DE102019125004A1

DE102019125004A1 - Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens zwei Raumrichtungen

Info

Publication number: DE102019125004A1
Application number: DE102019125004.8A
Authority: DE
Inventors: William Kaal; Jan Hansmann; Sebastian Rieß
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-03-18
Also published as: WO2021052963A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung (102, 104). Sie umfasst eine Steifigkeitsanordnung (106), welche wenigstens eine erste Biegebalkeneinheit (108) zum Bereitstellen der Steifigkeit in die erste Raumrichtung (102) und eine zweite Biegebalkeneinheit (110) zum Bereitstellen der Steifigkeit in die zweite Raumrichtung (104) aufweist. Ein gemeinsamer Kraftangriffspunkt (112) ist für die erste und zweite Biegebalkeneinheit (110) zum Einleiten einer Kraft vorgesehen. Ferner weist die Vorrichtung ein erstes und ein zweites Einstellelement (114, 116) auf, welche unabhängig voneinander um eine durch den Kraftangriffspunkt (112) verlaufende Rotationsachse (113) rotatorisch einstellbar sind, wobei das erste Einstellelement (114) zum Einstellen der Steifigkeit in die erste Raumrichtung (102) der ersten Biegebalkeneinheit (108) und das zweite Einstellelement (116) zum Einstellen der Steifigkeit in die zweite Raumrichtung (104) der zweiten Biegebalkeneinheit (110) zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren und eine Verwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und deren Verwendung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung, umfassend eine Steifigkeitsanordnung, einen gemeinsamen Kraftangriffspunkt und mindestens ein erstes und ein zweites Einstellelement. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit einer Vorrichtung in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung.
Sollen bei der Prüfung von Bauteilen und Systemen die Steifigkeiten der realen Anwendungsstruktur berücksichtigt werden, was bedeutet, dass die Steifigkeiten in mehrere Raumrichtungen erfasst werden müssen, werden häufig Steifigkeitskomponenten mit bekannten Eigenschaften als Ersatzstruktur hergestellt und ausgetauscht. So werden dann iterativ verschiedene Steifigkeitskombination getestet. Dieses Vorgehen ist nicht nur zeitlich, sondern auch materiell aufwendig. Ein stufenloses Einstellen verschiedener Steifigkeiten würde ein iteratives Testen von Steifigkeitskombinationen sowie das Vorhalten diverser Ersatzstrukturen vermeiden.
Aus DE 10 2011 015 798 A1 der hiesigen Anmelderin ist dahingehend eine Vorrichtung zur Übertragung oder Entkopplung von mechanischen Schwingungen bekannt, bei der eine erste und eine zweite Komponente über ein Koppelelement miteinander verbunden sind. Das Koppelelement verfügt über eine variabel einstellbare Steifigkeit längs wenigstens einer Wirkrichtung, längs der zumindest eine Komponente schwingend gelagert ist. Die offenbarte Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Koppelelement ein Flächenelement mit einer Flächenober- und einer Flächenunterseite sowie einer Flächenlängserstreckung ist, dass formstabil in und elastisch lateral zur Flächenlängserstreckung ist. An der ersten Komponente und an der zweiten Komponente sind n ≥ 2 Kontaktmittel raumfest angebracht, über die die erste Komponente an n ≥ 2 erste Kontaktstellen mit der Flächenunterseite und/oder Flächenoberseite des Flächenelements in Berührung tritt und über die die zweite Komponente folglich an n ≥ 2 zweite Kontaktstellen mit der Flächenunterseite und/oder Flächenoberseite des Flächenelements in Berührung tritt. Beide Komponenten sind relativ zueinander um eine orthogonal zur Flächenlängserstreckung orientierte Raumachse, die mit der wenigstens einen Wegrichtung längs der zumindest eine Komponente schwingend gelagert ist zusammenfällt, drehbar angeordnet. Die Vorrichtung ermöglicht also ein stufenloses Einstellen einer einaxialen Steifigkeit, die durch relative Rotation zweier Komponenten variiert werden kann.
Folglich ist mit Hilfe von zwei Entkopplungsmechanismen ein Einstellen einer zweiaxialen Steifigkeit möglich, allerdings sind bisherige Vorrichtungen bauraumintensiv und hinsichtlich ihrer Dynamik begrenzt.
DE 10 2017 220 578 A1 der hiesigen Anmelderin offenbart eine derartige Vorrichtung zur bidirektionalen Lagerung einer ersten Struktur relativ zu einer zweiten Struktur längs einer ersten Raumachse, mit einem beide Strukturen miteinander verbindenden bidirektionalen auslenkbaren Lager. Das Lager umfasst wenigstens zwei Wandlerelemente, die längs der ersten Raumachse an zwei sich gegenüberliegenden Seiten der ersten Struktur angeordnet sind und diese mit der zweiten Struktur verbinden. Die Wandlerelemente weisen jeweils eine mit einem Fluid befüllbare Fluidkammer auf und können entweder einen in die oder aus der Fluidkammer gerichteten Fluidvolumenstrom oder eine auf das Wandlerelement gerichtete Druckänderung in eine längs der ersten Raumachse orientierte Bewegung und/oder Kraft, oder eine längs der ersten Raumachse auf das Wandlerelement wirkende Kraft in einen in die oder aus der Fluidkammer gerichteten Fluidvolumenstrom oder eine Druckänderung innerhalb der Fluidkammer umsetzen. Weiterhin sind längs einer zur ersten Raumachse orthogonalen zweiten Raumachse zwei weitere Wandlerelement angeordnet, die längs der zweiten Raumachse an zwei sich gegenüberliegenden Seiten der ersten Struktur angeordnet sind und diese mit der zweiten Struktur verbinden. Die zwei weiteren Wandlerelemente weisen jeweils eine mit einem Fluid befüllbare Fluidkammer auf.
