. So hat der dargestellte typische Antriebskörper 1 in
Draufsicht die Form eines Quadrates mit einer symmetrisch in diesem
angeordneten zylindrischen Bohrung. Der Diagonalen-Schnittpunkt des
Quadrates schneidet somit die Achse Z der Antriebskörperöffnung 2. Üblicherweise
ist die Kraftübertragung
der radialen Umfangskraft zwischen der Antriebskörperöffnung 2 und der Welle 3 nahezu
unabhängig
von der Berührungsposition
am Umfang der Antriebskörperöffnung 2,
wenn der Antriebskörper 1 sehr
steif gebaut ist. Dies ist insbesondere im Fall einer sehr hohen
Antriebskörperhöhe und z.
B. bei einer Kantenlänge
des Quadrates mehr als doppelt so lang wie der Durchmesser der Antriebskörperöffnung 2 gegeben.
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Bei
anfänglichen
Entwicklungen derartiger Festkörperaktor-Antriebsvorrichtungen
lag der Schwerpunkt auf der Sicherstellung einer zuverlässigen Funktion.
Randbedingungen hinsichtlich des benötigten Bauraums innerhalb des
Gehäuses
traten diesbezüglich
in den Hintergrund. Im Rahmen von Weiterentwicklungen einer solchen
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
wurden Anordnungen entwickelt, welche unter Beibehaltung der erreichten
Leistungsdaten eine Reduzierung des Bauraums und der zu bewegenden
Masse bezweckten. Aus Anwendersicht erschienen insbesondere solche
Reduzierungen vorteilhaft für
weitere Applikationen. Bauraum-Reduktionen zielten dabei auf die
Abmessungen des Antriebskörpers
und von Halteelementen sowie auf die Gehäuse-Dimensionen.
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Unter
der notwendigen Voraussetzung, dass der Antriebskörper eine
wesentlich höhere
mechanische Steifigkeit aufweisen soll als die Aktoren, generieren
die in den Aktoren zusammengefassten piezoelektrischen Elemente
während
des Betriebs eine um die Achse Z der Antriebskörperöffnung 2 umlaufende radiale
Andruckkraft zwischen der Innenfläche der Antriebskörperöffnung 2 und
der Welle von derzeit typischerweise ca. 500 N–1000 N. Zur Erzeugung hoher
Antriebsdrehmomente von ca. 3 Nm–10 Nm sind derart hohe Andruckkräfte erforderlich.
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Nachteilhaft
mit Blick auf weitere Reduzierungsmöglichkeiten der Abmessungen
einer solchen Gesamtanordnung ist, dass die Antriebskörper-Abmessungen
des Antriebskörpers 1 nicht
beliebig reduziert werden können.
Bei einer zu großen
Reduzierung würde
die mechanische Steifigkeit des Antriebskörpers 1 zu gering
werden, um derart hohe Kräfte auf
die Welle 3 übertragen
zu können.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebseinheit für eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
und eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einer solchen Antriebseinheit vorzuschlagen, welche eine weitere
Reduktion der Gesamtabmessungen ermöglichen. Außerdem soll die Stabilität des eigentlichen
Antriebskörpers
zur Übertragung
höherer
Drehmomente auf die Welle verbessert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 bzw. durch eine Antriebseinheit für eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
2 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
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Bevorzugt
wird demgemäß insbesondere eine
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einem Antriebskörper,
mit einer An triebskörperöffnung mit einer
Antriebskörperöffnungsachse
in dem Antriebskörper,
mit einer Welle, mit einer Wellenachse, wobei die Welle zumindest
teilweise in die Antriebskörperöffnung hineinragt,
und mit Aktoren als Festkörperaktoren
zum Erregen des Antriebskörpers
und der Welle relativ zueinander zum Versetzen der Welle in eine Rotation
relativ zum Antriebskörper
um die Wellenachse, welche dabei vorzugsweise so genau wie möglich parallel
zur Antriebskörperachse
verläuft. Vorteilhaft
wird diese dadurch, dass eine erste Wandstärke des Antriebskörpers aus
Sicht der Antriebskörperöffnungsachse
in Richtung eines am Antriebskörper
in dessen Wirkrichtung angeordneten Aktors kleiner als eine zweite
Wandstärke
in einem aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse
oder aus Sicht der Antriebskörperöffnung dazu
gegenüberliegenden Bereich
des Antriebskörpers
ist. Eigenständig
vorteilhaft ist eine Antriebseinheit für eine solche Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei der eine erste Wandstärke
des Antriebskörpers
aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse
in Richtung eines am Antriebskörper
in dessen Wirkrichtung angeordneten Aktors kleiner als eine zweite
Wandstärke
in einem dazu gegenüberliegenden
Bereich des Antriebskörpers
ist.
