DE102013205485A1

DE102013205485A1 - Drive unit has pulling elements whose one end is connected at crank pin while other end is connected at inside wall of crank case, such that pulling elements lie in normal plane to axis of crankshaft

Info

Publication number: DE102013205485A1
Application number: DE201310205485
Authority: DE
Inventors: Josef Kicker
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2013-10-31

Abstract

The drive unit has a crankshaft (105) that is arranged with a crankshaft offset (106) associated with a crank pin (107). Three pulling elements (101-103) are formed from electroactive polymer material. One end of pulling elements is connected at the crank pin, while other end is connected at an inside wall of a crank case (100), such that the pulling elements lie in a normal plane to axis of the crankshaft. An independent claim is included for a method for operating drive unit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit Zugelementen aus elektroaktiven Polymeren. The present invention relates to a drive unit with tension elements made of electroactive polymers.

Eines der Anwendungsfelder für elektroaktive Polymere ist deren Verwendung als elektromechanische Wandler zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt. One of the fields of application for electroactive polymers is their use as electromechanical transducers for converting electrical energy into mechanical energy and vice versa.

Dielektrische Elastomere sind eine Klasse von elektroaktiven Elastomeren, die durch ein elektrisches Feld aktiviert werden. Dabei zeichnen sie sich durch hohe Dehnungen (über 300 %), schnelle Reaktionszeiten (Millisekunden) und hohe Effizienz aus. Günstige Herstellungskosten, geringes Gewicht und geringe mechanische Komplexität erlauben ihren Einsatz in verschiedensten Anwendungsgebieten vom Automobilbau, über Robotik bis hin zur Medizintechnik, als Aktoren oder Generatoren. Dielectric elastomers are a class of electroactive elastomers that are activated by an electric field. They are characterized by high strains (over 300%), fast response times (milliseconds) and high efficiency. Low manufacturing costs, low weight and low mechanical complexity allow their use in a wide variety of applications from automotive engineering, robotics to medical technology, as actuators or generators.

Die hohen erforderlichen Aktivierungsspannungen stehen einer breiten kommerziellen Anwendung jedoch oft im Wege. Gute Langzeiteigenschaften, die für viele technische Anwendungen unabdingbar sind fehlen noch. Es ist ein ständiges Ziel, die Eigenschaften der elektroaktiven Polymere, insbesondere den elektrischen Widerstand und die Durchbruchfestigkeit, zu erhöhen. However, the high activation voltages required often hinder broad commercial application. Good long-term properties, which are indispensable for many technical applications, are still missing. It is a constant goal to increase the properties of the electroactive polymers, in particular the electrical resistance and the breakdown strength.

Es wird derzeit von zahlreichen Forschungsgruppen versucht, durch Änderung der Polymerzusammensetzung und durch Optimierung der Geometrie der Aktuatoren die notwendigen Schaltspannungen zu verringern. Zudem müssen die Eigenschaften im Hinblick auf Biegsamkeit und reversibler Verformbarkeit der dielektrischen Elastomere weiter verbessert werden. Entsprechend den Eigenschaften der aktuell zur Verfügung stehenden Materialien und den Zielsetzungen der der Forscher wurden bisher unterschiedliche Anwendungen für elektroaktive Polymere vorgeschlagen. Numerous research groups are currently trying to reduce the necessary switching voltages by changing the polymer composition and optimizing the geometry of the actuators. In addition, the properties in view of flexibility and reversible ductility of the dielectric elastomers must be further improved. Depending on the properties of the currently available materials and the objectives of the researchers, different applications for electroactive polymers have hitherto been proposed.

Gegenstand der in DE 10 2009 028 102 A1 beschriebenen Erfindung ist ein Antrieb, der eine erste Antriebseinheit und eine zweite Antriebseinheit umfasst, wobei die erste Antriebseinheit einen ersten Zahnkranz aufweist und die zweite Antriebseinheit einen zweiten Zahnkranz aufweist, die in der Art eines Gleitkeilgetriebes miteinander zusammenwirken, wobei der erste Zahnkranz deformierbar ist und eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweist, als der zweite Zahnkranz, und die erste Antriebseinheit mindestens zwei in ihrer Länge änderbare Aktuatoren aufweist, wobei die mindestens zwei Aktuatoren derart angeordnet sind und mit dem ersten Zahnkranz zusammenwirken, dass eine Längsänderung der Aktuatoren in eine Deformation des ersten Zahnkranzes mit einem zu der Längsänderung der Aktuatoren senkrechten Anteil umgesetzt wird. Subject of in DE 10 2009 028 102 A1 described invention is a drive, which comprises a first drive unit and a second drive unit, wherein the first drive unit has a first sprocket and the second drive unit has a second sprocket, which cooperate in the manner of a Gleitkeilgetriebes with each other, the first sprocket is deformable and a having different number of teeth, as the second sprocket, and the first drive unit has at least two variable in length actuators, wherein the at least two actuators are arranged and cooperate with the first sprocket that a longitudinal change of the actuators in a deformation of the first sprocket is reacted with a proportion perpendicular to the longitudinal change of the actuators.