Eine Möglichkeit die Steifigkeit in zwei oder mehrere Raumrichtungen unabhängig voneinander einstellen zu können, wodurch die Steifigkeit einer realen Anbindungsstruktur vollumfänglich und mit geringem Aufwand geprüft werden könnte, ist bisher allerdings nicht bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zum stufenlosen und unabhängigen Einstellen der Steifigkeit in mindestens zwei Raumrichtung bereitzustellen, die ferner vorzugsweise keiner Einschränkung ihrer Dynamik unterliegt und zudem mit einem geringen Bauraum realisierbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Gegenstand der Unteransprüche sind vorteilhafte Fortbildungen des Erfindungsgegenstandes des Anspruchs 1.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung umfasst eine Steifigkeitsanordnung, welche wenigstens eine erste Biegebalkeneinheit zum Bereitstellen der Steifigkeit in die erste Raumrichtung und eine zweite Biegebalkeneinheit zum Bereitstellen der Steifigkeit in die zweite Raumrichtung umfasst. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen gemeinsamen Kraftangriffspunkt der ersten Biegebalkeneinheit und der zweiten Biegebalkeneinheit zum Einleiten einer Kraft in die Steifigkeitsanordnung. Ferner umfasst die vorliegende Vorrichtung mindestens ein erstes und ein zweites Einstellelement, welche unabhängig voneinander um eine durch den Kraftangriffspunkt verlaufende Rotationsachse rotatorisch einstellbar sind, wobei das erste Einstellelement zum Einstellen der Steifigkeit in die erste Raumrichtung der ersten Biegebalkeneinheiten und das zweite Einstellelement zum Einstellen der Steifigkeit in die zweite Raumrichtung der zweiten Biegebalkeneinheit zugeordnet ist.
Ein unabhängiges und variables Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung bedeutet, dass zum einen die Steifigkeit für jede Raumrichtung separat eingestellt werden kann und/oder zum anderen verschiedene Steifigkeitswerte vorzugsweise stufenlos eingestellt werden können. Gemäß der Erfindung ist ein gemeinsamer Kraftangriffspunkt für die erste und die zweite Biegebalkeneinheit vorgesehen. Das heißt, über den gemeinsamen Kraftangriffspunkt ist die an diesem angreifende Kraft sowohl in die erste als auch in die zweite Raumrichtung einleitbar. An dem Kraftangriffspunkt kann die Vorrichtung an eine zu testende Einheit angeschlossen werden. Hierdurch ist die Handhabung vereinfacht.
Das erste und zweite Einstellelement lassen sich entlang eines Abschnitts einer Biegebalkeneinheit stufenlos einstellen, vorzugsweise durch eine Rotation um die Achse des Kraftangriffspunkts. Durch das Einstellen der Einstellelemente wird die freie Balkenlänge der Biegebalkeneinheiten festgelegt, welche wiederum die Steifigkeit in die entsprechende Raumrichtung bestimmt.
Die erst und zweite Raumrichtung sind vorzugsweise um 90° verschieden, verlaufen also im rechten Winkel zueinander.
Die Erfindung stellt eine einfache und baulich kompakte Vorrichtung bereit, die ein Einstellen der Steifigkeit in zwei Raumrichtungen mittels Rotation der ersten und zweiten Einstellelemente um eine durch den Kraftangriffspunkt verlaufende Ache erlaubt. Hierdurch die ist die Handhabung vereinfacht und die Steifigkeit kann unabhängig in die zwei oder mehr Raumrichtungen auf einfache Art und Weise eingestellt werden.