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Die
erste Wandstärke
weist gemäß einer
ersten Ausführungsform
eine geringere Breite bzw. Tiefe zwischen der Antriebskörperöffnung und
dem Aktor auf als im Bereich der zweiten Wandstärke in gleicher Dimensionsrichtung
in dem aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse
gegenüberliegenden
Bereich des Antriebskörpers.
Eine in Wirkrichtung des Aktors verlaufende Symmetrieachse des Aktors
verläuft
dabei vorzugsweise in einer Bewegungsebene des Antriebskörpers die
Antriebskörperöffnungsachse
nicht schneidend.
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Die
Antriebskörperöffnung ist
gemäß einer zweiten
Ausführungsform
relativ zur Ausrichtung der Aktoren am Antriebskörper asymmetrisch versetzt
im Antriebskörper
angeordnet.
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Die
Antriebskörperöffnung ist
vorzugsweise asymmetrisch zur Außenkontur des Antriebskörpers (im
Antriebskörper
angeordnet.
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Die
erste Wandstärke
weist gemäß einer
dritten Ausführungsform
in achsparalleler Richtung zur Antriebskörperöffnungsachse eine geringere
Höhe als
die zweite Wandstärke
auf.
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Unter
Festkörperaktoren
sind nicht nur piezo-elektrische Festkörperaktoren zu verstehen, sondern
auch andersartige Festkörperaktoren,
wie beispielsweise magnetostriktive oder elektrostriktive Aktoren.
Wesentlich ist, dass es sich um Antriebssysteme, insbesondere lineare
Antriebssysteme handelt, welche die Antriebskörper in eine geeignete translatorische
Bewegung in zwei Dimensionen einer aufgespannten Ebene um die Rotationsachsen
der Wellen herum geeignet antreiben können. Insbesondere sind dabei
auch Anordnungen zu berücksichtigen, bei
welchen alle Festkörperaktoren
achsparallel zueinander auf einer Seite der Gesamtanordnung angeordnet
sind und durch eine entsprechend geeignete Ansteuerung den Antriebskörper in
die erforderliche translatorische Bewegung setzen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform,
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2 eine
Draufsicht auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform,
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3 eine
Draufsicht auf eine Antriebseinheit einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
gemäß einer
dritten Ausführungsform
und
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4 eine
Draufsicht auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik.
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Wie
dies aus den 1 bis 3 ersichtlich ist,
bestehen beispielhaft bevorzugte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtungen
aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten, wobei die dargestellten
Komponenten um weitere Komponenten ergänzbar sind bzw. gegen gleich
wirkende Komponenten anderer Bauart austauschbar sind. Gleiche Bezugszeichen
in den Darstellungen der verschiedenen Ausführungsformen gemäß der 1–4 bezeichnen
gleiche oder gleich wirkende Komponenten, Merkmale und Funktionen,
so dass entsprechend auch auf Beschreibungen der jeweils anderen
Figuren Bezug nehmbar ist.
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Zentrale
Komponente der verschiedenen Ausführungsbeispiele ist ein sich
in einer Ebene x, y erstreckender Antriebskörper 1, durch welchen
eine Antriebskörperöffnung 2 führt. Eine
Antriebskörperöffnungsachse
Z der Antriebskörperöffnung 2 erstreckt
sich in einer senkrechten Richtung z zu der Ebene x, y. Besonders
bevorzugt wird ein Antriebskörper 1 mit
einem quaderförmigen
oder quadratischen Querschnitt.
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In
die Antriebskörperöffnung 2 führt eine Welle 3 zumindest
hinein. Vorzugsweise führt
die Welle 3 vollständig
durch die Antriebskörperöffnung 2 hindurch,
so dass sie in Richtung ihrer Wellenachse Z* beidseitig des Antriebskörpers 1, 1°, 1* gelagert werden
kann. Die Wellenachse Z* ist in einer Betriebsstellung parallel
zur Antriebskörperöffnungsachse
Z geführt,
d.h. seitlich zu dieser versetzt. Der Versatz ist derart gewählt, dass
die Welle 3 mit ihrem Außenumfang zumindest im Betrieb
formschlüssig und/oder
reibschlüssig
an einer innenseitigen Wandung der Antriebskörperöffnung 2 anliegt.