Die in DE 10 2008 041 403 A1 offenbarte Erfindung bezieht sich auf ein Schaltelement mittels welchem mindestens ein erstes und ein zweites Bauteil bei Betätigung in eine kraftübertragende und lösbare Verbindung bringbar sind. Das Schaltelement dient als eine Bremse oder eine Kupplung vorzugsweise in einem Getriebe, beispielsweise einem Fahrzeuggetriebe oder einem Maschinengetriebe. In the DE 10 2008 041 403 A1 disclosed invention relates to a switching element by means of which at least a first and a second component can be brought in actuation in a force-transmitting and releasable connection. The switching element preferably serves as a brake or a clutch in a transmission, for example a vehicle transmission or a machine transmission.

In DE 10 2009 059 024 A1 wird ein Energietransformer mit elektroaktivem Polymer beschrieben. Das elektroaktive Polymer bildet eine Polymerfolie. Die elektroaktive Polymerfolie weist eine Elektrode und eine Gegenelektrode eines mechanisch flexiblen Kondensators auf, der aufgrund der mechanischen Flexibilität und des elektroaktiven Polymers eine variable Kapazität bildet. Die Elektrode und die Gegenelektrode weisen jeweils ein ebenes Elektrodengitter aus leitfähigem Material auf. Mehrere Elektrodengitter von Elektrode und Gegenelektrode sind abwechselnd übereinander beabstandet gestapelt und von dem Material des elektroaktiven Polymers durchdrungen. Zwischen jeder Elektrode und Gegenelektrode ist eine Schicht des elektroaktivem Polymers vorhanden. In DE 10 2009 059 024 A1 describes an energy transformer with electroactive polymer. The electroactive polymer forms a polymer film. The electroactive polymer film has an electrode and a counterelectrode of a mechanically flexible capacitor, which forms a variable capacitance due to the mechanical flexibility and the electroactive polymer. The electrode and the counter electrode each have a planar electrode grid made of conductive material. Multiple electrode grid of the electrode and counter electrode are alternately stacked one above the other and penetrated by the material of the electroactive polymer. Between each electrode and counter electrode is a layer of the electroactive polymer.

Dieser Kondensator mit elektroaktivem Polymer hat aufgrund der gitterförmigen Elektroden den Vorteil einer hohen Flexibilität, außerdem gestaltet sich die Herstellung einer derartigen aus einem Gitterelektrodenstapel hergestellten elektroaktiven Polymerkondensators äußerst kostengünstig, da praktisch mit einem Verfahrensschritt mit dem Einbringen des elektroaktiven Polymers in einem vorbereiteten Elektrodengitterstapel der Kondensator zur Verfügung steht. This capacitor with electroactive polymer has the advantage of a high flexibility due to the lattice-shaped electrodes, moreover, the production of such a grid electrode stack produced electroactive polymer capacitor designed extremely inexpensive, since practically with a process step with the introduction of the electroactive polymer in a prepared electrode grid stack of the capacitor for Available.

Besonders hervorzuheben sind neueste Ergebnisse in der Materialentwicklung bei elektroaktiven Polymeren. Particularly noteworthy are the latest results in the material development of electroactive polymers.

WO 2011 136 440 A1 beschreibt neuartige Verbundmaterialien für elektrische Aktuatoren, wobei dielektrische Elastomere mit fein dispergierten Füllstoffen beaufschlagt werden. Elektrisch leitende oder halbleitende Füllstoffe, wie verschiedene Typen von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs), Graphene, Cu-Phthalocyanine oder Bariumtitanat werden mit Hilfe von Dispergiermitteln auf Basis von Pyrenen oder Polymeren mit Amino-Endgruppen in eine dielektrische elastische Matrix eingelagert. Die erfindungsgemässen dielektrischen elastomeren Verbundstoffe weisen ausgezeichnete elektromechanische Eigenschaften für die Verwendung als Aktuatoren zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie auf. WO 2011 136 440 A1 describes novel composite materials for electric actuators wherein dielectric elastomers are loaded with finely dispersed fillers. Electrically conductive or semiconductive fillers, such as various types of carbon nanotubes (CNTs), graphenes, copper phthalocyanines or barium titanate are incorporated into a dielectric elastic matrix by means of dispersants based on pyrenes or polymers with amino end groups. The dielectric elastomeric composites of this invention have excellent electromechanical properties for use as actuators for converting electrical to mechanical energy.

