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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator, welcher ein einseitig geschlossenes, druckfestes, hohlzylindrisches Gehäuse mit einer radial inneren Gehäusemantelfläche aufweist, und mit einem in dem Gehäuse angeordneten elektroaktiven Polymer.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus der
DE 10 2012 217 297 A1 ist ein Linearaktuator bekannt, welcher in ein Schiebenockensystem einer Brennkraftmaschine integriert ist. Das Schiebenockensystem weist eine Keilwelle und ein Nockenstück auf, wobei das Nockenstück drehfest und axial verschiebbar auf der Keilwelle gelagert ist. In diesem Schiebenockensystem dient der Linearaktuator zur Verschiebung des Nockenstücks. Der Linearaktuator ist als ein so genannter EAP-Aktuator ausgebildet, der als Krafterzeugungselement ein elektroaktives Polymer (EPA) nutzt, welches sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt. Der Linearaktuator ist ringförmig um die Teilwelle sowie das Nockenstück herum angeordnet und besteht aus zwei gleichartigen, ringförmig axial beiderseits des Nockenstücks gehäusefest angeordneten EAP-Elementen. Die beiden EAP-Elemente werden wechselweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung aktiviert und bewirken eine axiale Verschiebung des Nockenstücks in die eine oder in die entgegengesetzte Richtung, um unterschiedliche Nocken auf der Teilwelle mit zu betätigenden Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine in Eingriff zu bringen.
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Aufgabe der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Linearaktuator vorzuschlagen, welcher ein elektroaktives Polymer als Krafterzeugungselement verwendet, der ein vergleichsweise geringes Volumen aufweist, ausreichend große Betätigungskräfte und Betätigungswege ermöglicht, und der sich universell überall dort einsetzen lässt, wo gesteuerte Linearbewegungen benötigt werden.
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Beschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Linearaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Die Erfindung geht demnach aus von einem Linearaktuator, welcher ein einseitig geschlossenes, druckfestes, hohlzylindrisches Gehäuse mit einer radial inneren Gehäusemantelfläche aufweist, sowie mit einem in dem Gehäuse angeordneten elektroaktiven Polymer. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist bei diesem Linearaktuator vorgesehen, dass das elektroaktive Polymer im Gehäuse an der radial inneren Gehäusemantelfläche sowie an einem mit dem Gehäuse fest verbundenen ersten Gehäusedeckel dicht anliegend, dass das elektroaktive Polymer das Gehäuse in Längsrichtung nur teilweise ausfüllt, dass in einem polymerfreien Freiraum des Gehäuses ein an einer vom ersten Gehäusedeckel fernen Endfläche des elektroaktiven Polymers anliegender Kolben angeordnet ist, welcher mit einer Stößelstange formschlüssig verbunden ist, dass die Stößelstange durch eine Bohrung in einem entgegengesetzt zum ersten Gehäusedeckel angeordneten zweiten Gehäusedeckel aus dem Gehäuse herausgeführt ist, und dass ein aus dem Gehäuse herausgeführtes freies Ende der Stößelstange eine Einrichtung zum Anbringen wenigstens eines Betätigungselements aufweist.
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Dadurch, dass das elektroaktive Polymer in einem einseitig geschlossenen, druckfesten, hohlzylindrischen Gehäuse angeordnet ist, kann es sich bei einer elektrischen Aktivierung nur in einer Richtung ausdehnen und verschiebt dadurch den Kolben sowie die daran angeordnete Stößelstange in Längsrichtung des Gehäuses. Dabei hängt die durch die Ausdehnung des elektroaktiven Polymers bewirkte Bewegung des Kolbens und der Stößelstange vom Volumen des elektroaktiven Polymers im Gehäuse sowie von der angelegten Spannung ab.
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Es ist bekannt, dass sich ein elektroaktives Polymer um bis zum dreifachen seiner ursprünglichen Länge ausdehnen kann, wenn eine Ausdehnung in Querrichtung verhindert wird, wie dies bei der Anordnung in dem einseitig geschlossenen, druckfesten, hohlzylindrischen Gehäuse der Fall ist. Die Ausdehnung des elektroaktiven Polymers ist mittels der angelegten Spannung steuerbar. Durch eine Spannungsmessung am elektroaktiven Polymer ist eine Rückmeldung über die auf den Kolben wirkende Gegenkraft gegeben. Somit lassen sich Rückschlüsse über die ausgeführten Bewegungen des Kolbens herstellen. Wird die Stromzufuhr abgeschaltet, zieht sich das elektroaktive Polymer wieder zusammen und der Kolben gelangt zusammen mit der Stößelstange in ihre ursprüngliche Stellung zurück.
