DE102013205044A1

DE102013205044A1 - Aktorvorrichtung

Info

Publication number: DE102013205044A1
Application number: DE102013205044.5A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Gerit Ebelsberger; Reinhard Freitag; Andreas Gödecke; Wolfgang Zöls
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Metismotion GmbH
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: JP2016516950A; CA2907661C; ES2677670T3; US20160281747A1; KR20150131393A; KR102145474B1; WO2014146804A1; RU2625888C2; DE102013205044B4; EP2938885B1; CN105190051B; JP6261715B2; CA2907661A1; CN105190051A; EP2938885A1; RU2015145159A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aktorvorrichtung (1) mit einer Antriebseinheit (3) und einer Abtriebseinheit (19). Die Abtriebseinheit (19) umfasst eine erste Translationseinheit (15) mit einem ersten Abtrieb (7) und eine über ein Leitungssystem (27) mit der ersten Translationseinheit (15) fluidisch verbundene zweite Translationseinheit (16) mit einem zweiten Abtrieb (8). Die Antriebseinheit (3) ist fluidisch mit dem Leitungssystem (27) verbunden. Zum Auslenken der Abtriebe (7, 8) ist ein Fluid mittels der Antriebseinheit (3) zwischen der ersten Translationseinheit (15) und der zweiten Translationseinheit (16) austauschbar. Die erste Translationseinheit (15) und die zweite Translationseinheit (16) weisen jeweils ein Vorspannelement (12, 25) auf. Erfindungsgemäß sind diese Vorspannelemente (12, 25) in entgegengesetzter Richtung gegen eine beweglich gelagerte Einspannung(4) abgestützt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktorvorrichtung. Aktorvorrichtungen sind bekannt. Sie haben gewöhnlich die Aufgabe eine geforderte Auslenkung in einem bestimmten Bereich zu realisieren. Dazu muss die Aktorvorrichtung sowohl eine Hin- als auch eine Zurück- Bewegung ermöglichen. Um eine Bewegung in beide Richtungen zu gewährleisten, muss die in der Aktorvorrichtung enthaltene Hydraulikflüssigkeit vorgespannt sein. Diese Vorspannung variiert in bekannten Aktorvorrichtungen mit der Auslenkung. Das führt zu Druckdifferenzen, die die maximal mögliche Auslenkung begrenzen und zu einer unkonstanten Kraftentfaltung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben und eine verbesserte Aktorvorrichtung bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Aktorvorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Die erfindungsgemäße Aktorvorrichtung weist eine Antriebseinheit und eine Abtriebseinheit auf. Die Abtriebseinheit umfasst eine erste Translationseinheit mit einem ersten Abtrieb und eine über ein Leitungssystem mit der ersten Translationseinheit fluidisch verbundene zweite Translationseinheit mit einem zweiten Abtrieb. Die Antriebseinheit ist fluidisch mit dem Leitungssystem verbunden. Zum Auslenken der Abtriebe ist ein Fluid mittels der Antriebseinheit zwischen der ersten Translationseinheit und der zweiten Translationseinheit austauschbar. Die erste Translationseinheit und die zweite Translationseinheit weisen jeweils ein Vorspannelement auf. Erfindungsgemäß sind diese Vorspannelemente in entgegengesetzter Richtung gegen eine beweglich gelagerte Einspannung abgestützt.
Durch die bewegliche Lagerung der Einspannung wird dieses Bauteil mit den beiden Abtrieben bewegt. Dadurch entsteht vorteilhaft keine Differenzkraft zwischen den beiden Vorspannelementen. Somit bleiben die Drücke in den Fluidkammern unabhängig vom Hub konstant. Einerseits kann dadurch die Kraft der Aktorvorrichtung unabhängig von der Auslenkung konstant gehalten werden, da die Druckdifferenz des Fluids nicht verändert wird. Andererseits kann somit auch der maximale Hub deutlich erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktorvorrichtung weisen das erste Translationselement und das zweite Translationselement einen identisch bemessenen hydraulischen Querschnitt auf.
Dadurch weisen die Auslenkungen der beiden Abtriebe dieselben Wege auf. Die Einspannung bewegt sich somit gleichmäßig zu den Auslenkungen der beiden Abtriebe.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktorvorrichtung weisen das erste Vorspannelement und das zweite Vorspannelement eine identische Vorspannkraft auf. Zudem weisen das erste Vorspannelement und das zweite Vorspannelement bevorzugt eine identische Federrate auf.
