-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem Gehäuse, mit einem Abtriebselement, mit einem ersten Aktuator und mit einem zweiten Aktuator, wobei das Abtriebselement an dem Gehäuse drehbar gelagert ist und die beiden Aktuatoren zwischen dem Abtriebselement und dem Gehäuse aufgenommen sind, wobei durch den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator Kräfte erzeugbar sind, welche im Wesentlichen in ungleichen Richtungen wirken, wobei zumindest einer der Aktuatoren aus einer Form-Gedächtnis-Legierung gebildet ist.
-
Stand der Technik
-
Zum Verstellen von Elementen werden in unterschiedlichsten Anwendungen Antriebe benötigt, die es ermöglichen auf kleinem Raum eine definierte Verstellung zu erzeugen. Solche Elemente können beispielsweise Klappen in Klima- und Lüftungsanlagen von Fahrzeugen sein.
-
Die Antriebe sind dabei häufig durch Elektromotoren realisiert, welche direkt oder über ein Getriebe auf ein zu verstellendes Element einwirken. Durch den Einsatz eines Getriebes werden die Antriebe dabei größer und weisen aufgrund der Vielzahl der verwendeten Teile eine hohe Komplexität auf. Zusätzlich entstehen durch den Einsatz von Getrieben zusätzliche Geräuschquellen, die den akustischen Komfort beeinträchtigen können.
-
Nachteilig an den Lösungen im Stand der Technik sind dabei insbesondere der erhöhte Bauraumbedarf von Antrieben mit Getrieben und die negative Beeinträchtigung des akustischen Komforts. Weiterhin ist der Aufbau eines Antriebs mit Getriebe technisch komplex und erfordert in der Entwicklung einen hohen Abstimmungsaufwand sowie im Betrieb eine aufwendige elektrische Ansteuerung.
-
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Antriebsvorrichtung bereitzustellen, die gegenüber den Lösungen im Stand der Technik optimiert ist. Hierzu sollen insbesondere die Komplexität und die entstehende Beeinträchtigung des akustischen Komforts möglichst gering sein.
-
Die Aufgabe der Antriebsvorrichtung wird durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem Gehäuse, mit einem Abtriebselement, mit einem ersten Aktuator und mit einem zweiten Aktuator, wobei das Abtriebselement an dem Gehäuse drehbar gelagert ist und die beiden Aktuatoren zwischen dem Abtriebselement und dem Gehäuse aufgenommen sind, wobei durch den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator Kräfte erzeugbar sind, welche im Wesentlichen in ungleichen Richtungen wirken, wobei zumindest einer der Aktuatoren aus einer Form-Gedächtnis-Legierung gebildet ist, wobei das Abtriebselement von zumindest einem Aktuator umschlungen ist wobei der Aktuator auf das Abtriebselement aufwickelbar oder von dem Abtriebselement abwickelbar ist.
-
Eine Antriebsvorrichtung beschreibt hier eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist ein Element, wie beispielsweise eine Klappe einer Klimaanlage, zu verstellen. Hierbei ist die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung insbesondere dazu geeignet ein Element rotatorisch zu verstellen. Das Abtriebselement ist dabei vorteilhafterweise durch einen zylindrischen Körper gebildet, welcher um einer Drehachse drehbar im Gehäuse gelagert ist. Das Abtriebselement ist vorteilhafterweise aus einem Material gebildet welches elektrisch nicht leitfähig ist und gute Gleiteigenschaften aufweist. Ein bevorzugtes Material ist beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen). Auch ein elektrisch leitendes Material mit einer entsprechenden elektrisch isolierenden Beschichtung kann vorgesehen werden.
-
Die Kraftwirkungsrichtungen sind dabei vorteilhafterweise derart orientiert, dass eine Bewegung in ungleiche Richtungen hervorrufbar ist. Für den Fall, dass die beiden Richtung beispielsweise parallel zueinander liegen, ist zumindest die Orientierung der Kräfte entlang der Richtungen voneinander abweichend.