Vorzugsweise sind die erste Biegebalkeneinheit und/oder die zweite Biegebalkeneinheit in einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene angeordnet. Die erste und die zweite Biegebalkeneinheit können in einer gemeinsamen Ebene oder in getrennten, parallel beabstandeten Ebenen angeordnet sein. Bei der Anordnung in einer gemeinsamen Ebene ist eine besonders kompakte Bauform erreichbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die erste Biegebalkeneinheit und die zweite Biegebalkeneinheit jeweils wenigstens einen ersten Biegebalkenabschnitt und einen zweiten Biegebalkenabschnitt zum Bereitstellen der Steifigkeit in die erste und die zweite Raumrichtung auf. Zusätzlich können die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten neben den jeweils ersten Biegebalkenabschnitten auch einen jeweils zweiten Biegebalkenabschnitt aufweisen, zum Bereitstellen der Steifigkeit in die erste und die zweite Raumrichtung. Durch eine Anordnung, bei der die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten jeweils nur einen ersten Biegebalkenabschnitt aufweisen, kann eine besonders kompakte Bauform erreicht werden. Indem auch zweite Biegebalkenabschnitte vorgesehen sind, kann eine symmetrische Anordnung erreicht werden, vorzugsweise eine punktsymmetrische Anordnung, bezogen auf den Kraftangriffspunkt. Hierdurch ist eine Krafteinleitung verbessert und die Stabilität der Vorrichtung erhöht. Es soll jedoch verstanden werden, dass eine punktsymmetrische Anordnung oder eine sonstige Symmetrie nicht zwingend erforderlich ist, sondern es vielmehr ausreicht, wenn die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten jeweils nur einen ersten Biegebalkenabschnitt aufweisen und so eine insgesamt symmetrische Struktur einnehmen.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die ersten Biegebalkenabschnitte der ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen. Das erste Ende ist, vorzugsweise ortsfest, mit der Vorrichtung, und das zweite Ende ist, mittelbar oder unmittelbar, mit dem Kraftangriffspunkt verbunden. Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste Ende frei ist und nur das zweite Ende mit dem Kraftangriffspunkt verbunden ist. Für den Fall, dass die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten auch einen zweiten Biegebalkenabschnitt aufweisen, weist dieser vorzugsweise ebenfalls jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, wobei wiederum das jeweils erste Ende ortsfest mit der Vorrichtung und das zweite Ende mit dem Kraftangriffspunkt verbunden ist. Auch für die zweite Biegebalkeneinheit gilt, dass das erste Ende auch frei sein kann.
In einer Variante ist der erste Biegebalkenabschnitt gerade ausgebildet. Für den Fall, dass auch ein zweiter Biegebalkenabschnitt vorgesehen ist, ist vorzugsweise auch der zweite Biegebalkenabschnitt gerade ausgebildet. Alternativ kann der erste Biegebalkenabschnitt auch gekrümmt ausgebildet sein. Wiederum ist für den Fall, dass ein zweiter Biegebalkenabschnitt vorgesehen ist, auch der zweite Biegebalkenabschnitt gekrümmt ausgebildet. Vorzugsweise weisen in diesem Fall die ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte einer Biegebalkeneinheit denselben Radius auf. Die ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte der zweiten Biegebalkeneinheit können denselben Radius aufweisen, oder einen von dem ersten abweichenden Radius haben. Für eine möglichst kompakte Bauweise ist es bevorzugt, dass alle Biegebalkenabschnitte denselben Radius aufweisen.
Weiterhin ist bevorzugt, dass das erste Einstellelement und das zweite Einstellelement jeweils wenigstens eine erste Anbindungseinrichtung aufweisen. Für den Fall, dass die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten sowohl erste als auch zweite Biegebalkenabschnitte aufweisen, weisen die ersten und zweite Einstellelemente vorzugsweise auch zweite Anbindungseinrichtungen auf. Die erste Anbindungseinrichtung und die zweite Anbindungseinrichtung des ersten Einstellelements sind der ersten Biegebalkeneinheit zuordenbar und die erste Anbindungseinrichtung und die zweite Anbindungseinrichtung des zweiten Einstellelements sind der zweiten Biegebalkeneinheit zuordenbar. Die Anbindungseinrichtungen bilden vorzugsweise Abstützungen für eingeleitete Kräfte. Die Kräfte werden an den Kraftangriffspunkt eingeleitet, von diesem auf die ersten Biegebalkenabschnitte und für den Fall, dass zweite Biegebalkenabschnitte vorgesehen sind, auch auf die zweiten Biegebalkenabschnitte übertragen, und vorzugsweise mittels der Anbindungseinrichtungen abgestützt. Dabei sind die ersten und zweiten Einstellelemente unabhängig voneinander positionierbar, sodass die Abstützungen, die über die ersten Anbindungseinrichtungen und vorzugsweise zweiten Anbindungseinrichtungen bereitgestellt werden, die Einstellung der Steifigkeit in die jeweiligen Raumrichtungen abbilden. Vorzugsweise ist die erste Anbindungseinrichtung des ersten Einstellelements dem ersten Biegebalkenabschnitt der ersten Biegebalkeneinheit zugeordnet, die zweite Anbindungseinrichtung des ersten Einstellelements dem zweiten Biegebalkenabschnitt der ersten Biegebalkeneinheit zugeordnet, die erste Anbindungseinrichtung des zweiten Einstellelements dem ersten Biegebalkenabschnitt der zweiten Biegebalkeneinheit zugeordnet und die zweite Anbindungseinrichtung des zweiten Einstellelements dem zweiten Biegebalkenabschnitt der zweiten Biegebalkeneinheit zugeordnet.
