DE102006050784B4

DE102006050784B4 - Stellantrieb

Info

Publication number: DE102006050784B4
Application number: DE200610050784
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Schröder Joachim
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2026-10-28
Also published as: DE102006041154A1; DE102006050784A1; DE102006041154B4

Abstract

Stellantrieb mit einem in ein mechanisches Wegvergrößerungssystem integrierten längenveränderlichen Stellelement, umfassend a) eine bogenförmige Biegefeder (5), an deren beiden freien Enden jeweils ein in der Länge an das erforderliche Übersetzungsverhältnis anpassbarer Hebelarm (1) angeordnet ist, und einen biegesteifen Spreizkörper (6), der sich im Betriebszustand unter Vorspannung auf der Bogen-Innenseite der Biegefeder (5) abstützt, b) einen Zuganker (3) zur Erzeugung einer Vorspannung der Biegefeder (5), der sich einerseits am Scheitelpunkt der Bogen-Außenseite der Biegefeder (5) und andererseits an der der Biegefeder (5) und dem Spreizkörper (6) abgewandten Kopffläche des Stellelements (2) abstützt, während sich das längenveränderliche Stellelement (2) mit seiner anderen Kopffläche am Spreizkörper (6) abstützt, wobei einer der Hebelarme (1) oder der Zuganker (3) gestellfest angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem in ein mechanisches Wegvergrösserungssystem integrierten längenveränderlichen Stellelement und stellt eine Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung nach der Hauptanmeldung DE 10 2006 041 154 dar. Die Erfindung 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 Schätzbetätigung 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 Wegvergrosserungssysteme (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/mm<2>) werden zu Lasten der Wegvergrösserung proportional reduziert. Die Aktoren besitzen relatv 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).
Aus DE 10 2005 023 767 A1 ist ein Stellantrieb bekannt, bei dem auswechselbare Zugelemente mit untergeordneter Rückstellkraft und separate Bauelemente zur Erzeugung einer Rückstellkraft eingesetzt werden, die mit einem störunanfälligeren Stellantrieb mit einem einstückig ausgeführten biegeelastischen, elliptischen Rahmen kombiniert sind, wobei der Stellantrieb eine integrierte Einheit zur Kraft- und Bewegungserzeugung darstellt, 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.
Aus der DE 196 43 180 A1 und der DE 10 2004 002 249 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, Das längenveränderliche Stellelement ist unter mechanischer Vorspannung innerhalb des elliptischen Rahmens längs dessen Hauptachse angeordnet, während die zulasten der grossen Stellkräfte (ca. 40 N/mm<2>) 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 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.
Eine andere 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 US 4 570 095 A ist eine piezoelektrische Einachsenverstelleinrichtung bekannt, wobei der Piezoaktor zwischen einem U-förmigen Führungsteil und zwei L-förmigen Hebelarmen eingespannt ist, welche über Biegegelenke miteinander verbunden sind. Die Varspannung des Piezoaktors wird mit einer Blattfeder erzielt, die zwischen dem geschlossenen Ende des Führungsteils und den beiden Enden der Hebelarme platziert ist.
Bei dem im Hauptpatent beschriebenen Stellantrieb kann sich der Fertigungsaufwand für die Herstellung paarungsfähiger Biegefedern mit engen Kenngrössen-Toleranzen als zu hoch für die Herstellung niedrigpreisiger Stellantriebe erweisen. Ausserdem können die dynamischen Wechselwirkungen zwischen den beiden gemäss Hauptpatent verwendeten Biegefedern in speziellen Einsatzfällen nachteilig sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den in Patentanmeldung DE 10 2006 041 154 beschriebenen Stellantrieb so zu modifizieren, dass sowohl der Fertigungsaufwand zur Herstellung eines Stellantriebs, bei dem enge Toleranzen insbesondere für die resultierende Federsteifigkeit gefordert werden, als auch die dynamische Wechselwirkung zwischen den beiden gemäss Hauptpatent verwendeten Biegefedern reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemässen Stellantriebs ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit der erfindungsgemässen Kombination einer bogenförmigen Biegefeder und eines biegesteifen Spreizkörpers entfällt die bei der Patentanmeldung DE 10 2006 041 154 vorgesehene Paarung von zwei Biegefedern. Die resultierende Federsteifigkeit des Stellantriebs ist damit nur noch von den Kenngrössen einer einzigen Biegefeder abhängig, wodurch die Anforderungen an deren Fertigungstoleranzen gesenkt werden können. Durch Verwendung des biegesteifen Spreizkörpers entfallen ausserdem die möglichen Nachteile einer dynamischen Wechselwirkung zwischen den zwei gemäss Hauptpatent vorgesehenen Biegefedern. Weiterhin vereinfacht sich die Abstützung des Stellelementes auf dem Spreizkörper im Vergleich zur Lösung gemäss Patentanmeldung DE 10 2006 041 154 .
Im Folgenden ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert, wobei funktionsgleiche Bauteile jeweils identische Bezugszeichen aufweisen. Dabei zeigen
1 eine schematische Seitenansicht einer 1. Variante des erfindungsgemässen Stellantriebs mit gestellfestem Zuganker,
2 eine schematische Seitenansicht einer 2. Variante des erfindungsgemässen Stellantriebs mit einem gestellfesten Hebelarm,
3 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der 2. Variante des erfindungsgemässen Stellantriebs mit einem röhrenförmigen Stellelement, das den Zuganker umschliesst,
4 und 5 eine perspektivische Darstellung von zwei anderen Ausführungsformen der 2. Variante des erfindungsgemässen Stellantriebs mit einem Stellelement, das zwischen den Schenkeln eines zweischenkligen Zugankers angeordnet ist.
Die in 1 gezeigte 1. Variante des erfindungsgemässen Stellantriebs besteht aus einer bogenförmigen Biegefeder 5, an deren beiden freien Enden jeweils ein Hebelarm 1 einstückig angeformt ist, dessen Länge entsprechend dem erforderlichen Übersetzungsverhältnis gewählt ist. Ein im Vergleich zur Biegefeder 5 biegesteif ausgebildeter Spreizkörper 6 stützt sich unter Bildung eines Gleitgelenks 4 mit seinen Enden an der konkaven Innenseite der Biegefeder 5 ab. Die Kopfflächen eines längenveranderlichen Stellelements 2, z. B. ein Piezoaktor, stützen sich einerseits am Spreizkörper 6 und andererseits an einem der Biegefeder 5 abgewandten Ende eines Zugankers 3 ab. Das andere Ende des Zugankers 3 ist gestellfest ausgeführt und stützt sich unter Erzeugung einer Vorspannung der Biegefeder 5 an deren Scheitelpunkt 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 in 1 gezeigten 1. Variante ist bei der in 2 gezeigten 2. Variante des erfindungsgemässen Stellantriebs einer der beiden Hebelarme 1 gestellfest ausgeführt, wodurch sich im Vergleich zur 1. Variante die Auslenkung des anderen Hebelarms 1 bei gleicher Längenänderung des Stellelements 2 verdoppelt.
Die in 3 bis 5 dargestellten Ausführungsformen basieren auf der in 2 dargestellten 2. Variante des erfindungsgemässen Stellantriebs. In 3 bis 5 ist die von dem gestellfesten Hebelarm gebildete Gelenkschnittstelle mit Ziffer 7 bezeichnet.
Es ist ausdrücklich hervorzuheben, dass die in den 3 und 5 dargestellten Massstäbe nur die Grösse eines nach der Erfindung hergestellten speziellen Erprobungsmusters 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 dargestellte Ausführungsform besitzt ein röhrenförmiges Stellelement 2, das den Zuganker 3 umschliesst. Die vom Zuganker 3 erzeugte Vorspannung kann durch Justier- und Einstellmittel auf einen vorgebbaren Wert eingestellt werden. Diese Mittel sind in 3 bis 5 symbolisch durch an den Enden des Zugankers 3 angeordnete Spannelemente 8 in Form von Muttern dargestellt.
Bei den in 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen ist der Zuganker 3 zweischenklig ausgeführt und ausserhalb des Stellelements 2 angeordnet. Diese beiden Ausführungsformen unterscheiden sich hauptsächlich durch die Position der Spannelemente 8.