-
Das Abtriebselement ist zumindest von einem der Aktuatoren umschlungen. Dabei ist das Abtriebselement zumindest entlang der Hälfte seines Umfangs von dem Aktuator umschlungen. Vorteilhafterweise kann das Abtriebselement mehrfach von dem Aktuator umschlungen sein.
-
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn das Abtriebselement an seinem Außenradius zumindest eine gewindeartige umlaufende Struktur aufweist, in welche zumindest einer der Aktuatoren eingreift.
-
Eine gewindeartige Struktur kann dabei durch umlaufende Vertiefungen, wie beispielsweise Rillen, erzeugt sein. Alternativ können auch umlaufende Erhebungen vorgesehen sein, welche ein kontrolliertes Aufwickeln und Abwickeln der Aktuatoren ermöglichen. Über eine gewindeartige Struktur kann dabei eine geordnete Wicklung auf dem Abtriebselement erzeugt werden.
-
Auch kann es zweckmäßig sein, wenn der erste Aktuator und/oder der zweite Aktuator durch einen Draht gebildet ist, welcher aus einer Form-Gedächtnis-Legierung gebildet ist.
-
Ein Draht aus einer Farm-Gedächtnis-Legierung ist besonders vorteilhaft, da dieser leicht herstellbar ist, auf einfach Weise verbaut werden kann und zusätzlich insbesondere hinsichtlich der Abmaße und des Gewichts eine bauraumoptimierte Gestaltung der Antriebsvorrichtung zulässt.
-
Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, wenn einer der Aktuatoren durch ein Kraftspeicherelement gebildet ist, welches einer Bewegung des Abtriebselementes infolge einer Aktivierung des jeweils anderen Aktuators entgegenwirkt.
-
Ein Kraftspeicherelement kann beispielsweise ein Federelement sein, welches der Wirkungsrichtung des Aktuators, der aus einer Form-Gedächtnis-Legierung gebildet ist, entgegenwirkt. Die Feder kann dabei den Rückformungsprozess der Form-Gedächtnis-Legierung in den Ausgangszustand unterstützen.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren an jeweils einem ihrer Endbereiche fest mit dem Abtriebselement verbunden sind und an dem jeweils anderen Endbereich fest mit dem Gehäuse verbunden sind.
-
Über eine feste Anbindung der Aktuatoren an dem Abtriebselement wird die Kraftübertragung von dem Aktuator auf das Abtriebselement gewährleistet. Über eine feste Anbindung des jeweils anderen Endbereichs an das Gehäuse wird erreicht, dass die durch den Aktuator erzeugte Kraft gegenüber dem Gehäuse abgestützt werden kann.
-
Auch ist es zu bevorzugen, wenn der erste Aktuator und/oder der zweite Aktuator an elektrische Kontaktierungen angebunden sind.
-
Insbesondere um Aktuatoren, welche aus einer Form-Gedächtnis-Legierung gebildet sind, zu aktivieren, ist eine elektrische Kontaktierung notwendig. Hierbei kann ein elektrischer Anbindungspunkt vorleilhafterweise der Verbindungspunkt zwischen dem Aktuator und dem Abtriebselement sein. Ein zweiter elektrischer Anbindungspunkt kann dabei beispielsweise der Verbindungspunkt zwischen dem Aktuator und dem Gehäuse sein. In einer vorteilhaften Ausführung kann beispielsweise auch das gesamte Gehäuse elektrisch leitend ausgeführt sein.
-
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass beide Aktuatoren durch einen Draht aus einer Form-Gedächtnis-Legierung gebildet sind, wobei jeweils ein Aktuator durch die Aktivierung des jeweils anderen Aktuators auf das Abtriebselement aufgewickelt wird, wobei der aktivierte Aktuator dabei von dem Abtriebselement abgewickelt wird.
