DE102013224479A1

DE102013224479A1 - Linearaktuator

Info

Publication number: DE102013224479A1
Application number: DE102013224479.7A
Authority: DE
Inventors: Philippe Cachot; Marcel Soltermann
Original assignee: SKF AB
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator (1), umfassend ein erstes Bauteil (2) und ein relativ zum ersten Bauteil (2) translatorisch in eine Translationsrichtung (T) bewegliches zweites Bauteil (3), wobei am zweiten Bauteil (3) ein Befestigungsabschnitt (4) angeordnet ist, an dem ein weiteres Bauteil befestigt werden kann. Um bei einseitiger Belastung des Linearaktuators bei kleinerer Bauweise höhere Lasten tragen zu können, sieht die Erfindung vor, dass ein Federelement (5) zur Erzeugung einer Federkraft in Translationsrichtung (T) wirksam zwischen dem ersten Bauteil (2) und dem Befestigungsabschnitt (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator, umfassend ein erstes Bauteil und ein relativ zum ersten Bauteil translatorisch in eine Translationsrichtung bewegliches zweites Bauteil, wobei am zweiten Bauteil ein Befestigungsabschnitt angeordnet ist, an dem ein weiteres Bauteil befestigt werden kann.
Ein Linearaktuator dieser Art ist vorgesehen, über einen definierten Verstellweg eine Verschiebekraft aufzubringen. Der Aktuator muss dabei gemäß den erwarteten Kräften dimensioniert werden. Je größer und stabiler der Aktuator gebaut werden muss, desto mehr erhöht sich auch der Platzbedarf, das Gewicht und die Herstellkosten.
Unter gewissen Betriebsbedingungen tritt der Fall auf, dass stets eine Kraft einer gewissen Größenordnung auf den Aktuator wirkt, die immer in dieselbe Richtung weist. Beispielshaft sei die Belastung durch eine Gewichtskraft einer Komponente genannt, die einen Linearaktuator der genannten Art stets in eine Richtung beaufschlagt. Zusätzlich zu der Gewichtskraft ergeben sich dann noch Kraftanteile die zeitvariabel und/oder variabel über den Verstellweg sind.
Dabei muss der Verstellmechanismus des Aktuators, beispielsweise also die Kugelgewindespindel, stets die gesamte Kraft aufnehmen bzw. aufbringen, so dass eine entsprechend nachteilig große Dimensionierung des Aktuators und der Gewindespindel vorgesehen werden muss.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Linearaktuator so fortzubilden, dass bei einseitiger Belastung des Aktuators eine kleinere Bauweise möglich wird, die in der Lage ist, höhere Lasten zu tragen. Der Linearaktuator soll damit kleiner gebaut werden können und kostengünstiger herstellbar sein.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung sieht vor, dass ein Federelement zur Erzeugung einer Federkraft in Translationsrichtung wirksam zwischen dem ersten Bauteil und dem Befestigungsabschnitt angeordnet ist.
Das erste Bauteil ist dabei bevorzugt ein Gehäuse; das zweite Bauteil ist bevorzugt eine Stange.
Das Federelement ist bevorzugt eine Schraubenfeder. Es besteht dabei bevorzugt aus Federstahl.
Der Linearaktuator kann zur Bewegung des zweiten Bauteils eine Gewindespindel aufweisen, wobei das zweite Bauteil als Gewindestange ausgebildet ist. Die Gewindespindel ist bevorzugt als Rollen- oder Kugelgewindespindel ausgebildet.
Der Linearaktuator kann zur Bewegung des zweiten Bauteils auch ein hydraulisches oder pneumatisches Kolben-Zylinder-System aufweisen, wobei das zweite Bauteil mit dem Kolben des Kolben-Zylinder-Systems verbunden ist.
Der Befestigungsabschnitt ist bevorzugt als Gelenköse ausgebildet.
Der Linearaktuator ist bevorzugt als elektrischer Servoaktuator ausgebildet.
Die Erfindung stellt also darauf ab, dass insbesondere ein elektrischer Servoaktuator mittels eines Federelements unterstützt wird. Der Aktuator ist dabei als Einheit ausgeführt.
Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass bei Aktuatoren, insbesondere bei solchen mit Gewindespindeln, die maximale Last durch die Tragfähigkeit der Gewindespindel begrenzt ist. Im Falle einer permanenten Druckkraft auf den Aktuator, die stets nur von einer Seite wirkt (beispielsweise im Falle einer gewichtskraftbedingten Belastung) kann durch das vorgesehene Federelement ein Teil dieser Kraft aufgenommen und getragen werden, wozu das Federelement zwischen das Ende der verschieblichen Stange und dem Gehäuse des Aktuators montiert wird.
Demgemäß muss der Aktuator selber bzw. die Gewindespindel nur noch den nicht von der Feder aufgenommenen Kraftanteil tragen, was zur Folge hat, dass der Aktuator kleiner gebaut werden kann. Andererseits kann bei gleicher Baugröße nunmehr eine höhere Kraft aufgenommen werden.
Der mit Feder versehene Aktuator kann als eine Einheit gehandhabt werden.