Vorzugsweise ist dabei die erste Anbindungseinrichtung entlang des ersten Biegebalkenabschnitts frei anordenbar. Das heißt, die erste Anbindungseinrichtung des ersten Einstellelements ist entlang des ersten Biegebalkenabschnitts der ersten Biegebalkeneinheit frei anordenbar, und die erste Anbindungseinrichtung des zweiten Einstellelements ist entlang des ersten Biegebalkenabschnitts der zweiten Biegebalkeneinheit frei anordenbar. Für den Fall, dass die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten auch einen zweiten Biegebalkenabschnitt umfassen und die ersten und zweiten Einstellelemente auch eine zweite Anbindungseinrichtung umfassen, ist vorzugsweise die zweite Anbindungseinrichtung entlang des zweiten Biegebalkenabschnitts frei anordenbar.
Vorzugsweise ist die Position der ersten Anbindungseinrichtung entlang des ersten Biegebalkenabschnitts automatisch und/oder manuell einstellbar. Eine eingestellte Position ist vorzugsweise arretierbar, entweder, indem die Anbindungseinrichtungen an den Biegebalkenabschnitten festgesetzt werden, oder indem die Einstellelemente in der Vorrichtung festgesetzt werden.
In einer Variante ist vorgesehen, dass die erste Anbindungseinrichtung mindestens eine Einspannung zum Arretieren einer eingestellten Steifigkeit der ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten aufweist. Jede der ersten Anbindungseinrichtungen und der ersten und zweiten Einstellelemente weist demnach eine derartige Einspannung auf. Die Einspannung kann manuell und/oder automatisch betätigbar sein. Sind zweite Anbindungseinrichtungen vorgesehen, weisen diese vorzugsweise ebenfalls Einspannungen zum Arretieren der Steifigkeit der ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten auf. Diese Einspannungen können beispielsweise Schraub- und/oder Klemmverbindungen umfassen.
Ferner ist bevorzugt, dass das erste und das zweite Einstellelement einen Mechanismus, vorzugsweise eine Aktorik, zum Öffnen und Schließen jeweils der ersten Anbindungseinrichtung aufweisen. Sofern die ersten und zweiten Einstellelemente auch eine zweite Anbindungseinrichtung aufweisen, weisen die Einstellelemente hierzu vorzugsweise einen entsprechenden Mechanismus, vorzugsweise eine Aktorik auf, oder der Mechanismus bzw. die Aktorik ist auch zum Schließen der zweiten Anbindungseinrichtungen ausgebildet. Auf diese Weise lässt sich die Vorrichtung insgesamt automatisiert steuern und/oder automatisiert einstellen. Die Verbindung der Vorrichtung mit einer übergeordneten Steuerung, insbesondere im Zusammenhang mit einem größeren System, kann in einer solchen Ausführungsform bevorzugt umgesetzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem zweiten Ende des ersten Biegebalkenabschnitts und dem Kraftangriffspunkt eine erste Kraftübertragungsstange zum Übertragen der in den Kraftangriffspunkt eingeleiteten Kraft auf den ersten Biegebalkenabschnitt angeordnet. Die Kraftübertragungsstange wirkt vorzugsweise als Schub- bzw. Zugstange, nimmt selbst aber keine Momente oder dergleichen auf. Vorzugsweise nimmt die Kraftübertragungsstange auch nicht teil an der Einstellung der Steifigkeit, sondern überträgt lediglich die in den Kraftangriffspunkt eingeleitete Kraft. Die Kraftangriffsstange ist demnach vorzugsweise entlang der ersten bzw. zweiten Raumrichtung ausgerichtet.
Für den Fall, dass die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten auch zweite Biegebalkenabschnitte aufweisen, ist vorzugsweise auch eine zweite Kraftübertragungsstange zwischen dem zweiten Ende des zweiten Biegebalkenabschnitts und dem Kraftangriffspunkt angeordnet, zur Übertragung der in den Kraftangriffspunkt eingeleiteten Kraft auf den zweiten Biegebalkenabschnitt. Eine derartige Ausführungsform eignet sich besonders in Verbindung mit gekrümmten ersten bzw. zweiten Biegebalkenabschnitten. Sind gerade erste und zweite Biegebalkenabschnitte vorgesehen, können diese unmittelbar mit dem Kraftangriffspunkt verbunden sein. Bei gekrümmten ersten und zweiten Biegebalkenabschnitten ist es aufgrund des Radius allerdings erforderlich, ein Kraftübertragungselement vorzusehen, was gemäß dieser Ausführungsform als Kraftübertragungsstange ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist an der jeweils ersten Kraftübertragungsstange mindestens ein erstes Gelenk zum Entkoppeln der Steifigkeit in die erste und in die zweite Raumrichtung angeordnet. Für den Fall, dass auch zweite Biegebalkenabschnitte vorgesehen sind und demnach auch zweite Kraftübertragungsstangen für die zweiten Biegebalkenabschnitte vorgesehen sind, sind vorzugsweise auch an diesen zweite Gelenke zum Entkoppeln der Steifigkeit in die ersten und zweiten Raumrichtungen angeordnet. Derartige Gelenke verhindern, dass Momente in die ersten und zweiten Kraftübertragungsstangen eingeleitet werden, sodass eine sichere Entkopplung vorgenommen werden kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist an der jeweils ersten Kraftübertragungsstange mindestens eine erste Führung zum Entkoppeln der Steifigkeit in die ersten und zweiten Raumrichtungen angeordnet. Auch eine derartige Führung kann zum Entkoppeln vorgesehen sein und dafür sorgen, dass ausschließlich Kräfte in Längsrichtung der Kraftübertragungsstange übertragen werden. Wiederum sind für den Fall, dass zweite Kraftübertragungsstangen vorgesehen sind, auch zweite Führungen für diese zweiten Kraftübertragungsstangen vorgesehen. Die Führungen sind vorzugsweise als Gleitführung ausgebildet.
Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass die Steifigkeit in Richtung der durch den Kraftangriffspunkt verlaufenden Rotationsachse größer oder gleich der Summe der Steifigkeiten in die mindestens zwei Raumrichtungen ist. Hierdurch wird die Stabilität der Vorrichtung verbessert und der Kraftangriffspunkt kann in Richtung der Rotationsachse ein Auflager bilden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine erste Aktorikeinrichtung an der ersten Biegebalkeneinheit zum Erzeugen einer statischen und/oder dynamischen Kraft in die erste Raumrichtung vorgesehen, und wenigstens eine zweite Aktorikeinrichtung an der zweiten Biegebalkeneinheit zum Erzeugen einer statischen und/oder dynamischen Kraft in die zweite Raumrichtung vorgesehen. Die beiden Aktorikeinrichtungen können demnach auf die beiden Biegebalkeneinheiten einwirken, um statische und/oder dynamische Kräfte in die ersten und zweiten Raumrichtungen aufzubringen. Hierdurch lässt sich die Steifigkeit noch weiter einstellen. Ferner kann auf diese Weise eine Nulllage eingestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Variante ist wenigstens eine erste Lastaufnahmeeinrichtung an der ersten Biegebalkeneinheit zum Aufnehmen einer Last in die erste Raumrichtung und wenigstens eine zweite Lastaufnahmeeinrichtung an der zweiten Biegebalkeneinheit zum Aufnehmen einer Last in die zweite Raumrichtung angeordnet. Hierdurch können gezielt zusätzliche Abstützungen erreicht, Nulllagen vorgesehen und/oder gezielt Steifigkeiten vorgespannt werden. Bevorzugt sind die Lastaufnahmeeinrichtungen parallel zu den Biegebalkeneinheiten geschaltet. Alternativ sind die ersten und zweiten Lastaufnahmeeinrichtungen in Reihe mit den ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten geschaltet.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Vorrichtung eine erste Wegsensorikeinrichtung zum Erfassen einer Positionsänderung des Kraftangriffspunkts in die erste und zweite Raumrichtung aufweist. Auf diese Weise lässt sich eine Bewegung des Kraftangriffspunkts erfassen, sodass hierdurch auch Rückschlüsse auf angreifende Kräfte an dem Kraftangriffspunkt abgeleitet werden können.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Kraftsensorikeinrichtung zum Erfassen einer Kraft in die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung aufweist. Die Kraftsensorikeinrichtung kann wiederum an dem Kraftangriffspunkt angeordnet sein, was bevorzugt ist.
Ferner ist bevorzugt, dass die Steifigkeitsanordnung sowie das erste und zweite Einstellelement in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Ein solches Gehäuse bietet Schutz für die Steifigkeitsanordnung und lässt auch eine vereinfachte Montage der Vorrichtung zu.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit, vorzugsweise mittels einer Vorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform, in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung, mit den Schritten: Anbinden der Vorrichtung an eine Anbindung eines Strukturbauteils; Einstellen eines ersten Einstellelements zum Einstellen der Steifigkeit einer ersten Biegebalkeneinheit in die erste Raumrichtung, wobei das erste Einstellelement um eine Rotationssachse um einen ersten Winkel rotiert wird; und Einstellen eines zweiten Einstellelements zum Einstellen der Steifigkeit einer zweiten Biegebalkeneinheit in die zweite Raumrichtung, wobei das zweite Einstellelement um die Rotationssachse um einen zweiten Winkel rotiert wird.
Es soll verstanden werden, dass die Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gleiche und ähnliche Unteraspekte haben, wie sie insbesondere in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt sind.
Insofern wird vollumfänglich auf die obige Beschreibung bezüglich der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung verwiesen.