-
Durch die Aktivierung eines Aktuators wird eine Verkürzung des aktivierten Aktuators erreicht. Diese Verkürzung führt zu einer Drehbewegung des Abtriebselementes und gleichzeitig zu einem Abwickeln des Aktuators von dem Abtriebselement. Der zweite Aktuator wird dabei vorteilhafterweise auf das Abtriebselement aufgewickelt. Der zweite Aktuator kann dabei einen Widerstand bilden, welcher durch den ersten Aktuator überwunden werden muss.
-
Durch eine abwechselnde oder auch gleichzeitige Aktivierung des ersten und des zweiten Aktuators kann eine genau dosierbare Bewegung des Abtriebselementes erzeugt werden oder alternativ das Abtriebselement in einer frei definierbaren Stellung positioniert und gehalten werden.
-
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn das Abtriebselement in einer Grundstellung von dem ersten Aktuator und/oder dem zweiten Aktuator mehrfach umschlungen ist.
-
Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die mögliche maximale Längenänderung eines Aktuators, der aus einer Form-Gedächtnis-Legierung gebildet ist, von der Gesamtlänge des Aktuators abhängt. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass der Aktuator aus einem Draht erzeugt ist. Je länger der Draht bzw. der Aktuator somit insgesamt ist, desto länger ist die mögliche Längenänderung und damit auch die mögliche Verstellung des Abtriebselementes.
-
Durch eine mehrfache Umschlingung des Abtriebselementes kann weiterhin eine Verdrehung des Abtriebselementes erzeugt werden, die einem Verdrehwinkel von größer 360° entspricht. Je nach Einsatzzweck der Antriebsvorrichtung ist dies besonders vorteilhaft.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Positionsrückmeldesystem vorgesehen ist, welches die jeweilige Position des Abtriebselementes ausgehend von einer Grundstellung bestimmbar macht.
-
aber ein Positionsrückmeldesystem, wie beispielsweise einem Potentiometer oder einem optisches System, kann die genaue Position des Abtriebselementes jederzeit genau bestimmt werden. Das Positionssignal kann weiterhin zur weiteren Verstellung in eine bestimmte Richtung oder zu Korrektur der Position des Abtriebselementes herangezogen werden.
-
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn der erste Aktuator und der zweite Aktuator in einer Grundstellung zumindest teilweise derart auf das Abtriebselement aufgewickelt sind, dass das Abtriebselement von jedem Aktuator mehrfach umschlungen ist, wobei die Aufwicklungen jeweils einer gewindeartigen Struktur folgen, wobei der Verlauf der gewindeartigen Struktur für den ersten Aktuator dabei gleichsinnig oder gegensinnig zum Verlauf der gewindeartigen Struktur des zweiten Aktuators ist.
-
Insbesondere über einen gegensinnigen Verlauf der gewindeartigen Struktur kann vorteilhaft die Bewegung des Abtriebselementes in die eine Drehrichtung oder die andere Drehrichtung realisiert werden, Eine Ausführung bei der das Abtriebselement von beiden Aktuatoren mehrfach Umschlungen ist, ist besonders vorteilhaft, um einen möglichst großen Verstellbereich für das Abtriebselement zu realisieren.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer Antriebsvorrichtung, wobei einer der Aktuatoren durch ein Kraftspeicherelement und ein weiterer Aktuator durch einen Draht aus einer Form-Gedächtnis-Legierung gebildet ist, und
-
2 eine schematische Ansicht einer Antriebsvorrichtung, wobei beide Aktuatoren durch jeweils einen Draht aus einer Form-Gedächtnis-Legierung gebildet sind.
-
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
-
Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Antriebsvorrichtung 1. Die Antriebsvorrichtung 1 ist durch ein Gehäuse 2 gebildet, welches in seinem Inneren im Wesentlichen ein Abtriebselement 3 sowie einen ersten Aktuator 4 und einen zweiten Aktuator 5 aufweist.