WO 2012 019 979 A2 beschreibt einen elektromechanischen Wandler, umfassend ein durch eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode kontaktiertes dielektrisches Elastomer, wobei das dielektrische Elastomer ein Polyurethanpolymer umfasst. Das Polyurethanpolymer umfasst hierbei mindestens eine Polyester- und/oder Polycarbonat-Einheit. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektromechanischen Wandlers, die Verwendung des eingesetzten dielektrischen Elastomers sowie eine elektrische und/oder elektronische Vorrichtung, umfassend einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler. WO 2012 019 979 A2 describes an electromechanical transducer comprising a dielectric elastomer contacted by a first electrode and a second electrode, wherein the dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer. The polyurethane polymer here comprises at least one polyester and / or polycarbonate unit. The invention further relates to a method for producing such an electromechanical transducer, the use of the dielectric elastomer used and an electrical and / or electronic device comprising an electromechanical transducer according to the invention.

Es ist Aufgabe der Erfindung, verbesserte Antriebseinheiten auf Basis von elektroaktiven Polymeren bereitzustellen. It is an object of the invention to provide improved drive units based on electroactive polymers.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch Verfahren zum Betreiben der Antriebseinheit nach Anspruch 11 und Anspruch 12. The object is achieved by a drive unit having the features of claim 1, and by a method for operating the drive unit according to claim 11 and claim 12.

Erfindungsgemäß weist eine Antriebseinheit ein Kurbelgehäuse und eine darin angeordnete Kurbelwelle mit zumindest einer Kurbelwellenkröpfung mit zugehörigem Hubzapfen auf, wobei drei Zugelemente aus elektroaktivem Polymermaterial mit jeweils einem Ende an dem Hubzapfen der Kurbelwelle und mit ihrem jeweils anderen Ende an der Innenwand des Kurbelgehäuses so angebunden sind, dass die drei Zugelemente in einer zur Achse der Kurbelwelle normalen Ebene liegen. According to the invention, a drive unit has a crankcase and a crankshaft arranged therein with at least one crankshaft cranking with associated crankpin, wherein three tension elements made of electroactive polymer material are connected to the crankshaft crankpin at one end and to the inner wall of the crankcase at their other end, that the three tension elements lie in a plane normal to the axis of the crankshaft.

Die Anordnung von Zugelementen in einem zylindrischen Gehäuse mit konzentrisch gelagerter Kurbelwelle erlaubt eine besonders gute Ableitung der auftretenden Kräfte und ermöglicht eine kompakte und leichte Bauweise der Antriebseinheit. Durch eine Anordnung von drei Zugelementen um einen Hubzapfen einer Kurbelwelle kann eine vollständige, ruckfreie Drehung erzeugt werden. The arrangement of tension elements in a cylindrical housing with concentric crankshaft allows a particularly good dissipation of the forces and allows a compact and lightweight design of the drive unit. By an arrangement of three tension elements around a crankpin of a crankshaft, a complete, smooth rotation can be generated.

Die Anbindung der Zugelemente an den Hubzapfen der Kurbelwelle erfolgt mittels eines aus zwei Halbschalen gebildeten Befestigungselementes, welches im Abstand von 120 Grad jeweils eine Anbindungslasche zur Befestigung der Zugelemente aufweist. Die Ausführung des Befestigungselementes erlaubt eine einfache Montage auf den Hubzapfen von aus einem Stück hergestellten Kurbelwellen. Die Halbschalen des Befestigungselementes sollten zur Aufnahme von hohen Kräften zumindest vierfach verschraubt sein. Das Befestigungselement ist somit auf dem Hubzapfen der Kurbelwelle drehbar gelagert. Durch geeignete Toleranzen der Lagerung werden Beschädigungen der Kurbelwelle vermieden. Die auf dem Umfang des Befestigungselementes im Abstand von 120 Grad zueinander angeordneten Laschen dienen der Befestigung von drei Zugelementen, die somit schwenkbar gelagert sind. Die Zugelemente sind mit ihrem jeweils anderen Ende an der Innenwand des im Wesentlichen zylindrischen Kurbelgehäuses über weitere Laschen beweglich gelagert und angebunden. Durch die schwenkbare Lagerung mittels Laschen werden die Zugelemente in einer zur Kurbelwellenachse normalen Ebene mechanisch gut geführt und sind keiner Beanspruchung durch Verbiegen ausgesetzt. The connection of the tension elements to the crank pin of the crankshaft is effected by means of a fastening element formed from two half-shells, which each having a connection tab for fixing the tension elements at a distance of 120 degrees. The design of the fastener allows easy mounting on the crank pin made of one piece crankshafts. The half shells of the fastener should be at least four times screwed to accommodate high forces. The fastening element is thus rotatably mounted on the crank pin of the crankshaft. Suitable tolerances of the bearing damage the crankshaft are avoided. The on the circumference of the fastener at a distance of 120 degrees to each other arranged tabs are used to attach three tension elements, which are thus pivotally mounted. The tension elements are movably mounted and connected at their respective other end to the inner wall of the substantially cylindrical crankcase via further tabs. Due to the pivotal mounting means of tabs, the tension elements are mechanically guided well in a normal plane to the crankshaft axis and are not exposed to stress by bending.