Die Schritte des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung müssen nicht zwangsläufig in der oben dargelegten Reihenfolge ausgeführt werden. Vielmehr können sie auch in einer anderen Reihenfolge sowie teilweise oder vollständig parallel ausgeführt werden. So ist es beispielsweise möglich, zunächst die Vorrichtung an ein Strukturbauteil anzubinden, dann das zweite Einstellelement einzustellen und erst danach das erste Einstellelement einzustellen. Auch ist es denkbar, die ersten und zweiten Einstellelemente gleichzeitig einzustellen.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise ferner den Schritt: Erfassen einer Positionsänderung des Kraftangriffspunkts in die erste Raumrichtung und in die zweite Raumrichtung. Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Erfassen einer Kraft in die erste Raumrichtung und in die zweite Raumrichtung. Ferner weist das Verfahren vorzugsweise den Schritt auf: Bestimmen der ersten Steifigkeit in die erste Raumrichtung und der zweiten Steifigkeit in die zweite Raumrichtung. Hierzu können insbesondere Daten verwendet werden, die beim Erfassen der Positionsänderung des Kraftangriffspunkts in die erste und zweite Raumrichtung erfasst wurden und/oder Daten, die bei Erfassen einer Kraft in die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung erfasst wurden. Vorzugsweise umfasst das Bestimmen der Steifigkeit ein Berechnen der Steifigkeit. Vorzugsweise wird wenigstens dieser Schritt des Verfahrens auf einem Computer ausgeführt. Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Ansteuern einer ersten Aktorik eines ersten Einstellelements und einer zweiten Aktorik eines zweiten Einstellelements zum Anpassen der ersten und der zweiten Steifigkeit mittels eines Reglers.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Ausgabe durch Verwendung einer Vorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen zum Simulieren multiaxialer Steifigkeiten einer Anbindung eines Strukturbauteils gelöst.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr sind die Zeichnungen, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus den Zeichnungen unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, den Zeichnungen und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Weitere Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine erste Variante des ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung;
4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung;
5 eine zweite Variante des ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung;
6 eine dritte Variante des ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung;
7 eine vierte Variante des ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung;
8 eine fünfte Variante des ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung;
9 eine sechste Variante des ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung;
10 eine siebte Variante des ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung; und
11 eine achte Variante des ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung.

Eine Vorrichtung 100 (1) zum unabhängigen variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste Raumrichtung 102 und eine zweite Raumrichtung 104 umfasst eine Steifigkeitsanordnung 106. Die Steifigkeitsanordnung 106 weist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine erste Biegebalkeneinheit 108 und eine zweite Biegebalkeneinheit 110 auf. Die erste Biegebalkeneinheit 108 ist zum Einstellen der Steifigkeit in die erste Raumrichtung 102 vorgesehen und die zweite Biegebalkeneinheit 110 ist zum Einstellen der Steifigkeit in die zweite Raumrichtung 104 vorgesehen. Die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 haben einen gemeinsamen Kraftangriffspunkt 112, über den sowohl in die erste Biegebalkeneinheit 108 als auch in die zweite Biegebalkeneinheit 110 eine Kraft eingeleitet werden kann. Durch den Kraftangriffspunkt 112 verläuft auch eine Rotationsachse 113, die mit Bezug auf 1 senkrecht auf der Zeichenebene steht und senkrecht zu sowohl der ersten Raumrichtung 102 als auch der zweiten Raumrichtung 104 ist.
Sowohl die erste Biegebalkeneinheit 108 als auch die zweite Biegebalkeneinheit 110 sind in diesem Ausführungsbeispiel (1) im Wesentlichen entsprechend einem umgekehrten S gebildet, welches jeweils durch den Kraftangriffspunkt 112 verläuft. Insofern weist die erste Biegebalkeneinheit 108 einen ersten, gekrümmt verlaufenden Biegebalkenabschnitt 118a, einen gegenüberliegenden, ebenfalls gekrümmt verlaufenden zweiten Biegebalkenabschnitt 118b sowie eine erste Kraftübertragungsstange 130a und eine zweite Kraftübertragungsstange 130b auf. Der erste Biegebalkenabschnitt 118a der ersten Biegebalkeneinheit 108 weist ein erstes Ende 122a und ein zweites Ende 122b auf. In entsprechender Weise weist der zweite Biegebalkenabschnitt 118b der ersten Biegebalkeneinheit 108 ebenfalls ein erstes Ende 124a und ein zweites Ende 124b auf. Die erste Kraftübertragungsstange 130a verbindet das zweite Ende 122b des ersten Biegebalkenabschnitts 118a mit dem Kraftangriffspunkt 112, und die zweite Kraftübertragungsstange 130b verbindet den Kraftangriffspunkt 112 mit dem zweiten Ende 124b des zweiten Biegebalkenabschnitts 118b. Insofern wird über die ersten und zweiten Kraftübertragungsstangen 130a, 130b der ersten Biegebalkeneinheit 108 eine Kraft in die erste Raumrichtung 102, die hier die Horizontale mit Bezug auf 1 ist, in die ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b eingeleitet. Wird beispielsweise der Kraftangriffspunkt 112 mit Bezug auf 1 in die erste Raumrichtung 102 nach rechts bewegt, wird über die erste Kraftübertragungsstange 108a eine Zugkraft auf das zweite Ende 122b des ersten Biegebalkenabschnitts 118a eingeleitet, während über die zweite Kraftübertragungsstange 130b eine Druckkraft auf das zweite Ende 124b des zweiten Biegebalkenabschnitts 118b übertragen wird.