-
Das Abtriebselement 3 ist dabei durch einen zylinderförmigen Körper gebildet, welche an einer Öffnung 12 im rechten Bereich das Gehäuse 2 der Antriebsvorrichtung 1 durchdringt. Das Abtriebselement 3 ist dabei an zwei sich gegenüberliegenden Wandungen des Gehäuses 2 über Lagerungen 6 drehbar gelagert. Das Abtriebselement 3 weist an seinem äußeren Umfang eine gewindeartige Struktur 11 auf, welche beispielsweise durch eine Vertiefung oder eine Erhöhung, welche umlaufend um den Umfang des Abtriebselementes 3 angeordnet ist, gebildet sein kann.
-
Der erste Aktuator 4 ist in 1 durch ein Kraftspeicherelement gebildet. Dieses Kraftspeicherelement ist an einem Anbindungspunkt an eine Innenwandung des Gehäuses 2 angebunden. An einem gegenüberliegenden Endbereich ist der erste Aktuator 4 am äußeren Umfang des Abtriebselementes 3 angeordnet. Auf diese Weise kann durch den Aktuator 4 eine Kraft zwischen dem Gehäuse 2 und dem Abtriebselement 3 übertragen werden.
-
Der erste Aktuator 4 ist in der 1 durch eine Feder gebildet. In 1 ist die Feder durch ein Symbol dargestellt. Die Feder kann sowohl als lineare Feder ausgebildet sein als auch als rotatorische Feder, welche beispielsweise um das Abtriebselement 3 herumgewickelt sein kann.
-
Der zweite Aktuator 5 der Antriebsvorrichtung 1 ist durch einen Draht gebildet, welcher aus einer Form-Gedächtnis-Legierung hergestellt ist. Dieser ist mit einem seiner Endbereiche am Anbindungspunkt 9 an einer Innenwandung des Gehäuses 2 angebunden.
-
Der andere Endbereich des Aktuators 5 ist am Abtriebselement 3 fest angebunden. Der Aktuator 5 ist dabei in einer Wicklung 10 entlang des Abtriebselementes 3 aufgewickelt. Der Aktuator 5 bzw. der Draht, welcher den Aktuator bildet, ist dabei an der gewindeartigen Struktur 11 des Abtriebselementes 3 entlang auf das Abtriebselement 3 aufgewickelt. Die gewindeartige Struktur 11 ist dabei insbesondere vorteilhaft, um ein geordnetes Auf- bzw. Abwickeln des Aktuators 5 auf das Abtriebselement 3 bzw. von dem Abtriebselement 3 zu ermöglichen.
-
Der Aktuator 5 ist sowohl über die elektrische Kontaktierung 9, welche an der gleichen Stelle wie die Anbindung 9 an dem Gehäuse 2 angeordnet ist, als auch über die elektrische Kontaktierung 7, welche über eine elektrische Leitung mit dem elektrischen Kontaktierungspunkt 8 verbunden ist, mit einem in 1 nicht gezeigten Stromkreis verbunden. Auf diese Weise kann der erste Aktuator 5 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden.
-
Der Aktuator 5, welcher aus einer Form-Gedächtnis-Legierung hergestellt ist, heizt sich infolge einer angelegten Spannung auf, wodurch ein Übergang von einem ersten Zustand des Aktuators 5 in einen zweiten Zustand des Aktuators 5 erzeugt werden kann. Bei Form-Gedächtnis-Legierungen, welche als Draht ausgebildet sind, unterscheiden sich die beiden Zustände im Wesentlichen durch die Gesamtlängenausdehnung des Aktuators. Im Falle des Drahtes des Aktuators 5 kann so also durch eine Erwärmung bzw. Abkühlung des Drahtes eine Längenänderung des Drahtes erzeugt werden.