Die Kurbelwelle kann erfindungsgemäß auch eine weitere, gegenüber einer ersten Kurbelwellenkröpfung um 180 Grad versetzte, Kurbelwellenkröpfung mit einem weiteren Hubzapfen aufweisen, wobei drei weitere Zugelemente aus elektroaktivem Polymermaterial mit jeweils einem Ende an dem weiteren Hubzapfen der Kurbelwelle und mit ihrem jeweils anderen Ende an der Innenwand des Kurbelgehäuses so angebunden sind, dass die drei weiteren Zugelemente in einer zur Achse der Kurbelwelle normalen Ebene liegen. Die in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordneten Zugelemente ermöglichen die Erzeugung höherer Antriebsmomente und einen gleichmäßigeren Lauf der Kurbelwelle der Antriebseinheit. According to the invention, the crankshaft can also have a crankshaft offset offset by 180 degrees relative to a first crankshaft offset with a further crank pin, wherein three further pulling elements of electroactive polymer material each have one end on the further crankpin of the crankshaft and with their respective other end on the inner wall the crankcase are connected so that the three other tension elements lie in a plane normal to the axis of the crankshaft. The arranged in two mutually parallel planes tension elements allow the generation of higher drive torque and a smoother running of the crankshaft of the drive unit.

Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Kurbelwelle drei um jeweils 120 Grad zueinander versetzte Kurbelwellenkröpfungen mit jeweils einem Hubzapfen auf, wobei jeweils drei Zugelemente aus elektroaktivem Polymermaterial mit jeweils einem Ende an einem der Hubzapfen der Kurbelwelle, und mit ihrem jeweils anderen Ende an der Innenwand des Kurbelgehäuses so angebunden sind, dass die jeweils drei Zugelemente in einer zur Achse der Kurbelwelle normalen Ebene liegen. Die Kraftübertragung auf eine Kurbelwelle mit drei oder mehr Kurbelwellenkröpfungen und zugehörigen Hubzapfen resultiert, in Analogie zur Anzahl der Zylinder in einem Verbrennungskraftmotor, in einem ruhigeren Lauf der Antriebseinheit. According to a preferred further embodiment of the invention, the crankshaft has three crankshaft cranks each offset by 120 degrees, each having a crank pin, wherein three traction elements made of electroactive polymer material, each having one end on one of the crank pin of the crankshaft, and with their respective other end on the Inner wall of the crankcase are connected so that the respective three tension elements lie in a plane normal to the axis of the crankshaft. The transmission of power to a crankshaft with three or more crankshaft cranks and associated crank pins results in a smoother running of the drive unit, analogous to the number of cylinders in an internal combustion engine.

Bei einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit vier Kurbelwellenkröpfungen können deren Winkel jeweils 90 Grad betragen. Bei mehr als vier Kurbelwellenkröpfungen können die Winkel entsprechend kleiner sein. In a drive unit according to the invention with four crankshaft cranks, their angles can each be 90 degrees. With more than four crankshaft cranks, the angles can be correspondingly smaller.

Bei Antriebseinheiten mit drei oder sechs Kurbelwellenkröpfungen kann anstatt einer zylindrischen Gehäuseform auch vorteilhaft ein sechseckiges Prisma als Grundform für das Gehäuse verwendet werden. In drive units with three or six crankshaft cranks, a hexagonal prism can also be advantageously used as a basic shape for the housing instead of a cylindrical housing shape.

Die in der erfindungsgemäßen Antriebseinheit verwendeten Zugelemente sind Faserstränge oder Folienverbünde aus elektroaktiven Polymeren mit eingelagerten elektrisch leitfähigen Elektroden und Gegenelektroden. Derartige Faserstränge und Folienverbünde sind an sich bekannt und können in unterschiedlicher Ausführung und Qualität als planare Folienstapel oder auch aufgerollt, mit oder ohne mechanische Vorspannung, ausgeführt sein. Die Zugelemente können durch Beaufschlagen mit einer elektrischen Spannung über eine Hochspannungsstromquelle von einem gedehnten Zustand reversibel in einen kontrahierten Zustand übergeführt werden. The tension elements used in the drive unit according to the invention are fiber strands or film composites of electroactive polymers with embedded electrically conductive electrodes and counter electrodes. Such fiber strands and film composites are known per se and can in different design and quality than planar film stack or rolled up, with or without mechanical bias, be executed. The traction elements can be reversibly converted from a stretched state to a contracted state by applying an electrical voltage across a high voltage power source.