Dadurch wird ein symmetrisches System erreicht, welches in beide Richtungen die gleichen Eigenschaften aufweist. Eine Verwendung der Aktorvorrichtung in einer Baugruppe ist damit vereinfacht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktorvorrichtung ist das erste Translationselement und/oder das zweite Translationselement ein Hydraulikzylinder.
Hydraulikzylinder weisen vorteilhaft eine sehr geringe Längssteifigkeit auf und beeinflussen damit die Federraten der Vorspannelemente nicht. Zudem können Hydraulikzylinder für lange Auslenkungen ausgelegt werden.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktorvorrichtung ist das erste Translationselement und/oder das zweite Translationselement ein Balg. Der Balg ist dabei vorteilhaft ein Metallbalg oder ein Membranbalg, wobei die Bälge dieselbe Federrate haben.
Mit einem Balg, insbesondere einem Metallbalg, kann einfacher eine hohe Systemdichtheit erreicht werden. Zudem weisen Bälge ein relativ kleines Gewicht auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktorvorrichtung sind die Fluidkammern und die Fluidleitungen komplett mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt.
Damit ist das Fluid im Wesentlichen inkompressibel und eine gleichmäßige Arbeitsweise der Aktorvorrichtung bei verschieden hohen Drücken im System ist gewährleistet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Aktorvorrichtung; und
2 bis 4 Translationseinheiten der Aktorvorrichtung in verschiedenen Ausgestaltungen.
In der 1 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Aktorvorrichtung 1 in einem Koordinatensystem 13 skizziert. Die dargestellte Aktorvorrichtung 1 umfasst eine Antriebseinheit 3 und eine mit der Antriebseinheit 3 fluidleitend mittels einer ersten Fluidleitung 18 verbundene Abtriebseinheit 19.
Die Antriebseinheit 3 umfasst einen Aktor 2 und ein Antriebselement 20. Das Antriebelement 20 weist eine Antriebsfluidkammer 17 auf.
Der Aktor 2 kann beispielsweise ein Piezoaktor 2 oder ein magnetoresistiver Aktor 2 sein. Die Antriebseinheit 3 ist in der Weise ausgebildet, das durch die Auslenkung des Aktors 2 die Größe des Volumens der Antriebsfluidkammer 17 beeinflusst werden kann.
Der Aktor 2 ist dazu zumindest in Druckrichtung kraftschlüssig mit dem Antriebselement 20 verbunden. Der Aktor 2 kann auch formschlüssig mit dem Antriebselement 20 verbunden sein. Der Aktor kann auch entgegengesetzt der Druckrichtung, in Zugrichtung kraftschlüssig mit dem Antriebselement 20 verbunden sein. Die Druckrichtung stellt dabei die Richtung der Auslenkung des Aktors 2 dar.
In der in der 1 dargestellten Weise ist durch eine Vergrößerung der Auslenkung des Aktors 2 eine Druckkraft auf das Antriebselement 20 ausgeübt. Durch eine Vergrößerung der Auslenkung des Aktors 2 ist das Volumen der Antriebsfluidkammer 17 verkleinert. Durch eine Verkleinerung der Auslenkung des Aktors 2 ist das Volumen der Antriebsfluidkammer 17 zumindest vergrößerbar. Bei einer kraftschlüssigen Verbindung des Aktors 2 mit dem Antriebselement 20 in Zugrichtung ist durch eine Verkleinerung der Auslenkung des Aktors 2 das Volumen der Antriebsfluidkammer 17 vergrößert. Mit einer Umlenkung am Antriebselement 20 kann die Beziehung zwischen Auslenkung des Aktors 2 und Volumen der Antriebsfluidkammer 17 grundsätzlich auch umgekehrt sein.
Das Antriebselement 20 kann beispielsweise ein Hydraulikzylinder mit einem Kolben, ein Balg, insbesondere ein Metallbalg oder auch ein Membranbalg sein. In der 1 ist beispielhaft ein Hydraulikzylinder 20 als Antriebselement 20 dargestellt, mit dessen Kolben der Aktor 2 kraftschlüssig verbunden ist.