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Festkörperaktoren
als linear wirkende Aktoren 4 sind zwischen dem Antriebskörper 1, 1°, 1* und einer
Innenwandung eines Gehäuses 9 angeordnet. Die
Aktoren 4 dienen dazu, in für sich bekannter Art und Weise
den Antriebskörper 1, 1°, 1* relativ
zu der Welle 3, insbesondere relativ zu dem Gehäuse 9 in der
Ebene x, y senkrecht zur Antriebskörperöffnungsachse Z in eine translatorische
Bewegung zu versetzen, so dass dadurch die Welle 3 in eine
Rotation um die Wellenachse Z* versetzt wird.
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Als
Aktoren 4 kommen bevorzugt monolithische piezoelektrische
Vielschichtaktoren zum Einsatz, die vorzugsweise mit Hilfe geeigneter
Maßnahmen
unter eine mechanische Druckvorspannung gesetzt werden.
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Die
Aktoren 4 bestehen beispielsweise aus einer Vielzahl einzelner
piezoelektrischer Elemente 5, welche zwischen zwei Kappen 6, 7 eingespannt sind.
Mittels beispielsweise eines oder mehrerer Bänder 8 sind diese
Aktoren 4 in der Ebene x, y gegen jeweils eine seitliche
Wandung des Antriebskörpers 1, 1°, 1* gespannt.
Die Befestigung der Aktoren 4 an dem Antriebskörper 1, 1°, 1* und
an dem Gehäuse 9 kann
jedoch prinzipiell auch in anderer Art und Weise erfolgen. Die Ausrichtung
der Aktoren 4 relativ zur Antriebskörperöffnung 2 des Antriebskörpers 1°, 1* erfolgt
bevorzugt so, dass eine in Expansions- bzw. Kontraktionsrichtung
x bzw. y der Aktoren 4 verlaufende Symmetrie-Linie die
Antriebskörperöffnungsachse
Z schneidet.
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Die
beispielhaften Ausführungsformen
der 1–3 haben
gemeinsam, dass eine Wandstärke
des Antriebskörpers 1, 1°, 1* in
der Ebene x, y, das heißt
in radialer Richtung der Antriebskörperöffnungsachse Z aus Sicht der
Antriebskörperöffnungsachse
Z bzw. der Antriebskörperöffnung 2 nicht
symmetrisch ist. In den aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z jeweils einem
der Aktoren 4 zugewandten Abschnitt weist der Antriebskörper 1, 1°, 1* eine
geringere Wandstärke
auf, als auf der aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z gegenüberliegenden
Seite des Antriebskörpers 1, 1°, 1*.
Eine solche Dimensionierung bzw. Ausgestaltung des Antriebskörpers 1, 1°, 1* relativ
zu den Aktoren 4 ermöglicht
eine weitere Bauraum-Reduzierung.
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Befindet
sich der Kontaktpunkt zwischen der Welle 3 und der Innenwandung
der Antriebskörperöffnung 2 aus
Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z
in Richtung eines der Aktoren 4, so erfolgt die Kraftübertragung
unter Beibehaltung einer ho hen Steifigkeit, da der entsprechende
Aktor 4 den Antriebskörper 1, 1°, 1* auch über den
Abschnitt mit der geringeren Wandstärke gegen die Welle 3 drückt und
die unter hoher mechanischer Vorspannkraft am Antriebskörper 1, 1°, 1* anliegende
Keramik des Festkörperaktors
diesen Antriebskörperbereich
des Antriebskörpers 1, 1°, 1* stützt.
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Befindet
sich der Kontakt- bzw. Berührungspunkt
zwischen der Welle 3 und der Innenwandung der Antriebskörperöffnung 2 hingegen
auf der aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse
Z einem der Aktoren 4 gegenüberliegenden Seite des Antriebskörpers 1,
entfällt
diese stützende
Wirkung. Ein dünnwandiger
Antriebskörperabschnitt
mit einer geringen Wandstärke
würde in
diesem Bereich eine wesentlich geringere mechanische Steifigkeit
aufweisen, so dass aufgrund von Elastizitätsverlusten, die durch die Aktoren 4 erzeugbaren
und zur Erreichung der geforderten Antriebsdrehmomente notwendigen
Andruckkräfte
aufgrund der geringeren mechanischen Steifigkeit nicht mehr erreicht
werden. Um dies auszugleichen, wird die Wandstärke in einem solchen Bereich,
welcher von den Aktoren 4 aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse
Z abgewandt ist, entsprechend größer dimensioniert.
Mit anderen Worten wird von einer üblichen symmetrischen Ausgestaltung des
Antriebskörpers
und der darin angeordneten Antriebskörperöffnung 2 gezielt abgewichen,
um die Struktur an derartigen strukturellen Schwachstellen in den
von Aktoren 4 abgewandten Bereichen durch eine lokale Verstärkung der
Struktur des Antriebskörpers 1, 1°, 1* zu
verstärken.