Wie bei einem Hubkolbenmotor wird dabei die Kurbelwelle in Drehbewegung versetzt. Dies geschieht aber nicht durch den Druck eines Kolbens sondern durch die Zugkraft der elektroaktiven Polymerstränge. Elektroaktive Polymerstränge erzeugen durch Hochspannungsimpulse in einer genau definierten Reihenfolge eine Drehbewegung der Kurbelwelle. As in a reciprocating engine while the crankshaft is rotated. However, this does not happen by the pressure of a piston but by the tensile force of the electroactive polymer strands. Electroactive polymer strands generate a rotational movement of the crankshaft through high-voltage pulses in a well-defined sequence.

Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit werden die Zugelemente in der Reihenfolge erstes Zugelement, zweites Zugelement, drittes Zugelement, zyklisch so mit Hochspannung beaufschlagt, dass eine Drehbewegung der Kurbelwelle in einer ersten Richtung erzeugt wird. According to a method according to the invention for operating a drive unit, the tension elements are cyclically subjected to high voltage in the order of first tension element, second tension element, third tension element such that a rotational movement of the crankshaft is generated in a first direction.

Durch ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren werden die Zugelemente in der Reihenfolge erstes Zugelement, drittes Zugelement, zweites Zugelement, zyklisch so mit Hochspannung beaufschlagt, dass eine Drehbewegung der Kurbelwelle in die der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung erzeugt wird. By a further method according to the invention, the tension elements in the order first tension element, third tension element, second tension element, cyclically so high voltage applied that a rotational movement of the crankshaft in the direction opposite to the first direction is generated.

Eine Hochspannungssteuereinheit sorgt für die Beaufschlagung der einzelnen Zugelemente mit Hochspannungsimpulsen in der gewünschten Art und Reihenfolge. Der zeitliche Verlauf und eine eventuelle Überlappung der Hochspannungsimpulse zur Beaufschlagung unterschiedlicher, mit demselben Hubzapfen verbundener, Zugelemente kann so abgestimmt werden, dass eine möglichst effiziente und ruckfreie Drehbewegung der Kurbelwelle resultiert. A high-voltage control unit ensures that the individual tension elements are subjected to high-voltage pulses in the desired manner and sequence. The time course and a possible overlap of the high-voltage pulses for acting different, connected to the same crank pin, tension elements can be adjusted so that the most efficient and smooth rotational movement of the crankshaft results.

In Ausführungsformen mit mehr als einer Kurbelwellenkröpfung, bei denen erfindungsgemäß jeweils drei Zugelemente in einer zur Achse der Kurbelwelle normalen Ebene liegen, wird auch der zeitliche Verlauf der Hochspannungsimpulse an die Zugelemente in den verschiedenen Ebenen, d.h. an die mit unterschiedlichen Hubzapfen verbundenen Zugelemente, so gesteuert, dass eine möglichst ruckfreie Drehbewegung mit gewünschtem Drehmoment in der gewünschten Richtung erzeugt wird. In embodiments with more than one crankshaft cranking, in which, according to the invention, three tension elements each lie in a plane normal to the axis of the crankshaft, the time course of the high-voltage pulses to the tension elements in the different planes, i. to the tension elements connected with different crank pins, so controlled that a jerk-free rotational movement with the desired torque is generated in the desired direction.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. The invention will now be described by way of example with reference to the drawings.

1a zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Antriebseinheit mit nur einer Kurbelwellenkröpfung und einem Hubzapfen. (Schnittdarstellung mit Blickrichtung entlang der Achse des Kurbelgehäuses). 1a shows schematically a drive unit according to the invention with only one Kurbelwellenkröpfung and a crank pin. (Sectional view looking along the axis of the crankcase).

1b zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Antriebseinheit mit nur einer Kurbelwellenkröpfung und einem Hubzapfen. (Schnittdarstellung mit Blickrichtung normal zur Achse des Kurbelgehäuses). 1b shows schematically a drive unit according to the invention with only one Kurbelwellenkröpfung and a crank pin. (Sectional view with view normal to the axis of the crankcase).

2 zeigt schematisch den Aufbau eines Zugelementes in gedehntem Zustand. 2 schematically shows the structure of a tension member in the stretched state.