-
Im Falle, dass sich der Aktuator 5 aufgrund einer Längenänderung zusammenzieht, wird ein Teil des Drahtes, welcher auf das Abtriebselement 3 aufgewickelt ist, von diesem abgewickelt, wodurch das Abtriebselement 3 verdreht wird. Der erste Aktuator 4 ist dabei derart angeordnet, dass die Kraft des Kraftspeichelementes der Abwickelbewegung entgegengerichtet ist. Zwischen dem ersten Aktuator 4 und dem zweiten Aktuator 5 entsteht so ein antagonistisches Verhältnis. Die Kraftwirkung des einen Aktuators 4, 5 wirkt dabei der Kraftwirkung des anderen Aktuators 4, 5 entgegen. Auf diese Weise kann das Abtriebselement 3 gezielt bewegt werden und in einzelnen Positionen fixiert werden.
-
Wird die Bestromung des zweiten Aktuators 5 unterbrochen, kühlt sich der Draht wieder ab, wodurch eine Längenzunahme des Drahtes entsteht. Dies begünstigt ein Zurückdrehen des Abtriebselementes 3 in die Grundstellung. Dabei wird das Abtriebselement 3 durch die Federkraft des Kraftspeicherelementes des ersten Aktuators 4 in seiner Rückbewegung unterstützt. Der zweite Aktuator 5 muss folglich, um eine Verdrehung des Abtriebselementes 3 zu erzeugen, die ihm durch den ersten Aktuator 4 entgegengesetzte Kraft überwinden. Ebenso muss der Aktuator 4 den durch den Aktuator 5 erzeugten Widerstand überwinden, um das Abtriebselement 3 wieder in die Grundstellung zurückzudrehen.
-
Die 1 stellt eine schematische Prinzipdarstellung einer Antriebsvorrichtung 1 dar. Sowohl die Anbindungspunkte der Aktuatoren 4, 5 an das Gehäuse, die Anbindungspunkte an das Abtriebselement 3 als auch die elektrischen Kontaktierungen 7, 8, 9 sind lediglich beispielhaft. Sie können in ihrer Anzahl und Art der Anordnung von dem in 1 gezeigten Beispiel abweichen. Beispielsweise ist es ebenso denkbar, die elektrische Kontaktierung des Aktuators 5 nicht über ein zwischen dem elektrischen Kontaktierungspunkt 8 und dem elektrischen Kontaktierungspunkt 7 geführtes Kabel zu realisieren, sondern durch ein elektrisch leitfähiges Abtriebselement.
-
Das Abtriebselement 3 kann in einer Vielzahl verschiedener am Markt erhältlicher Lagerungen innerhalb des Gehäuses 2 gelagert sein. Vorteilhafterweise weist das Abtriebselement 3 eine Oberfläche auf, welche im Bereich der Wicklung 10 elektrisch nicht leitend ist. Weiterhin weist das Abtriebselement 3 vorteilhafterweise eine Oberfläche auf, welche ein leichtes Abgleiten des Drahtes des zweiten Aktuators 5 auf der Oberfläche des Abtriebselementes 3 erlaubt. Ein besonders vorteilhaftes Material für diese Anwendung ist PTFE.
-
Die 2 zeigt eine weitere schematische Ansicht einer Antriebsvorrichtung 1. Die Bezugszeichen stimmen, soweit die Elemente mit denen in 1 gezeigten Elementen identisch sind, mit diesen überein.
-
Der in 1 durch ein Kraftspeicherelement gebildete erste Aktuator 4 ist nun ebenfalls durch einen Draht aus einer Farm-Gedächtnis-Legierung gebildet. Dieser Aktuator 15 ist an einem Punkt 18 am Gehäuse 2 angebunden. Der Punkt 18 stellt gleichzeitig eine elektrische Kontaktierung 18 des Aktuators 15 dar. Der Draht des Aktuators 15 ist über das Abtriebselement 3 in einer Wicklung 19 entlang der gewindeartigen Struktur 20 aufgewickelt. Über die elektrische Kontaktierung 16, welche mittels eines Kabels mit der elektrischen Kontaktierung 17 am Gehäuse 2 verbunden ist, ist der Aktuator 15 an einen Stromkreis, welcher in 2 nicht gezeigt ist, angeschlossen.