Die zweite Biegebalkeneinheit 110 ist in entsprechender Weise ausgebildet, jedoch um 90° verdreht zu der ersten Biegebalkeneinheit 108 angeordnet. Insofern weist die zweite Biegebalkeneinheit 110 ebenfalls eine Form eines gespiegelten S entsprechend auf, mit einem gekrümmt ausgebildeten ersten Biegebalkenabschnitt 120a, einem gegenüberliegend angeordneten, gekrümmt ausgebildeten zweiten Biegebalkenabschnitt 120b, einer ersten Kraftübertragungsstange 132a und einer zweiten Kraftübertragungsstange 132b. Der erste Biegebalkenabschnitt 120a der zweiten Biegebalkeneinheit 110 weist wiederum ein erstes Ende 126a und ein zweites Ende 126b auf, der zweite Biegebalkenabschnitt 120b der zweiten Biegebalkeneinheit 110 weist ein erstes Ende 128a und ein zweites Ende 128b auf. Die erste Kraftübertragungsstange 132a der zweiten Biegebalkeneinheit 110 verbindet das zweite Ende 126b des zweiten Biegebalkenabschnitts 120a mit dem Kraftangriffspunkt 112 und die zweite Kraftübertragungsstange 132b verbindet den Kraftangriffspunkt 112 mit dem zweiten Ende 128b des zweiten Biegebalkenabschnitts 120b der zweiten Biegebalkeneinheit 110. Insofern bietet die zweite Biegebalkeneinheit 110 eine Steifigkeit in die zweite Raumrichtung 104, die mit Bezug auf 1 die vertikale Richtung ist. Wird also beispielsweise der Kraftangriffspunkt 112 mit Bezug auf 1 nach oben in die zweite Raumrichtung 104 verschoben, wird über die erste Kraftübertragungsstange 132a von dem Kraftangriffspunkt 112 eine Druckkraft auf das zweite Ende 126b des ersten Biegebalkenabschnitts 120a der zweiten Biegebalkeneinheit 110 übertragen, und über die zweite Kraftübertragungsstange 132b wird eine Zugkraft auf das zweite Ende 128b des zweiten Biegebalkenabschnitts 120b der zweiten Biegebalkeneinheit 110 übertragen.
Die Steifigkeit eines Biegebalkens wird neben den strukturellen Eigenschaften wie Material und Querschnitt auch durch die effektive Länge des Biegebalkens bestimmt. Um die effektive Länge der ersten Biegebalkenabschnitte 118a, 120a und auch der zweiten Biegebalkenabschnitte 118b, 120b einzustellen, weist die Vorrichtung 100 mindestens ein erstes und ein zweites Einstellelement 114, 116 auf. Das erste Einstellelement 114 ist der ersten Biegebalkeneinheit 108 zugeordnet, und das zweite Einstellelement 116 ist der zweiten Biegebalkeneinheit 110 zugeordnet. Mittels des ersten Einstellelements 114 lässt sich eine effektive Länge EL1 der ersten Biegebalkeneinheit 108 einstellen, und mittels des zweiten Einstellelements 116 lässt sich eine effektive Länge EL2 der zweiten Biegebalkeneinheit 110 einstellen. Dies erfolgt gemäß der Erfindung durch eine Rotation der ersten und zweiten Einstellelemente 114, 116 um die Rotationsachse 113, die durch den Kraftangriffspunkt 112 verläuft.
Das erste Einstellelement 114 weist eine erste Anbindungseinrichtung 134a auf, die dem ersten Biegebalkenabschnitt 118a der ersten Biegebalkeneinheit 108 zugeordnet ist. Darüber hinaus weist das erste Einstellelement 114 in diesem Ausführungsbeispiel (1) eine zweite Anbindungseinrichtung 134b auf, die dem zweiten Biegebalkenabschnitt 118b der ersten Biegebalkeneinheit 108 zugeordnet ist. Mittels dieser ersten und zweiten Anbindungseinrichtungen 134a, 134b kann das erste Einstellelement 114 rotatorisch festgelegt werden. Das erste Einstellelement 114 kann um einen ersten Winkel 138 gedreht bzw. eingestellt werden, sodass die ersten und zweiten Anbindungseinrichtungen 134a, 134b an einer beliebigen Position entlang der ersten bzw. der zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b positioniert werden, um so die erste effektive Länge EL1 einzustellen. Es soll verstanden werden, dass das erste Einstellelement 114 in sich im Wesentlichen starr ist, sodass die ersten und zweiten Anbindungseinrichtungen 134a, 134b in Übereinstimmung miteinander bewegt werden, sodass die effektive Länge EL1 des ersten Biegebalkenabschnitts 118a identisch zu der effektiven Länge EL2 des zweiten Biegebalkenabschnitts 118b der ersten Biegebalkeneinheit 108 ist.
In entsprechender Weise verfügt das zweite Einstellelement 116 über eine erste Anbindungseinrichtung 136a und eine zweite Anbindungseinrichtung 136b. Die erste Anbindungseinrichtung 136a ist wiederum dem ersten Biegebalkenabschnitt 120a der zweiten Biegebalkeneinheit 110 zugeordnet, während die zweite Anbindungseinrichtung 136b dem zweiten Biegebalkenabschnitt 120b der zweiten Biegebalkeneinheit 110 zugeordnet ist. Mittels des zweiten Einstellelements 116, welches um einen zweiten Winkel 140 gedreht werden kann, lässt sich die zweite effektive Länge EL2 der zweiten Biegebalkeneinheit 110 einstellen, wie bereits mit Bezug auf die erste Biegebalkeneinheit 108 beschrieben.
