DE102010042060A1

DE102010042060A1 - Schwingungsantrieb

Info

Publication number: DE102010042060A1
Application number: DE201010042060
Authority: DE
Inventors: Andreas Vogt; Vincent Rieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2012-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, vorzugsweise Fensterheberantrieb, umfassend ein zu Schwingungen anregbares Antriebselement (4) als erstem Element und ein reibschlüssig mit dem Antriebselement (4) gekoppeltes Abtriebselement (3) als zweitem Element, wobei das Antriebselement (4) oder das Abtriebselement (3), zumindest im jeweiligen Reibkontaktbereich (8, 9), aus Hartmetall, und das andere Element, zumindest im jeweiligen Reibkontaktbereich (8, 9), aus Stahl ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass bei dem zumindest teilweise aus Hartmetall bestehenden Element das Hartmetall Partikel aufweist, die in eine Nickel-Matrix eingebunden sind und dass das zumindest teilweise aus Stahl bestehende Element eine nitrierte Oberfläche aufweist.

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.
Um die beschriebenen Nachteile zu überwinden, ist es bei dem aus der DE 10 2009 000 018 A1 bekannten Schwingungsantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereits bekannt, eine Materialpaarung einzusetzen, bei der das eine Element des Schwingungsantriebes aus Hartmetall, und das andere Element aus Stahl besteht. Nähere Angaben über die genauen Zusammensetzungen des Stahls bzw. des Hartmetalls sind jedoch aus der genannten Schrift nicht entnehmbar.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungsantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass durch die Angabe einer speziellen Zusammensetzung bzw. Spezifizierung des Hartmetalls sowie des Stahls ein möglichst hoher Reibungskoeffizient bei gleichzeitiger Verschleißminimierung realisiert werden kann. 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.
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.
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.
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 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 als erstem Element gekoppelt. Zum linearen Verstellen des Abtriebselementes 3 ist ein Antriebselement 4 als zweites Element 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 Antriebselement 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 ist der eine Reibkontaktbereich 8 des Antriebselements 4, vorzugsweise das gesamte Antriebselement 4, aus Hartmetall ausgebildet. Das Hartmetall besteht dabei bevorzugt aus Wolframcarbidpartikeln, die in eine Nickel-Matrix eingebunden sind. Bevorzugt besteht das Hartmetall aus ca. 90 vol% Partikel, insbesondere die genannten Wolframcarbidpartikel und aus ca. 10 vol% Nickel. Zumindest der Reibkontaktbereich 9 des Abtriebselements 3, vorzugsweise das gesamte Antriebselement besteht aus Stahl, insbesondere aus X210CrW12, und weist eine nitrierte Oberfläche auf. Bei der ersten Ausbildung von Antriebselement 4 und Abtriebselement 3 ist daher das den Reibkontaktbereich 9 des Abtriebselementes 3 bildende Material weicher als das den Reibkontaktbereich 8 des Antriebselementes 4 bildende Material, da beim Abtriebselement 3 der Verschleiß eher tolerierbar ist.
Alternativ zu der beschriebenen ersten Möglichkeit der Ausbildung von Antriebselement 4 und Abtriebselement 3 kann die Zuordnung der Materialien zu den Elementen auch vertauscht werden, so dass das Antriebselement 4 aus dem Stahl und das Abriebselement 3 aus Hartmetall besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009000018 A1 [0003]

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) als erstem Element und ein reibschlüssig mit dem Antriebselement (4) gekoppeltes Abtriebselement (3) als zweitem Element, wobei das Antriebselement (4) oder das Abtriebselement (3), zumindest im jeweiligen Reibkontaktbereich (8, 9), aus Hartmetall, und das andere Element, zumindest im jeweiligen Reibkontaktbereich (8, 9), aus Stahl ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem zumindest teilweise aus Hartmetall bestehenden Element das Hartmetall Partikel aufweist, die in eine Nickel-Matrix eingebunden sind und dass das zumindest teilweise aus Stahl bestehende Element eine nitrierte Oberfläche aufweist.
Schwingungsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus Wolframcarbid bestehen.
Schwingungsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmetall ca. 90 vol% Partikel und ca. 10 vol% aus Nickel besteht.
Schwingungsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahl X210CrW12 verwendet wird.
Schwingungsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (4) piezoelektrisch und/oder mittels Ultraschall zu Schwingungen anregbar ist.
Schwingungsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (4) einen Stößel umfasst.
Schwingungsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (3) als Schiene ausgebildet ist.
Schwingungsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkontaktbereich (8) des Antriebselementes (4) mechanisch härter ist als der Reibkontaktbereich (9) des Abtriebselementes (3).
Schwingungsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.
Verwendung eines Schwingungsantriebs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Fensterheberantrieb in einem Kraftfahrzeug.