An die Antriebsfluidkammer 17 schließt die erste Fluidleitung 18 an. Bei einer Verkleinerung des Volumens der Antriebsfluidkammer 17 strömt ein in der Antriebsfluidkammer 17 befindliches Fluid durch die erste Fluidleitung 18 zur Abtriebseinheit 19. Bei einer Vergrößerung des Volumens der Antriebsfluidkammer 17 kann das Fluid in die Antriebsfluidkammer 17 hinein strömen.
Die Abtriebseinheit 19 weist eine erste Translationseinheit 15 und eine zweite Translationseinheit 16 auf. Die erste Translationseinheit 15 ist mit der zweiten Translationseinheit 16 fluidisch über verbunden.
Die erste Translationseinheit 15 weist eine Abtriebsfluidkammer 11, ein erstes Translationselement 14, einen ersten Abtrieb 7 und ein erstes Vorspannelement 12 auf. Und die zweite Translationseinheit 16 weist eine Reservefluidkammer 9, ein zweites Translationselement 24, einen zweiten Abtrieb 8 und ein zweites Vorspannelement 25 auf.
In der in der 1 dargestellten Ausführung sind das erste Translationselement 14 und das zweite Translationselement 24 als Hydraulikzylinder 14, 24 ausgeführt und die Vorspannelemente 12, 25 sind als Schraubenfedern 12, 25 ausgebildet. Die Hydraulikzylinder 14, 24 weisen, wie üblich einen verschiebbaren Kolben auf. Der Kolben bildet hier jeweils den Abtrieb 7, 8. Das Volumen der Fluidkammern 11, 9 bestimmt sich jeweils nach der Position der Abtriebe 7, 8, beziehungsweise ist die Auslenkung der Abtriebe 7, 8 jeweils vom Volumen der Fluidkammern 11, 9 abhängig. Die Vorspannelemente 12, 25 üben jeweils eine Vorspannung auf die Abtriebe 7, 8, hier auf den Kolben 7, 8, aus.
Das erste Vorspannelement 12 und das zweite Vorspannelement 25 sind erfindungsgemäß beide an einer gemeinsamen Einspannung 4 abgestützt. Die Vorspannelemente 12, 25 sind dazu im Wesentlichen entgegengesetzt angeordnet. Die Vorspannelemente 12, 25 wirken in einer Linie. Die Einspannung 4 ist steif und frei beweglich. Die Einspannung 4 ist schwimmend gelagert. Die Vorspannelemente 12, 25 wirken in der Weise gegenseitig aufeinander, dass ein Kräftegleichgewicht zwischen der ausgeübten Kraft des ersten Vorspanelements 12 und der ausgeübten Kraft des zweiten Vorspannelements 25 hergestellt ist. Die Einspannung 4 ist in Richtung der Auslenkungen der Abtriebe 7, 8 beweglich. Die Einspannung 4 bewegt sich mit den Abtrieben 7, 8.
Die Abtriebsfluidkammer 11 der ersten Translationseinheit 15 ist mit der Reservefluidkammer 9 der zweiten Translationseinheit 16 fluidisch mittels eines Leitungssystems (27) verbunden. Das Leitungssystem ist in der Weise ausgebildet, dass eine zweite Fluidleitung 21 und eine dritte Fluidleitung 22 parallel zueinander und eine vierte Fluidleitung 26 in Reihe zu der zweiten und dritten Fluidleitung 21, 22 angeordnet ist. In der zweiten Fluidleitung 21 ist ein Saugrückschlagventil 6 angeordnet. In der dritten Fluidleitung 22 ist ein Drückrückschlagventil 5 angeordnet. Das Saugrückschlagventil 6 sperrt in Saugrichtung und das Drückrückschlagventil 5 sperrt entgegengesetzt zur Saugrichtung in Drückrichtung. Die Rückschlagventile 5, 6 sind entgegengesetzt zueinander angeordnet. Die Rückschlagventile 5, 6 öffnen jeweils nur in eine Richtung, das Saugrückschlagventil 6 öffnet in Druckrichtung und das Drückrückschlagventil 5 öffnet in Saugrichtung. Die Rückschlagventile 5, 6 sind vorgespannt, sodass eine Öffnung erst ab einem bestimmten anliegenden Druck geschieht. Die erste Fluidleitung 18 ist mit der vierten Fluidleitung 26 an einer Koppelstelle 23 fluidisch verbunden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die zweite Fluidleitung 21 an der Abtriebsfluidkammer 11 angeordnet und die vierte Fluidleitung 26 ist an der Reservefluidleitung 9 angeordnet. Die vierte Fluidleitung 26 kann zusätzlich mit einer Drossel 10 versehen sein, die den Querschnitt der vierten Fluidleitung 26 verengt.