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Gegenüber elektrischen Linearaktuatoren mit einem Elektromotor als Krafterzeugungselement, der über ein Getriebe eine Stößelstange bewegt, ist der erfinderische Linearaktuator sehr viel einfacher aufgebaut, verfügt über eine einfache Rückmeldefähigkeit über Spannkräfte oder ähnliche durch den Linearaktuator bewirkte Kräfte, welches mit einem elektromotorisch betriebenen Linearaktuator nicht so einfach darstellbar ist. Dies liegt vor allem daran, dass bei diesen bekannten elektromotorischen Linearaktuatoren die Stellbewegung üblicherweise über ein Getriebe geführt wird und wegen des dort unvermeidbaren Spiels fehlerbehaftet ist, so dass ein Anfahren verschiedener Stellwegpositionen mit verschiedenen Stellwegen mit einem elektromotorisch betriebenen Linearaktuator ohne Wegmesssystem nur schwer realisierbar ist.
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Vorzugsweise ist der Kolben mit dem elektroaktiven Polymer kraft- oder formschlüssig verbunden, beispielsweise indem zwischen dem Kolben und dem zweiten Gehäusedeckel eine Druckfeder angeordnet ist, welche koaxial von der Stößelstange durchdrungen ist, und/oder indem der Kolben mit dem elektroaktiven Polymer verklebt ist. Dadurch wird der Kolben axial in seine Nichtbetätigungsstellung bewegt, wenn sich das elektroaktive Polymer durch Reduzieren oder Abschalten der elektrischen Spannung zusammenzieht.
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Das freie Ende der Stößelstange kann ein Innengewinde zum Befestigen eines Betätigungselements aufweisen. Dieses Betätigungselement kann ein als ein Elastomerstempel ausgebildet sein.
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Zum Integrieren des Linearaktuators gemäß der Erfindung am Ort seiner Verwendung weist das Gehäuse vorzugsweise ein Außengewinde auf, mittels dem der Linearaktuator in eine vorgegebene Position, beispielsweise in das Gehäuse einer Bearbeitungsmaschine, eingeschraubt werden kann, um anschließend mit einer Kontermutter in dieser Position gesichert zu werden.
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Der erfindungsgemäße Linearaktuator ist wirtschaftlich sehr interessant, da elektrische Stellantriebe in Kraftfahrzeugen oder in Werkzeugmaschinen immer häufiger genutzt werden. Insbesondere sollen in Zukunft bisher genutzte hydraulische oder pneumatische Stellantriebe oder Auswurfvorrichtungen immer dann durch elektrische Stellantriebe oder Auswurfvorrichtungen ersetzt werden, wenn der druckmittelbetriebene Aktuator der einzige Grund für das Anbringen eines hydraulischen oder pneumatischen Systems an einer solchen Maschine ist.
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Bei Werkzeugmaschinen ist der erfindungsgemäße Linearaktuator insbesondere als Ausstoßer für Werkstücke oder Werkzeuge, aber auch zum Spannen von Spannfutter und dergleichen geeignet. Daher ist es vorteilhaft, eine elektrisch betriebene Werkzeugmaschine mit einem oder mehreren der erfindungsgemäßen Linearaktuatoren als Ausstoßer für Werkstücke oder Werkzeuge vorzusehen. Ebenso kann vorgesehen sein, einen erfindungsgemäßen Linearaktuator als Betätigungselement für ein Spannfutter einer Werkzeugmaschinen dort einzubauen, wobei die Betätigung derartiger Bestandteile von Werkzeugmaschinen oder von linear zu betätigenden Einrichtungen in Kraftfahrzeugen direkt durch den erfindungsgemäßen Linearaktuator erfolgen kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Linearaktuators wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Linearaktuator in einer Stellung, in der das elektroaktive Polymer nicht mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt ist, und
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2 den Linearaktuator gemäß 1 in einer durch Anlegen einer elektrischen Spannung bewirkten ausgefahrenen Betätigungsstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der Linearaktuator 1 gemäß 1 besteht aus einem hohlzylindrischen, druckfesten Gehäuse 2, welches eine radial innere zylindrische Gehäusemantelfläche 3 aufweist. Das Gehäuse 2 ist durch einen ersten Gehäusedeckel 5 an seinem einen Ende dicht und druckfest verschlossen. Im Gehäuse 2 ist ein elektroaktives Polymer 6 angeordnet, an dessen von ersten Gehäusedeckel 5 fernen Endfläche 7 ein Kolben 9 axial anliegt oder mit dem elektroaktiven Polymer 6 durch Verkleben fest verbunden ist. Am Kolben 9 ist eine Stößelstange 10 fest angeordnet, die mit dem Kolben 9 verschraubt oder verschweißt sein kann. Die Stößelstange 10 ist durch eine zur Gehäuselängsachse koaxiale Bohrung 15 in einem zweiten Gehäusedeckel 14 nach außerhalb des Linearaktuators 1 geführt. Diese Stößelstange 10 weist an ihrem freien Ende 11 eine Einrichtung 12 zum Anbringen von unterschiedlichen Betätigungselementen in Form eines Innengewindes auf, wobei das dargestellte Ausführungsbeispiel ein Betätigungselement 16 in Form eines Gummistempels zeigt.
