DE102009000018A1

DE102009000018A1 - Schwingungsantrieb

Info

Publication number: DE102009000018A1
Application number: DE200910000018
Authority: DE
Inventors: Gerd Dornhoefer; Andreas Vogt; Juergen Vdovak; Vincent Rieger; Andre Meyer; Robert Barunovic
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2010-07-08
Also published as: WO2010076111A2; WO2010076111A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsantrieb (1), insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, vorzugsweise Fensterheberantrieb, umfassend ein zu Schwingungen anregbares Antriebselement (4) und ein reibschlüssig mit dem Antriebselement (4) gekoppeltes Abtriebselement (3). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Antriebselement (4) und/oder das Abtriebselement (3), zumindest im jeweiligen Reibkontaktbereich (8, 9), aus Metall ausgebildet sind/ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Schwingungsantrieb, insbesondere einen piezoelektrischen Stößelantrieb, vorzugsweise für Kraftfahrzeuganwendungen, wie beispielsweise zum Verstellen von Kraftfahrzeugfenstern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannt sind linear (translatorisch) oder rotatorisch arbeitende Schwingungsantriebe, wie beispielsweise Piezomotoren oder Ultraschallmotoren. Diese umfassen ein piezoelektrisch oder mittels Ultraschall zu Schwingungen anregbares Antriebselement, welches reibschlüssig mit einem anzutreibenden Abtriebselement gekoppelt ist. Im Falle der Ausbildung des Schwingungsantriebs als linearer Stößelantrieb handelt es sich bei dem Antriebselement um mindestens einen Stößel und bei dem Abtriebselement um eine anzutreibende Schiene. Bei bekannten Schwingungsantrieben werden dabei üblicherweise im Reibkontaktbereich Keramik-Keramik-Paarungen, meist Al₂O₃ – Al₂O₃, eingesetzt. Derartig ausgebildete Reibkontaktbereiche liefern nur vergleichsweise geringe Reibungskoeffizienten μ (Reibzahlen) aus einem Bereich zwischen 0,3 und 0,5 bei Gleitgeschwindigkeiten unter 0,5 m/s (vgl. „Tribologie Handbuch" Czichos, H. und Habig, K. H., S. 580 ff.). Ein weiterer Nachteil ist die spröde Beschaffenheit von Keramik, die häufig zu einer Beschädigung der Reibpartner führt.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Reibungskoeffizient von Schwingungsantrieben, vorzugsweise bei gleichzeitiger Verschleißminimierung, zu realisieren. Bevorzugt soll die Robustheit des Schwingungsantriebs verbessert sein.
Diese Aufgabe wird mit einem Schwingungsantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das zu Schwingungen anregbare Antriebselement in seinem das Abtriebselement reibschlüssig kontaktierenden Reibkontaktbereich und/oder das von dem Antriebselement angetriebene Abtriebselement in seinem mit dem Antriebselement reibschlüssig verbundenen Reibkontaktbereich aus Metall auszubilden. Durch die Ausbildung zumindest eines der beiden Reibkontaktbereiche aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, können hohe Reibungskoeffizienten mit im Vergleich zu Keramik deutlich geringeren Kosten realisiert werden, insbesondere dann, wenn zumindest ein Reibkontaktbereich aus handelsüblichem Stahl ausgebildet wird. Für Schwingungsantriebe (Reibschlussantriebe) bedeutet der hohe erzielbare Reibungskoeffizient zudem eine Steigerung des Wirkungsgrades. Gleichzeitig kann der Verschleiß im Vergleich zu bekannten Schwingungsantrieben in den Reibkontaktbereichen minimiert werden. Zur weiteren Minimierung des Verschleißes lässt sich aufgrund des hohen Reibungskoeffizienten die Anpresskraft verringern, mit der das zu Schwingungen anregbare Antriebselement am Abtriebselement anliegt, was wiederum zusätzlich Vorteile im Hinblick auf die Minimierung des Verschleißes und eine Verlängerung der Lebensdauer mit sich bringt. Die Erfindung lässt sich sowohl bei Linearantrieben als auch bei Rotationsantrieben realisieren.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Abtriebselement piezoelektrisch oder mittels Ultraschall zu Schwingungen anregbar ist. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen piezoelektrischen Aktuator mit einem Piezokristallstapel, der vorzugsweise über eine, insbesondere sinusförmige, elektrische Spannung anregbar ist.
Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform des Schwingungsantriebs als so genannter Stößelantrieb, bei dem das mindestens eine Antriebselement ein, insbesondere piezoelektrisch aktuierbarer, Stößel ist. Weiter bevorzugt handelt es sich bei dem Stößelantrieb um einen Linearantrieb, bei dem das Abtriebselement als eine reibschlüssig mit dem Antriebselement gekoppelte Schiene ausgebildet ist. Ein derartiger Linearantrieb eignet sich hervorragend zum Einsatz als Fensterheberantrieb in Kraftfahrzeugen.
Wie eingangs angedeutet, ist eine Ausführungsform des Schwingungsantriebs realisierbar, bei der sowohl der Reibkontaktbereich des Antriebselementes als auch der Reibkontaktbereich des Abtriebselementes aus Metall ausgebildet sind. So sind beispielsweise Materialpaarungen Stahl-Stahl oder Hartmetall-Stahl realisierbar. Bei einer alternativen Ausführungsform ist entweder das Antriebselement oder das Abtriebselement, vorzugsweise das Antriebselement in seinem Reibkontaktbereich, aus Keramik ausgebildet. Bevorzugt weist das entsprechende Element hierzu eine Keramikbeschichtung auf, so dass Keramik-Metall-Paarungen, beispielsweise Al₂O₃-Stahl, realisierbar werden. Durch eine geeignete Metallmaterialwahl kann erreicht werden, dass Metall von dem metallischen Reibkontaktbereich während des Betriebs des Schwingungsantriebs auf den keramischen Reibkontaktbereich übertragen wird, so dass nach einer bestimmten Betriebsdauer beide Reibkontakte aus Metall bestehen. Bei der Verwendung eines metallischen Antriebselementes und eines metallischen Abtriebselementes besteht die Grenzfläche von Beginn an aus dem Metall-Metall-Kontakt. Bei einem Metall-Metall-Kontakt kommt es bedingt durch die Betriebsart, insbesondere durch Schläge mit hohen Kraftmaxima und durch Schlupf zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement nicht zum Aufbau von Oxidschichten, so dass zu jeder Zeit „frische” Metalloberflächen gegeneinander reiben. Die auftretenden, hohen Adhäsionskräfte im Metall-Metall-Kontakt können dann zur Reibkrafterzeugung genutzt werden.
