DE102010008194A1 - Adaptive spring element for use in magnetic actuator in e.g. pneumatic valve, has spring whose walls comprise recesses, where length and/or rigidity of element is adjusted by number of recesses bridged with control element - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein adaptives Federelement, welches z. B. in magnetischen (Resonanz-)Aktoren, die als Antriebselement in Pneumatik- und Hydraulikventilen fungieren, verwendet werden kann. Außerdem könnte das erfindungsgemäße Federelement zur einstellbaren Abstützung (d. h. Kraftaufnahme) von Balken und Platten zur Minimierung von deren Durchbiegung bzw. zur Erhöhung von deren Eigenfrequenz bzw. zur Verstimmung der Eigenformen von Balken und Platten verwendet werden. Als technisches Anwendungsbeispiel ist eine sich aufgrund der Schwerkraft durchbiegende Platte denkbar (z. B. in einem Maschinengestell), die mit Hilfe eines erfindungsgemäßen adaptiven Federelements zwangfrei abgestützt werden kann.The present invention relates to an adaptive spring element which z. B. in magnetic (resonance) actuators, which act as a driving element in pneumatic and hydraulic valves, can be used. In addition, the spring element according to the invention could be used for adjustable support (i.e., force absorption) of beams and plates to minimize their deflection or to increase their natural frequency or to detune the characteristic shapes of beams and plates. As a technical application example, a plate which deflects due to gravity is conceivable (for example in a machine frame), which can be supported forcibly with the aid of an adaptive spring element according to the invention.
Als Feder oder Federelement wird in der Fachliteratur ein elastisches Bauteil bezeichnet, welches unter Belastung nachgibt (d. h. sich verformt) und bei Entlastung in seine ursprüngliche Gestalt zurückkehrt. Für Federn existieren viele verschiedene Bauformen, z. B. Membranfedern, Tellerfederstapel, Wellfederstapel, verschiedenartige Schraubenfedern oder Rohrfedern. Federn dienen zum Einen als Energiespeicher (potentielle Energie) oder zum Aufbringen einer definierten Kraft, da zwischen der Auslenkung der Feder und der von ihr ausgeübten Rückstellkraft stets ein mathematischer Zusammenhang besteht. Weiterhin kennen Federn und Federanordnungen auch zur Führung (d. h. Aufnahme von Kräften und Momenten senkrecht zur sowie Momente um die Bewegungsachse von Bauteilen eingesetzt werden, wobei ihre Steifigkeit in der Bewegungsrichtung kleiner als senkrecht dazu ist.A spring or spring element is referred to in the specialist literature as an elastic component which yields under load (ie, deforms) and returns to its original shape upon release. For springs exist many different designs, eg. B. diaphragm springs, disc spring stack, Wellfederstapel, various coil springs or coil springs. On the one hand, springs serve as an energy store (potential energy) or for applying a defined force, since there is always a mathematical relationship between the deflection of the spring and the restoring force it exerts. Furthermore, springs and spring assemblies are also known for guiding (i.e., receiving forces and moments perpendicular to and moments about the axis of motion of components being employed, their stiffness being less than perpendicular thereto in the direction of motion.