-
Die gewindeartigen Strukturen 11 und 20 der 2 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gleichsinnig um das Abtriebselement 3 gewickelt. In einer alternativen Ausführungsform können auch ungleichsinnige gewindeartige Strukturen vorgesehen werden.
-
Die Anbindung der Aktuatoren 5 bzw. 15 am Abtriebselement 3 erfolgt in einem zentralen Bereich, an dem auch die elektrische Kontaktierung über die Kontakte 7 bzw. 16 erfolgt. In alternativen Ausführungsformen kann die Anbindung der Aktuatoren auch an einem dem Gehäuse zugewandten Bereich des Abtriebselementes erfolgen. Ebenso kann die Anordnung der elektrischen Kontaktierungen, welche in 2 gezeigt sind, in alternativen Ausführungsformen abweichen. Die 2 ist eine beispielhafte schematische Darstellung, welche das Erfindungsprinzip verdeutlichen soll.
-
Wird nun beispielsweise der Aktuator 5 bestromt, wodurch er sich erhitzt und verkürzt, wird ein Teil der Wicklung 10 von dem Abtriebselement 3 abgewickelt, indem das Abtriebselement 3 in eine Bewegung versetzt wird. Gleichzeitig wird der zweite Aktuator 15 gedehnt, wodurch ein weiterer Abschnitt des Aktuators 15 auf das Abtriebselement 3 aufgewickelt wird. Der Aktuator 5 muss um eine Bewegung des Abtriebselementes 3 zu erzeugen also auch den Widerstand, welcher ihm durch den Aktuator 15 entgegengesetzt wird überwinden.
-
Eine Bewegungsumkehr des Abtriebselementes 3 ist beispielsweise durch das Abschalten der Bestromung des Aktuators 5 und das Anschalten der Bestromung des Aktuators 15 zu erreichen. Alternativ können auch beide Aktuatoren 5, 15 gleichzeitig bestromt sein. Abhängig von der Größe der Kraftkomponenten der bestromten Aktuatoren 5 bzw. 15 entsteht somit entweder ein Kräftegleichgewicht, wodurch das Abtriebselement 3 in einer Position fixiert wird oder im Falle, dass eine der Kraftkomponenten der Aktuatoren 5 bzw. 15 überwiegt, ein Kräfteungleichgewicht, wodurch eine Bewegung in die eine oder die andere Richtung ausgelöst wird.
-
Über ein Steuerelement können die Aktuatoren 5 bzw. 15 derart zielgerichtet angesteuert werden, dass das Abtriebselement 3 stufenlos verstellbar ist. Dabei kann das Abtriebselement 3 in jeder beliebigen Position über eine gezielte Bestromung der Aktuatoren 5 bzw. 15 fixiert werden.
-
An das Abtriebselement 3 der 1 bzw. 2 kann außerhalb des Gehäuses 2 der Antriebsvorrichtung 1 beispielsweise eine Klappe zum Öffnen und Verschließen eines Luftkanals in einer Klimaanlage angeschlossen werden. Auch jegliche andere Anordnung von Elementen, welche über eine rotatorische Bewegung verstellt werden können, ist in alternativen Ausführungsformen vorsehbar.
-
Über ein in den 1 und 2 nicht gezeigtes Positionsrückmeldungssystem kann die genaue Positionierung des Abtriebselementes 3 erfasst werden. Hierzu können beispielsweise Potentiometer vorgesehen werden oder auch eine optische Erkennung, welche den Verdrehwinkel des Abtriebselementes 3 erfasst.
-
Über eine mehrfache Umschlingung des Abtriebselementes 3, wie sie in 1 bzw. 2 dargestellt ist, ist sichergestellt, dass auch eine Verdrehung des Abtriebselementes 3 größer als 360° erzeugt werden kann.
-
Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 sind lediglich beispielhaft und besitzen keinen beschränkenden Charakter. Die einzelnen Elemente der Ausführungsbeispiele 1 und 2 können untereinander kombiniert werden.