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Wenn der Kolben 9 mit dem elektroaktiven Polymer 6 form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist, wird der Kolben 9 mit der Stößelstange 10 durch das elektroaktive Polymer 6 in die in 1 dargestellte Stellung gezogen, sofern das elektroaktive Polymer 6 nicht elektrisch aktiviert ist. Die Aktivierung des elektroaktiven Polymers 6 erfolgt mittels Anschlusspole 8 von einem nicht dargestellten Steuergerät aus. Wird das elektroaktive Polymer 6 durch das nicht dargestellte Steuergerät über die Anschlusspole 8 mit einer mehr oder weniger hohen elektrischen Spannung beaufschlagt, dehnt es sich entsprechend aus und verschiebt den Kolben 9 mit der Stößelstange 10 in die in 2 dargestellte Betätigungsstellung.
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Die Rückführung des Kolbens 9 mit der Stößelstange 10 in die in 1 dargestellte Stellung wird in dem gewählten Ausführungsbeispiel durch eine schraubenförmige Druckfeder 13 unterstützt, welche koaxial im polymerfreien Raum 4 des Gehäuses 2 angeordnet ist und die Stößelstange 10 radial umgreift. Bei dieser Ausführungsvariante ist eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Kolben 9 und dem elektroaktiven Polymer 6 nicht zwingend erforderlich.
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Mittels eines Außengewindes 17 an der zylindrischen Außenfläche des Gehäuses 2 lässt sich der erfindungsgemäße Linearaktuator 1 in eine mit einem entsprechenden Innengewinde versehene Aufnahme in einem Kraftfahrzeug oder in einer Werkzeugmaschine einschrauben sowie durch eine nicht dargestellte Kontermutter in einer gewünschten Lage fixieren.
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Wenn beispielsweise der erfindungsgemäße Linearaktuator 1 in einer Werkzeugmaschine als Ausstoßer für ein Werkstück oder ein Werkzeug verwendet wird, lässt er sich direkt in ein Spannfutter für ein Werkstück oder ein Werkzeug einschrauben sowie in einer gewünschten Montageposition durch die bereits erwähnte, nicht dargestellte Kontermutter fixieren.
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Der erste Gehäusedeckel 5 kann mit dem Gehäuse 2 verschweißt oder verbördelt sein, um das Gehäuse 2 dicht zu verschließen. Um die beiden Anschlusspole 8 gegenüber dem ersten Gehäusedeckel 5 abzudichten und gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz zu sichern, können diese Anschlusspole 8 von einer Dichtungsmasse aufgespritzt sein, die beispielsweise aus Silikon besteht. Selbstverständlich sind die elektrischen Kontaktbereich der Anschlusspole 8 davon freigehalten.
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Radial zwischen der Stößelstange 10 und dem zweiten Gehäusedeckel 14 kann in der koaxialen Bohrung 15 eine nicht dargestellte Gleitringdichtung, beispielsweise ein O-Ring, angeordnet sein.
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Alle in der vorstehenden Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen und beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearaktuator
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- Gehäuse
- 3
- radial innere Gehäusemantelfläche
- 4
- Polymerfreier Freiraum im Gehäuse
- 5
- erster Gehäusedeckel
- 6
- elektroaktives Polymer
- 7
- kolbennahe Endfläche des elektroaktiven Polymers 6
- 8
- elektrische Anschlusspole
- 9
- Kolben
- 10
- Stößelstange
- 11
- freies Ende der Stößelstange
- 12
- Einrichtung zum Anbringen von Betätigungselementen, Innengewinde
- 13
- Druckfeder
- 14
- zweiter Gehäusedeckel
- 15
- Bohrung durch den zweiten Gehäusedeckel
- 16
- Betätigungselement, Gummistempel
- 17
- Außengewinde
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012217297 A1 [0002]