Membranfedern sind für die Verwendung als Führungselement, um also Momente senkrecht zur Mittelachse aufnehmen zu können, mindestens paarweise anzuordnen und erlauben im Vergleich zum Außendurchmesser nur kleine Innendurchmesser. Zwischen möglicher Auslenkung und dem Außen-/Innendurchmesserverhältnis besteht eine mathematische Beziehung: sie verhalten sich proportional zueinander. Tellerfeder- und Wellfederstapel bestehen oftmals aus metallischen, zumeist eisenhaltigen Werkstoffen und sind deswegen u. U. für Anwendungen im Einflussbereich magnetischer Felder, beispielsweise in oder in der Nähe von elektromagnetischen Aktoren, nicht tauglich. Sie können keine Momente um die Mittelachse aufnehmen und besitzen ein kleines Verhältnis von Innen- zu Außendurchmesser. Schraubenfedern verdrehen sich bei axialer Verformung und sind nicht zur Führung von Bauteilen geeignet. Sie bestehen ebenfalls zumeist aus metallischen, eisenhaltigen Werkstoffen und sind demzufolge für Anwendungen im Einflussbereich magnetischer Felder u. U. nicht geeignet. Weiterhin können sie nur kleine bzw. nur im eingeschränkten Maße Momente um die Mittelachse aufnehmen. Rohrfedern können entlang ihrer Mittelachse Momente aufnehmen und daher gleichzeitig als Welle fungieren. Hinsichtlich der Werkstoffwahl sind sie besonders variabel, sodass sie auch aufgrund ihrer magnetischen, thermischen, elektrischen etc. Eigenschaften in einem breiteren Anwendungsbereich eingesetzt werden können, während die Materialwahl bei anderen Federtypen bereits durch die geforderten Federeigenschaften stark eingeschränkt wird. Weitere Vorteile der Rohrfedern sind darin begründet, dass im Gegensatz zu beispielsweise Schraubenfedern ihre Federenden bei einer Auslenkung der Feder sich nicht zueinander verdrehen. Außerdem verschiebt sich die Auflagelinie (bzw. die Auflagepunkte) bei einer Auslenkung in radialer Richtung nicht (im Gegensatz zu Tellerfedern). Eine Rohrfeder kann hohe Querkräfte senkrecht zur Mittelachse bei vergleichsweise kleinen Auslenkungen in Kraftangriffsrichtung aufnehmen und daher auch als Führungselement eingesetzt werden.Diaphragm springs are for use as a guide element, so to be able to absorb moments perpendicular to the central axis, at least in pairs and allow compared to the outer diameter only small inner diameter. There is a mathematical relationship between possible deflection and the outer / inner diameter ratio: they behave proportionally to each other. Disc spring and Wellfederstapel often consist of metallic, mostly ferrous materials and are therefore u. U. for applications in the field of influence of magnetic fields, for example, in or near electromagnetic actuators, not suitable. They can not pick up moments around the center axis and have a small ratio of inside to outside diameter. Coil springs twist during axial deformation and are not suitable for guiding components. They also consist mostly of metallic, iron-containing materials and are therefore for applications in the field of influence of magnetic fields u. U. not suitable. Furthermore, they can absorb only small or only to a limited extent moments about the central axis. Bourdon tubes can absorb moments along their central axis and therefore simultaneously act as a shaft. With regard to the choice of materials, they are particularly variable, so that they can be used in a broader field of application also because of their magnetic, thermal, electrical etc. properties, while the choice of material in other types of spring is already severely limited by the required spring properties. Further advantages of the bourdon tubes are based on the fact that, in contrast to, for example, coil springs, their spring ends do not rotate with one another when the spring is deflected. In addition, the support line (or the support points) does not shift with a deflection in the radial direction (in contrast to disc springs). A Bourdon tube can absorb high transverse forces perpendicular to the central axis with comparatively small deflections in the direction of force application and can therefore also be used as a guide element.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Rohrfedern bereits bekannt. So beschreibt z. B. die
Schließlich ist aus der
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haben außerdem den Nachteil, dass ihre Federrate (Anstieg der Kraft-Weg-Kennlinie) sowie auch der Verlauf der Federkennlinie (degressiv, linear, progressiv) nicht einstellbar bzw. invariabel sind.The known from the prior art solutions also have the disadvantage that their spring rate (increase in the force-displacement curve) and the course of the spring characteristic (degressive, linear, progressive) are not adjustable or invariable.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein adaptives Federelement bereitzustellen, bei dem das Innen- zu Außendurchmesserverhältnis eine Durchleitung bzw. Durchführung von weiteren Bauteilen und/oder fluidischen Medien erlaubt und mit dem eine Rückstellkraft erzeugt und Querkräfte und Momente senkrecht zur Mittelachse aufgenommen werden können, ohne dabei ein Moment um die Mittelachse einzuleiten.The object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide an adaptive spring element in which the inner to outer diameter ratio allows a passage or implementation of further components and / or fluidic media and generates a restoring force and lateral forces and moments can be absorbed perpendicular to the central axis, without introducing a moment about the central axis.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches.According to the invention, the solution of this problem succeeds with the features of the first claim.