Durch die Auslegung der jeweiligen Härte der Reibpartner (Antriebselement und Abtriebselement) kann der Verschleiß eingestellt werden. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Oberfläche des Reibkontaktbereichs des Antriebselementes härter ist als der Reibkontaktbereich des Abtriebselementes, um somit den Verschleiß auf Seiten des kostengünstiger austauschbaren Abtriebselementes, insbesondere der Schiene, zu verlegen. Bevorzugt wird für den Fall der Ausbildung des Schwingungsantriebs als Stößelantrieb für das Antriebselementmaterial, zumindest in seinem Reibkontaktbereich, auf Hartmetall oder Keramik zurückgegriffen.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Reibungskoeffizient μ, insbesondere bei Gleitgeschwindigkeiten unter 0,5 m/s, größer als 0,3, vorzugsweise größer als 0,4, bevorzugt größer als 0,5, ganz besonders bevorzugt größer als 0,6 ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, dass zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement ein die Reibung erhöhendes Medium, insbesondere eine Flüssigkeit, vorgesehen ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn das Vorsehen dieser die Reibung erhöhenden Flüssigkeit kombiniert wird mit mindestens einem Reibkontaktbereich aus Metall, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem die Reibung erhöhenden Medium um pyrogene Kieselsäure.
Die Erfindung führt auch auf die Verwendung eines Schwingungsantriebs mit einem einen metallischen Reibkontaktbereich aufweisenden Antriebselement und/oder Abtriebselement, und/oder die Verwendung eines Schwingungsantriebs mit einem die Reibwirkung erhöhenden Medium als Fensterheberantrieb in Kraftfahrzeugen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in der einzigen
1: einen schematischen Aufbau eines als Stößelantrieb ausgebildeten Schwingungsantriebs für Kraftfahrzeuganwendungen.
1 zeigt einen als Piezomotor ausgebildeten Schwingungsantrieb 1. Der Schwingungsantrieb 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Linearantrieb ausgebildet und dient zum Verstellen einer nicht dargestellten Kraftfahrzeugfensterscheibe in Pfeilrichtungen 2. Hierzu ist das nicht gezeigte Kraftfahrzeugfenster mit einem als Schiene ausgebildeten Abtriebselement 3 gekoppelt. Zum linearen Verstellen des Abtriebselementes 3 ist ein Antriebselement 4 vorgesehen. Das Antriebselement 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Stößel ausgebildet und mit Hilfe von zwei piezoelektrischen Aktuatoren 5 zu einer das Abtriebselement 3 linear verstellenden Schwingung anregbar. Die piezoelektrischen Aktuatoren 5 sind zusammen mit dem stößelförmigen Antriebselement 4 an einer brückenförmigen Halterung 6 gehalten. Wie sich aus 1 ergibt, bilden die Aktuatoren 5 zusammen mit der Halterung 6 und dem Antriebselement 4 Antriebsmittel 7. Das Antriebselement 4 kontaktiert mit einem endseitigen Reibkontaktbereich 8 eine einen weiteren Reibkontaktbereich 9 bildende Oberfläche des Abtriebselementes 3. Die beiden Reibpartner (Abtriebselement 3 und Antriebsele ment 4) kontaktieren sich mit ihren Reibkontaktbereichen 8, 9 also reibschlüssig. Eine Verstellbewegung des Abtriebselementes 3 (Läufer) zum Antriebselement 4 (Stator) wird dadurch erreicht, dass das Antriebselement 4 mit Hilfe der piezoelektrischen Aktuatoren 5 zu Schwingungen angeregt wird, derart, dass das Abtriebselement 3 in den Pfeilrichtungen 2 translatorisch verstellt wird.
Im Hinblick auf die Ausgestaltung der Reibkontaktbereiche 8, 9 gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Gemäß einer ersten Möglichkeit sind beide Reibkontaktbereiche 8, 9, vorzugsweise das gesamte Antriebselement 4 und/oder das gesamte Abtriebselement 3, aus Metall ausgebildet. Anders ausgedrückt ist zwischen dem Abtriebselement 3 und dem Antriebselement 4 bevorzugt ein Metall-Metall-Kontakt realisiert, wobei es weiter bevorzugt ist, wenn das den Reibkontaktbereich 8 des Abtriebselementes 3 bildende Material weicher ist als das den Reibkontaktbereich 9 des Antriebselementes 4 bildende Material, da beim Abtriebselement 3 der Verschleiß eher tolerierbar ist. Anstelle der vollständigen Ausbildung des Abtriebselementes 3 und/oder des Antriebselementes 4 aus Metall ist es denkbar, zumindest einen der Reibkontaktbereiche 8, 9 mittels einer Metallbeschichtung zu realisieren.
Als Material zur Ausbildung des Reibkontaktbereichs 8 des Abtriebselementes 3 oder des Antriebselementes 4 kommt beispielsweise X90CrMoV18 oder X12CrNi177-Stahl in Betracht.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist entweder ausschließlich das Abtriebselement 3 oder das Antriebselement 4 aus Metall ausgebildet und das jeweils andere Bauteil im Reibkontaktbereich 8, 9, vorzugsweise durch das Vorsehen einer Beschichtung, aus Nicht-Metall, vorzugsweise Keramik.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Tribologie Handbuch” Czichos, H. und Habig, K. H., S. 580 ff. [0002]