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Anhand
der ersten beiden bevorzugten Ausführungsbeispiele wird die Wandstärke dadurch
erhöht,
dass die Breite bzw. Tiefe des Antriebskörpers 1, 1° in
der Ebene x, y senkrecht zur Antriebskörperöffnungsachse Z auf den jeweiligen
Aktoren 4 gegenüberliegenden
Seiten größer ausgebildet
wird.
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Gemäß der dritten
anhand 3 skizzierten Ausführungsform wird die strukturelle
Erhöhung
der Wandstärke
dadurch erreicht, dass die Wandstärke in ihrer Höhe z2 des
Antriebskör pers 1* parallel
zur Antriebskörperöffnungsachse
Z auf den den Aktoren 4 gegenüberliegenden Seiten der Antriebskörperöffnungsachse
Z höher
ausgebildet wird. Prinzipiell ist insbesondere auch eine Kombination
der verschiedenen Aspekte dieser drei Ausführungsformen umsetzbar.
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Während bei
der Ausgestaltung gemäß 4 die
Breite x1, x2 bzw. Tiefe y1, y2 der Wandungsabschnitte des Antriebskörpers 1 auf
den aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse
Z den Aktoren 4 zugewandten und auch den Aktoren 4 abgewandten
Seiten gleich ist, ist bei der Ausgestaltung gemäß 1 und 2 durch
eine Verlagerung der Antriebskörperöffnung 2 und
damit auch der Antriebskörperöffnungsachse
Z im Antriebskörper 1 in der
Ebene x, y senkrecht zur Antriebskörperöffnungsachse Z diese Gleichheit
nicht mehr gegeben.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 1 sind die
Abschnitte des Antriebskörpers 1,
welche auf den aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z den Aktoren 4 zugewandten
Seite liegen, mit einer geringeren Wandstärke x1, y2 ausgebildet als
die diesen gegenüberliegenden
Wandstärken
x2 bzw. y1.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 2 wird dieses
Verhältnis
geringer Wandstärken
x1, y2 in Abschnitten des Antriebskörpers 1° auf den Aktoren 4 zugewandten
Seiten gegenüber
aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse
Z den Aktoren 4 gegenüberliegenden
Seiten größer dimensionierten
Wandstärken
x2 bzw. y1 dadurch erreicht, dass der Antriebskörper 1° in diesen Richtungen breiter
dimensioniert ist. Die Ausführungsform
gemäß 2 weist im
Vergleich zu der Ausführungsform
gemäß 1 ebenfalls
eine nicht symmetrisch mittig im Antriebskörper 1, 1° liegende
Antriebskörperöffnung 2 auf. Jedoch
bietet die Ausführungsform
gemäß 2 den
Vorteil, dass bei dieser Anordnung eine in Wirkrichtung der Aktoren 4 verlaufende
Symmetrielinie 1 die Antriebskörperöffnungsachse Z schneidet, so dass
eine symmetrische Kraftübertragung
von den Aktoren 4 auf den Antriebskörper 1° und auf die Antriebskörperöffnung 2 erfolgt.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 3 weist der
Antriebskörper 1* auf
den aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse
Z den Aktoren 4 zugewandten Seiten eine geringere Wandstärke z1 in
Höhenrichtung
auf, das heißt
parallel zur Antriebskörperöffnungsachse
Z, als im Fall der Wandstärke
z2 des Abschnitts des Antriebskörpers 1*,
welcher aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse
Z dem entsprechenden Aktor 4 gegenüberliegt.
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Die
unterschiedlichen Wandstärken
der verschiedenen Ausführungsformen
ergeben sich somit durch eine Verlagerung der Antriebskörperöffnung 2 aus
einer innerhalb des Antriebskörpers 1 symmetrischen
Lage heraus, durch das Anfügen
seitlicher z.B. streifenförmiger
Abschnitte auf den Aktoren 4 gegenüberliegenden Abschnitten des
Antriebskörpers 1° bzw.
durch eine Erhöhung
der Wandstärke
in achsparalleler Richtung zur Antriebskörperöffnungsachse Z auf den Aktoren 4 gegenüber gelegenen Wandabschnitten
des Antriebskörpers 1*.
Eine optimale Geometrie des Antriebskörpers 1, 1°, 1*,
welche bei möglichst
geringem Materialeinsatz eine vorgegebene hohe Steifigkeit bezüglich der
wirkenden Umfangskraft im Bereich der Antriebskörperöffnung 2 ermöglicht,
lässt sich
insbesondere mit für
sich bekannten Mitteln numerischer Simulationen finden.