3 zeigt schematisch den Aufbau eines Zugelementes in kontrahiertem Zustand. 3 schematically shows the structure of a tension element in a contracted state.

4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Antriebseinheit mit zwei Kurbelwellenkröpfungen (Blickrichtung entlang der Achse des Kurbelgehäuses). 4 schematically shows a drive unit according to the invention with two crankshaft cranks (view along the axis of the crankcase).

5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Antriebseinheit mit drei Kurbelwellenkröpfungen (Blickrichtung entlang der Achse des Kurbelgehäuses). 5 schematically shows a drive unit according to the invention with three crankshaft cranks (view along the axis of the crankcase).

In den 1a und 1b ist eine erfindungsgemäße Antriebseinheit dargestellt, welche eine Kurbelwellenkröpfung 106 mit einem Hubzapfen 107 aufweist. Drei Zugelemente 101, 102, 103 sind mit dem Hubzapfen 107 über ein nicht dargestelltes Befestigungselement durch Laschen 108 verbunden. Ein erstes Zugelement 101 ist an einem Ende über eine Lasche 108 mit dem Hubzapfen 107 verbunden. Am anderen Ende ist das erste Zugelement 101 über eine weitere Lasche 109 mit der Innenwand des Kurbelgehäuses 100 verbunden. Ein zweites und drittes Zugelement 102, 103 sind ebenfalls an jeweils einem Ende über das Befestigungselement und die daran befindlichen Laschen 108 mit dem Hubzapfen 107 und am jeweils anderen Ende über Laschen 109 mit der Innenwand des Kurbelgehäuses 100 verbunden. Die Seitenansicht der Antriebseinheit in 1b zeigt, wie die drei Zugelemente 101, 102 und 103 in einer zur Achse der Kurbelwelle 105 normalen Ebene liegen. Das in den 1a und 1b beispielhaft dargestellte Kurbelgehäuse 100 ist im Wesentlichen zylindrisch und die Kurbelwelle 105 ist konzentrisch darin gelagert. In the 1a and 1b a drive unit according to the invention is shown, which is a Kurbelwellenkröpfung 106 with a crankpin 107 having. Three tension elements 101 . 102 . 103 are with the crankpin 107 via a not shown fastener by tabs 108 connected. A first tension element 101 is at one end over a tab 108 with the crankpin 107 connected. At the other end is the first tension element 101 over another tab 109 with the inner wall of the crankcase 100 connected. A second and third tension element 102 . 103 are also at one end over the fastener and the tabs located thereon 108 with the crankpin 107 and at the other end via tabs 109 with the inner wall of the crankcase 100 connected. The side view of the drive unit in 1b shows how the three tension elements 101 . 102 and 103 in one to the axis of the crankshaft 105 normal level. That in the 1a and 1b exemplified crankcase 100 is essentially cylindrical and the crankshaft 105 is stored concentrically in it.

2 zeigt ein Zugelement 37 in einem gedehnten Zustand. Das Zugelement 37 umfasst einen Folienverbund aus elektroaktivem Polymermaterial mit eingelagerten Elektroden 34 und Gegenelektroden 35. Eine Hochspannungsstromquelle 30 ist mit den Elektroden 34 und Gegenelektroden verbunden. Bei geöffnetem Schalter 32 liegt keine Spannung zwischen den Elektroden 34 und Gegenelektroden 35 an, und das Zugelement ist in einem gedehnten Zustand. Durch schließen des Schalters 32 wird Hochspannung zwischen den Elektroden 34 und den Gegenelektroden 35 angelegt, wodurch sich der Folienverbund aus elektroaktivem Polymer zusammenzieht. 2 shows a tension element 37 in a stretched condition. The tension element 37 comprises a film composite of electroactive polymer material with embedded electrodes 34 and counter electrodes 35 , A high voltage power source 30 is with the electrodes 34 and counter electrodes connected. When the switch is open 32 There is no voltage between the electrodes 34 and counter electrodes 35 on, and the tension member is in a stretched state. By closing the switch 32 will high voltage between the electrodes 34 and the counter electrodes 35 created, whereby the film composite of electroactive polymer contracts.

3 zeigt das Zugelement 38 in kontrahiertem Zustand. Das Zugelement 38 ist über einen Zapfen 26 schwenkbar in einer Lasche 109 gelagert und mit dem Kurbelgehäuse 100 verbunden. Das andere Ende des Zugelementes 38 ist über einen Zapfen 26 und optional über ein Zwischenstück 27 und einen weiteren Zapfen 26 schwenkbar in einer Lasche 108 gelagert und mit der Kurbelwelle 105 verbunden. 3 shows the tension element 38 in contracted condition. The tension element 38 is over a cone 26 swiveling in a tongue 109 stored and with the crankcase 100 connected. The other end of the tension element 38 is over a cone 26 and optionally via an intermediate piece 27 and another pin 26 swiveling in a tongue 108 stored and with the crankshaft 105 connected.