Claims

Schwingungsantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, vorzugsweise Fensterheberantrieb, umfassend ein zu Schwingungen anregbares Antriebselement (4) und ein reibschlüssig mit dem Antriebselement (4) gekoppeltes Abtriebselement (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (4) und/oder das Abtriebselement (3), zumindest im jeweiligen Reibkontaktbereich (8, 9), aus Metall ausgebildet sind/ist.
Schwingungsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (4) piezoelektrisch und/oder mittels Ultraschall zu Schwingungen anregbar ist.
Schwingungsantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (4) einen Stößel umfasst.
Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (3) als Schiene ausgebildet ist.
Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (3) und/oder das Antriebselement (4), zumindest im jeweiligen Reibkontaktbereich (8, 9), aus Keramik, insbesondere Al₂O₃, ZrO₂, SiC ausgebildet ist.
Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkontaktbereich (9) des Antriebselementes (4) mechanisch härter ist als der Reibkontaktbereich (8) des Abtriebselementes (3).
Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metall des Reibkontaktbereiches (8) des Antriebselementes (4) durch den Betrieb des Schwingungsantriebes (1) auf den zunächst aus Keramik ausgebildeten Reibkontaktbereich (9) des Abtriebselementes (3) auftragbar ist, so dass ein metallischer Reibkontaktbereich (9) des Abtriebselementes (3) erhaltbar ist, oder dass Metall des Reibkontaktbereiches (9) des Abtriebselementes (3) durch den Betrieb des Schwingungsantriebes (1) auf den zunächst aus Keramik ausgebildeten Reibkontaktbereich (8) des Antriebselementes (4) auftragbar ist, so dass ein metallischer Reibkontaktbereich (9) des Antriebselementes (4) erhaltbar ist.
Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibungskoeffizient (μ) der Reibkontaktbereiche (8, 9), vorzugsweise bei einer Gleitgeschwindigkeit unter 0,5 m/s, größer als 0,3, vorzugsweise größer als 0,4, besonders bevorzugt größer als 0,5, weiter bevorzugt größer als 0,6 ist.
Schwingungsantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, vorzugsweise Fensterheberantrieb, umfassend ein zu Schwingungen anregbares Antriebselement (4) und ein reibschlüssig mit dem Antriebselement (4) gekoppeltes Abtriebselement (3), vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Antriebselement (4) und dem Abtriebselement (3) ein die Reibung erhöhendes Medium vorgesehen ist.
Schwingungsantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium pyrogene Kieselsäure ist oder umfasst.
Verwendung eines Schwingungsantriebs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Fensterheberantrieb in einem Kraftfahrzeug.