Claims

Stellantrieb mit einem in ein mechanisches Wegvergrößerungssystem integrierten längenveränderlichen Stellelement, umfassend a) eine bogenförmige Biegefeder (5), an deren beiden freien Enden jeweils ein in der Länge an das erforderliche Übersetzungsverhältnis anpassbarer Hebelarm (1) angeordnet ist, und einen biegesteifen Spreizkörper (6), der sich im Betriebszustand unter Vorspannung auf der Bogen-Innenseite der Biegefeder (5) abstützt, b) einen Zuganker (3) zur Erzeugung einer Vorspannung der Biegefeder (5), der sich einerseits am Scheitelpunkt der Bogen-Außenseite der Biegefeder (5) und andererseits an der der Biegefeder (5) und dem Spreizkörper (6) abgewandten Kopffläche des Stellelements (2) abstützt, während sich das längenveränderliche Stellelement (2) mit seiner anderen Kopffläche am Spreizkörper (6) abstützt, wobei einer der Hebelarme (1) oder der Zuganker (3) gestellfest angeordnet ist.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Biegefeder (5) und die Hebelarme (1) einstückig ausgebildet sind.
Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gestellfest angeordnete Hebelarm (1) kürzer als der freie Hebelarm (1) ist.
Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker (3) zur Einstellung seiner Länge und der Vorspannung Spannelemente und/oder Montage-, Justier- und Einstellmittel (8) aufweist.
Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker (3) ein- oder mehrschenklig ausgebildet ist, wobei mindestens einer der Schenkel des Zugankers (3) außerhalb oder innerhalb des Stellelements (2) angeordnet ist.
Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (2) ein elektrostriktiver oder magnetostriktiver Aktuator ist.
Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (2) mindestens ein monolithischer Streifen oder ein Röhrenstapelaktor aus Piezokeramik ist, dessen durch Querkontraktion erzeugte Längenveränderung genutzt wird.