4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Antriebseinheit mit zwei Kurbelwellenkröpfungen 106, zwei Hubzapfen 107 und insgesamt sechs Zugelementen 101, 102, 103. Die Kurbelwellenkröpfungen 106 sind entlang der Achse der Kurbelwelle 105 angeordnet und um 180 Grad versetzt zueinander ausgerichtet. Mit dem Hubzapfen 107 einer ersten Kurbelwellenkröpfung 106 sind über ein Befestigungselement und Laschen 108 ein erstes Zugelement 101, ein zweites Zugelement 102 und ein drittes Zugelement 103 verbunden. Das jeweils andere Ende der Zugelemente 101, 102 und 103 ist über Laschen 109 schwenkbar mit dem Kurbelgehäuse 100 verbunden. Mit dem Hubzapfen der um 180 Grad versetzten Kurbelwellenkröpfung 106 sind über ein Befestigungselement und drei Laschen 108 im Winkel von 120 Grad drei weitere Zugelemente 101, 102, 103 verbunden. Das jeweils andere Ende der weiteren Zugelemente 101, 102, 103 ist über Laschen 109 mit der Innenwand des zylindrischen Kurbelgehäuses 100 verbunden. Die Laschen 109 für die Verbindung der drei weiteren Zugelemente sind gegenüber den Laschen für die drei Zugelemente der ersten Kurbelwellenkröpfung um 180 Grad versetzt angeordnet. 4 schematically shows a drive unit according to the invention with two crankshaft cranks 106 , two crank pins 107 and a total of six tension elements 101 . 102 . 103 , The crankshaft cranks 106 are along the axis of the crankshaft 105 arranged and around 180 Grad offset to each other. With the crankpin 107 a first Kurbelwellenkröpfung 106 are about a fastener and tabs 108 a first tension element 101 , a second tension element 102 and a third tension element 103 connected. The other end of the tension elements 101 . 102 and 103 is over tabs 109 swiveling with the crankcase 100 connected. With the crankpin the order 180 Degree offset crankshaft throw 106 are about a fastener and three tabs 108 at an angle of 120 Grade three more tension elements 101 . 102 . 103 connected. The other end of the other tension elements 101 . 102 . 103 is over tabs 109 with the inner wall of the cylindrical crankcase 100 connected. The tabs 109 for the connection of the three other tension elements are compared to the tabs for the three tension elements of the first Kurbelwellenkröpfung order 180 Grad arranged offset.

5 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit, in der die Kurbelwelle 105 drei um jeweils 120 Grad zueinander versetzte Kurbelwellenkröpfungen 106 mit jeweils einem Hubzapfen 107 aufweist. Die Antriebseinheit umfasst neun Zugelemente 101, 102, 103 von denen jeweils drei mit einem Hubzapfen 107 verbunden und in einer zur Kurbelwellenachse normalen Ebene angeordnet sind. Das jeweils andere Ende der Zugelemente ist über Laschen 109 mit der Innenseite des Kurbelgehäuses 100 verbunden. Das in 5 gezeigte Kurbelgehäuse ist im Wesentlichen zylindrisch, kann aber auch als sechseckiges Prisma ausgeführt sein. Die Erfindung ermöglicht somit, bei relativ geringem Gewicht der Antriebseinheit, eine besonders kompakte Bauform, sowie hohe Festigkeit zur Ableitung der zwischen Kurbelwelle 105 und Kurbelgehäuse 100 auftretenden Kräfte. 5 schematically shows a further preferred embodiment of a drive unit according to the invention, in which the crankshaft 105 three at a time 120 Degree offset crankshaft offsets 106 each with a crank pin 107 having. The drive unit comprises nine tension elements 101 . 102 . 103 of which three each with a crank pin 107 are connected and arranged in a plane normal to the crankshaft axis. The other end of the tension elements is via tabs 109 with the inside of the crankcase 100 connected. This in 5 shown crankcase is substantially cylindrical, but can also be designed as a hexagonal prism. The invention thus makes it possible, with relatively low weight of the drive unit, a particularly compact design, and high strength for the derivative between the crankshaft 105 and crankcase 100 occurring forces.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100: Kurbelgehäuse crankcase
105 105: Kurbelwelle crankshaft
106 106: Kurbelwellenkröpfung crank throw
107 107: Hubzapfen crank pins
108 108: Lasche (auf Kurbelwelle) Tab (on crankshaft)
109 109: Lasche (auf Kurbelgehäuse) Tab (on crankcase)
101 101: erstes Zugelement first tension element
102 102: zweites Zugelement second tension element
103 103: drittes Zugelement third tension element
26 26: Zapfen spigot
27 27: Zwischenstück connecting piece
30 30: Hochspannungsstromquelle High voltage power supply
32 32: Schalter switch
34 34: Elektroden electrodes
35 35: Gegenelektroden counter electrodes
37 37: Zugelement (gedehnter Zustand) Tension element (stretched state)
38 38: Zugelement (kontrahierter Zustand) Tension element (contracted state)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009028102 A1 [0006]
DE 102008041403 A1 [0007]
DE 102009059024 A1 [0008]
WO 2011136440 A1 [0011]
WO 2012019979 A2 [0012]