Bevorzugte weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Federelementes sind in den Unteransprüchen angegeben.Preferred further embodiments of the spring element according to the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to drawings. Show it:
Das erfindungsgemäße adaptive Federelement umfasst mindestens eine Rohrfeder (
In
In
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Federelements unter Verwendung von zwei Rohrfedern ist in
In
In
Das erfindungsgemäße Federelement ist neben der Funktion als Energiespeicher in der Lage, Momente um jede Hauptachse und Kräfte orthogonal zur Mittelachse aufzunehmen und erzeugt eine Rückstellkraft in axialer Richtung. Bei Verdrehung um die Mittelachse wird ebenfalls ein Rückstellmoment erzeugt. Durch entsprechende Gestaltung des Federelements, beispielsweise einen nicht-symmetrischen Aufbau, ist es dabei möglich, diese Eigenschaften (Rückstellkräfte und Momente) für die einzelnen Achsen unterschiedlich zu beeinflussen. Aufgrund dieser Eigenschaften ist das Federelement in der Lage, Führungsfunktionen zu übernehmen. Mit ihm kann sowohl eine längeninvariante Steifigkeitsveränderung als auch eine steifigkeitsinvariante Längenänderung als auch die gleichzeitige Änderung von Länge und Steifigkeit realisiert werden.The spring element according to the invention is in addition to the function of energy storage in a position to absorb moments about each major axis and forces orthogonal to the central axis and generates a restoring force in the axial direction. When rotated about the central axis also a restoring torque is generated. By appropriate design of the spring element, for example, a non-symmetrical structure, it is possible to influence these properties (restoring forces and moments) for the individual axes differently. Due to these properties, the spring element is able to assume leadership functions. With it, both a length-invariant stiffness change and a stiffness-invariant change in length as well as the simultaneous change of length and stiffness can be realized.
Es liegt auch im Bereich der Erfindung, dass die Form des erfindungsgemäßen Federelements nicht nur Rohre (Hohlzylinder) mit Aussparungen umfasst, sondern auch Hohlprismen und Kegelstümpfe, jeweils in gerader oder schiefer Ausführungsform. In diesem Fall muss zur Realisierung der Adaptivität das Gewinde (im Gegensatz zu den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen) außen auf den Rohling geschnitten werden. Alternativ kann die Adaptivität auch durch Einsätze (Distanzscheiben) realisiert werden, die von innen oder außen in die Aussparungen eingesetzt werden. Alternativ können an den Enden der Feder geeignete Formelemente (z. B. Kegel) angebracht werden, die ab einer bestimmten Verformung der Feder eine Flächenpaarung mit der Feder eingehen und diese dadurch in Richtung höherer Kräfte massiv versteifen.It is also within the scope of the invention that the shape of the spring element according to the invention not only includes tubes (hollow cylinder) with recesses, but also hollow prisms and truncated cones, each in a straight or slated embodiment. In this case, in order to realize the adaptivity, the thread (in contrast to the embodiments shown in the figures) must be cut on the outside of the blank. Alternatively, the adaptivity can also be realized by inserts (spacers), which are inserted from the inside or outside into the recesses. Alternatively, suitable form elements (eg cones) can be attached to the ends of the spring, which at a certain deformation of the spring enter into a surface pairing with the spring and thereby stiffen them massively in the direction of higher forces.
Das erfindungsgemäße adaptive Federelement ist zudem in nicht-ferromagnetischen Werkstoffen (z. B. Federbronze) ausführbar. Für die Fertigung der Struktur und der Aussparungen sind urformende Verfahren, beispielsweise MIM (Metall-Injection-Molding)-Technologien oder Spritzguss ebenso geeignet wie abtragende Verfahren wie Ätzen, Erodieren, Spanen (auch jeweils in Verbindung mit lithografischen Methoden) oder Kombinationen davon. Abhängig von den technologischen Randbedingungen und dem gewähltem Material sind bei identischen Hauptabmessungen Federelemente mit verschiedenen, an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbaren Federsteifigkeiten, Rückstell- und Führungseigenschaften möglich.The adaptive spring element according to the invention can also be embodied in non-ferromagnetic materials (eg spring bronze). For the fabrication of the structure and the recesses, primary shaping methods, for example MIM (metal injection molding) technologies or injection molding are just as suitable as ablative methods such as etching, eroding, machining (also in each case in conjunction with lithographic methods) or combinations thereof. Depending on the technological boundary conditions and the material chosen, spring elements with different spring stiffnesses, restoring and guiding properties that can be adapted to the respective application are possible with identical main dimensions.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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