Beispielhafte Anwendungsfälle sind der Druckmaschinenbereich und der Textilmaschinenbereich. Natürlich sind aber auch beliebige weitere Anwendungsfälle denkbar.
Vorteilhaft kann somit eine kleinere und leichtere und weiterhin kostengünstigere Bauweise realisiert werden.
Ein vergleichbarer Aktuator, der nicht erfindungsgemäß ausgestaltet ist, würde eine vergleichbare Last nur über kurze Zeit aufnehmen können. Demgemäß kann die Gebrauchsdauer des Aktuators erfindungsgemäß wesentlich verlängert werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass auch nur eine geringere Energieaufnahme gegeben ist, da mit einem kleineren Antrieb gearbeitet werden kann.
Infolge der stets gleichen Richtung der Kraft, die auf den Aktuator wirkt, ist Spielfreiheit gegeben, was die Genauigkeit der Positionierung erhöht.
Der Einsatz einer metallischen Feder ist hinsichtlich des dynamischen Verhaltens des Aktuators vorteilhaft.
Das Federelement kann auch um das gesamte Gehäuse herumlaufen, d. h. dieses umfassen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 in Explosionsdarstellung einen Linearaktuator,
2a die Seitenansicht des Linearaktuators gemäß 1 in ausgefahrener Stellung,
2b die Seitenansicht des Linearaktuators gemäß 1 in eingefahrener Stellung und
3 das Kraft-Verfahrweg-Diagramm für einen Anwendungsfall des Linearaktuators.
In 1 ist ein Linearaktuator 1 in Explosionsdarstellung zu sehen. Zu erkennen ist ein erstes Bauteil 2 in Form eines Gehäuses, in dem ein nicht dargestellter Kugelgewindetrieb angeordnet ist. Von diesem ist ein zweites Bauteil 2 in Form einer Stange zu erkennen, die in Translationsrichtung T relativ zum ersten Bauteil 2 verschoben werden kann. Ein Anbauteil (nicht dargestellt) kann über einen Befestigungsabschnitt 4 – vorliegend ausgebildet als Gelenköse – befestigt werden.
Wesentlich ist, dass ein Federelement 5 zur Erzeugung einer Federkraft in Translationsrichtung T wirksam zwischen dem ersten Bauteil 2 und dem Befestigungsabschnitt 4 angeordnet ist.
In den 2a und 2b ist die Wirkungsweise zu erkennen, die so erreicht wird. In 2a ist die aus dem ersten Bauteil 2 herausgefahrene Stange 3 dargestellt, d. h. es liegt eine Verschiebung s₂ bei ausgefahrener Stange vor. Indes zeigt 2b die Verschiebung s₁ bei zurückgezogener Stange. Das Federelement 4 wird durch die Verschiebung entsprechend vorgespannt und erzeugt ihrerseits eine Federkraft.
Wenn der Linearaktuator 1 unter ständiger Last arbeitet und diese Last stets in dieselbe Richtung wirkt, kann der Belastungsfall eintreten, dass die Differenz zwischen der Maximallast und der Minimallast klein ist im Vergleich mit der absoluten Gesamtlast. In diesem Falle bietet sich die vorgeschlagene Ausgestaltung in besonderer Weise an, nach der das Federelement 5 so in den Linearaktuator 1 integriert wird, dass die Feder einen wesentlichen Teil der Belastung aufnimmt.
Die Feder entlastet dann in relevanter Weise den Linearaktuator 1 und die Last, die dieser bei der Linearverstellung aufzubringen hat. Hiermit wird insbesondere die gegebenenfalls eingesetzte Gewindespindel entlastet und kann entsprechend kleiner gebaut werden.
Demgemäß kann eine kleinere Spindel mit kleineren Wälzkörpern sowie ein kleinerer Motor eingesetzt werden, ohne Einbußen in der Leistungsfähigkeit der Linearaktuators hinnehmen zu müssen. Somit kann auch ein kleinerer Linearaktuator für höhere Lasten vorgesehen werden.
Die Alternative hierfür – ohne Nutzung der vorliegenden Idee – besteht darin, entsprechend stärker dimensionierte Linearaktuatoren einzusetzen, was allerdings gerade die Nachteile mit sich bringt, die vorliegend vermieden werden sollen (höheres Gewicht, größere Abmessungen, höherer Kosten).
Während zwar eine mechanische Feder, insbesondere eine Schraubenfeder, als Federelement bevorzugt zum Einsatz kommt, können auch andere Federelemente verwendet werden, wie beispielsweise hydraulische oder pneumatische Federelemente.
In 3 ist zu sehen, wie sich über den Verschiebeweg s die Kraft F ergibt, die vom Linearaktuator 1 aufzubringen ist. Durch das integrierte Federelement 5 wird eine – mit zunehmendem Verschiebeweg s abnehmende – Federkraft F_F wirksam, die den Linearaktuator entlastet. Um die benötigte Gesamtkraft F_Ges aufzubringen, ist folglich nur noch die Kraft F_A vom Aktuators selber aufzubringen.
Demgemäß kann die insgesamt zu übertragende bzw. aufzubringende Kraft F_Ges in zwei parallel wirkende und sich folglich addierende Teile aufgeteilt werden, was zu einer signifikanten Abnahme der Belastung des Linearaktuators 1 führt.
Bezugszeichenliste