Die Fluidkammern 9, 11, 17 und Fluidleitungen 18, 21, 22, 26 sind mit einem Fluid, insbesondere mit einer Hydraulikflüssigkeit, wie Silikonöl oder Glycerin gefüllt.
Mittels Hin- und Zurück- Bewegungen der Antriebseinheit 3 ist das Fluid zwischen der ersten Translationseinheit 15 und der zweiten Translationseinheit 16 austauschbar. Damit werden die Abtriebe 7, 8 ausgelenkt. In Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit, mit der die Auslenkung des Aktors 2 vollzogen wird, ist das Fluid von der Reservefluidkammer 9 in die Abtriebsfluidkammer 11 oder umgekehrt von der Abtriebsfluidkammer 11 in die Reservefluidkammer 9 leitbar.
Um das Fluid durch die zweite oder dritte Fluidleitung 21, 22 zu leiten ist aufgrund der vorgespannten Rückschlagventile 5, 6 ein höherer anliegender Druck notwendig, als für eine Durchleitung des Fluids durch die vierte Fluidleitung 26. Der anliegende Druck meint im Sinne dieser Erfindung einen Druckunterschied zwischen Einlassseite und Auslassseite des Ventils. Der anliegende Druck steigt mit der Geschwindigkeit der Auslenkung des Aktors 2.
Die 2 bis 4 zeigen Ausführungsvarianten der Translationseinheiten 15, 16 jeweils am Beispiel der ersten Translationseinheit 15. Der Abtrieb 7 wird mittels der Vorspanneinheit 12 vorgespannt. Die Vorspanneinheit 12 ist an der Einspannung 4 abgestützt. Mit der Bewegung des Abtriebs 7 um die Strecke ∆s geht eine entsprechende Volumenveränderung ∆V der Abtriebsfluidkammer 17 einher. Ein Fluidmassenstrom findet durch die Fluidleitung 21 statt.
In der 2 ist wie in der 1 ein Hydraulikzylinder als Translationseinheit 15 dargestellt. Der Kolben des Hydraulikzylinders ist der Abtrieb 7.
In der 3 ist die Translationseinheit 15 ein Metallbalg und in der 4 ist die Translationseinheit 15 ein Membranbalg. Der Abtrieb 7 ist hier jeweils durch einen am Balg anliegenden Kolben 7 gebildet.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Aktorvorrichtung (1) mit einer Antriebseinheit (3) und einer Abtriebseinheit (19), wobei die Abtriebseinheit (19) eine erste Translationseinheit (15) mit einem ersten Abtrieb (7) und eine über ein Leitungssystem (27) mit der ersten Translationseinheit (15) fluidisch verbundene zweite Translationseinheit (16) mit einem zweiten Abtrieb (8) aufweist, wobei die Antriebseinheit (3) fluidisch mit dem Leitungssystem (27) verbunden ist und mittels der Antriebseinheit (3) ein Fluid zwischen der ersten Translationseinheit (15) und der zweiten Translationseinheit (16) zum Auslenken der Abtriebe (7, 8) austauschbar ist, wobei die erste Translationseinheit (15) und die zweite Translationseinheit (16) jeweils ein Vorspannelement (12, 25) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannelemente (12, 25) in entgegengesetzter Richtung gegen eine beweglich gelagerte Einspannung (4) abgestützt sind.
Aktorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Translationselement (14) und das zweite Translationselement (24) einen identisch bemessenen hydraulischen Querschnitt aufweisen.
Aktorvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei das erste Vorspannelement (12) und das zweite Vorspannelement (25) eine identische Federrate aufweisen.
Aktorvorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei das erste Vorspannelement (12) und das zweite Vorspannelement (25) eine identische Vorspannkraft aufweisen.
Aktorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Translationselement (14) und/oder das zweite Translationselement (24) ein Hydraulikzylinder (14, 24) ist.
Aktorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Translationselement (14) und/oder das zweite Translationselement (24) ein Balg (14, 24) ist.
Aktorvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei der Balg (14, 24) ein Metallbalg (14, 24) oder ein Membranbalg (14, 24) ist, wobei die Bälge (14, 24) dieselbe Federrate haben.
Aktorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Fluidkammern (9, 11, 17) und die Fluidleitungen (18, 21, 22) komplett mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt sind.