Claims

Drive unit comprising a crankcase ( 100 ) and a crankshaft ( 105 ) with at least one crankshaft cranking ( 106 ) with associated crank pin ( 107 ), characterized in that three tension elements ( 101 . 102 . 103 ) made of electroactive polymer material, each having one end on the crankpin ( 107 ) of the crankshaft ( 105 ) and with their respective other end on the inner wall of the crankcase ( 100 ) are connected so that the three tension elements ( 101 . 102 . 103 ) in one to the axis of the crankshaft ( 105 ) normal level.

Drive unit according to claim 1, characterized in that the connection of the tension elements ( 101 . 102 . 103 ) with the crank pins ( 107 ) of the crankshaft ( 105 ) by means of a fastening element formed from two half-shells, wherein the fastening element at a distance of 120 degrees in each case a tab ( 108 ) for fastening the tension elements ( 101 . 102 . 103 ) having.

Drive unit according to claim 2, characterized in that the half-shells of the fastening element are screwed four times.

Drive unit according to one of the preceding claims, characterized in that the tension elements ( 101 . 102 . 103 ) with the inner wall of the crankcase ( 100 ) over tabs ( 109 ) are movably mounted.

Drive unit according to one of the preceding claims, characterized in that the crankcase ( 100 ) is substantially cylindrical.

Drive unit according to claim 5, characterized in that the crankshaft ( 105 ) in the crankcase ( 100 ) is arranged concentrically.

Drive unit according to one of the preceding claims, characterized in that the crankshaft ( 105 ) another crankshaft throw ( 106 ) with another crankpin ( 107 ), wherein the two crankshaft cranks are offset by 180 degrees to each other, and wherein three further tension elements ( 101 . 102 . 103 ) of electroactive polymer material having one end on the further crank pin ( 107 ) of the crankshaft ( 105 ), and with its other end on the inner wall of the crankcase ( 100 ) are connected so that the three further tension elements ( 101 . 102 . 103 ) in one to the axis of the crankshaft ( 105 ) normal level.

Drive unit according to one of claims 1-6, characterized in that the crankshaft ( 105 ) three more crankshaft cranks ( 106 ) each with a further crank pin ( 107 ), wherein the three crankshaft cranks are each offset by 120 degrees to each other, and wherein in each case three further tension elements ( 101 . 102 . 103 ) of electroactive polymer material, each having one end on one of the two further crank pins ( 107 ) of the crankshaft ( 105 ), and with their respective other end on the inner wall of the crankcase ( 100 ) are connected so that the respective three further tension elements ( 101 . 102 . 103 ) in one to the axis of the crankshaft ( 105 ) normal level.

Drive unit according to one of the preceding claims, characterized in that it is in the tension elements ( 101 . 102 . 103 ) fiber strands or film composites of electroactive polymers with embedded electrically conductive electrodes ( 34 ) and counterelectrodes ( 35 ).

Drive unit according to one of the preceding claims, characterized in that the tension elements ( 101 . 102 . 103 ) by applying an electrical voltage via a high voltage power source ( 30 ) of a stretched state ( 37 ) reversibly into a contracted state ( 38 ) are transferred.

Method for operating a drive unit according to one of the preceding claims, characterized in that the tension elements ( 101 . 102 . 103 ) in the order first tensile element ( 101 ), second tension element ( 102 ), third tension element ( 103 ) are subjected cyclically so high voltage that a rotational movement of the crankshaft ( 105 ) is generated in a first direction.

Method for a drive unit according to one of claims 1-10, wherein the drive unit is operable according to the method of claim 11, characterized in that the tension elements ( 101 . 102 . 103 ) in the order first tensile element ( 101 ), third tension element ( 103 ), second tension element ( 102 ) are subjected cyclically so high voltage that a rotational movement of the crankshaft ( 105 ) is generated in the direction opposite to the first direction.