1: Linearaktuator
2: erstes Bauteil (Gehäuse)
3: zweites Bauteil (Stange)
4: Befestigungsabschnitt (Gelenköse)
5: Federelement
T: Translationsrichtung
F: Kraft
F_F: Federkraft
F_A: Kraft des Aktuators
F_Ges: Gesamtkraft
s: Verschiebeweg
s₁: Verschiebung bei zurückgezogener Stange
s₂: Verschiebung bei ausgefahrener Stange

Claims

Linearaktuator (1), umfassend ein erstes Bauteil (2) und ein relativ zum ersten Bauteil (2) translatorisch in eine Translationsrichtung (T) bewegliches zweites Bauteil (3), wobei am zweiten Bauteil (3) ein Befestigungsabschnitt (4) angeordnet ist, an dem ein weiteres Bauteil befestigt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (5) zur Erzeugung einer Federkraft in Translationsrichtung (T) wirksam zwischen dem ersten Bauteil (2) und dem Befestigungsabschnitt (4) angeordnet ist.
Linearaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2) ein Gehäuse ist.
Linearaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (3) eine Stange ist.
Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (5) eine Schraubenfeder ist.
Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (5) aus Federstahl besteht.
Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearaktuator (1) zur Bewegung des zweiten Bauteil (3) eine Gewindespindel aufweist, wobei das zweite Bauteil (3) als Gewindestange ausgebildet ist.
Linearaktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel als Rollen- oder Kugelgewindespindel ausgebildet ist.
Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearaktuator (1) zur Bewegung des zweiten Bauteils (3) ein hydraulisches oder pneumatisches Kolben-Zylinder-System aufweist, wobei das zweite Bauteil (3) mit dem Kolben des Kolben-Zylinder-Systems verbunden ist.
Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (4) als Gelenköse ausgebildet ist.
Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er als elektrischer Servoaktuator ausgebildet ist.