Auf diese Weise ist eine einfach einzustellende Vorrichtung bereitgestellt, die kompakt aufgebaut ist, sich leicht in Systeme einbauen lässt und darüber hinaus rein mechanisch die Steifigkeit in zwei verschiedene Raumrichtungen einstellen kann.
Wie 1 ferner entnommen werden kann, sind die Radien der ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b, 120a, 120b der ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 identisch, sodass die Biegebalkenabschnitte 118a, 118b, 120a, 120b in etwa eine Kreisform bilden. Hier soll verstanden werden, dass die Radien der ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 unterschiedlich sein können. Zudem kann vorgesehen sein, dass die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen, sondern parallel zueinander beabstandet sind, das heißt, mit Bezug auf die Zeichnungsfläche in 1 aus dieser heraus. Auch ist es nicht erforderlich, dass sich die ersten und zweiten Einstellelemente 114, 116 nur um ca. 90° drehen lassen, ebenso wäre es denkbar, einen Winkel von nur 45°, 75° oder mehr als 90°, wie etwa nahezu 180°, vorzusehen.
Die Geometrie und die Querschnitte der ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 sind beliebig. Sie können und sollen so gewählt werden, dass eine sinnvolle Einstellung der Steifigkeit der ersten und zweiten Raumrichtungen 102, 104 je nach Anwendungsfall möglich ist. Beispielsweise kann für Anwendungsfälle, in denen große Kräfte in den Kraftangriffspunkt 112 eingeleitet werden, ein relativ großer Querschnitt für die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 gewählt werden, während bei geringen Kräften nur ein deutlich kleinerer Querschnitt gewählt wird, um die Steifigkeit in einem feineren Bereich einstellen zu können. Hierbei ist es aber nicht erforderlich, dass die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 denselben Querschnitt haben, vielmehr kann dieser auch unterschiedlich sein.
Die 2 bis 11 illustrieren nun verschiedene weitere Ausführungsbeispiele. Im Folgenden werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente verwendet, sodass vollumfänglich auf die obige Beschreibung zur 1 Bezug genommen wird. Bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß den 2 bis 11 werden dementsprechend insbesondere die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 hervorgehoben.
Die Vorrichtung 100 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (2) zeichnet sich dadurch aus, dass die ersten Enden 122a, 124a, 126a, 128a der jeweils ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b, 120a, 120b mit jeweils einem Festlager 123, 125, 127, 129 verbunden sind. Dies erhöht die Stabilität der Vorrichtung 100 insgesamt. Auch wenn der Abschnitt der ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 120a, 120b, 118a, 118b, der sich zwischen dem jeweils ersten Ende 122a, 124, 126a, 128a und der ersten bzw. zweiten Anbindungseinrichtung 134a, 134b, 136a, 136b erstreckt, nicht an der Einstellung der Steifigkeit teilnimmt bzw. nicht im Kraftfluss liegt, ist es in der Ausführungsform dennoch bevorzugt, das jeweils erste Ende 122a, 124a, 126a, 128a bezogen auf die Vorrichtung 100 an einem Festlager 123, 125, 127, 129 zu lagern. So kann beispielsweise verhindert werden, dass die ersten Enden 122a, 124a, 126a, 128a in Schwingung geraten, auskragen oder sonst wie ihre vorgesehene Position verlassen. Ferner können derartige Festlager 123, 125, 127, 129 auch einen Anschlag für die ersten und zweiten Einstellelemente 114, 116 bilden, sodass diese nicht zu weit rotiert werden und außer Eingriff mit den ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 kommen.
Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 nicht entsprechend einem umgekehrten S gebildet sind, sondern jeweils nur einen, nämlich den ersten, Biegebalkenabschnitt 120a, 118a aufweisen. Die Vorrichtung 100 gemäß 3 ist folglich nicht punktsymmetrisch ausgebildet, sondern kann vielmehr als „Halbkreisform“ beschrieben werden. Sie umfasst nicht, wie die ersten beiden Ausführungsbeispiele, vier Quadranten, sondern nur zwei Quadranten. Nichtsdestotrotz funktioniert die Vorrichtung 100 gemäß 3 so wie dies bereits mit Bezug auf 1 beschrieben wurde. Die ersten und zweiten Einstellelemente 114, 116 können um die Winkel 138, 140 rotiert werden, um die ersten Anbindungseinrichtungen 134a, 136a entlang der ersten Biegebalkenabschnitte 118a, 120a zu positionieren. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass der Bauraum noch weiter reduziert ist. Nachteilig allerdings ist die unsymmetrische Abstützung von Kräften, sodass gegebenenfalls zusätzliche Abstützmittel für den Kraftangriffspunkt 112 vorgesehen werden können.
In einem vierten Ausführungsbeispiel (4) ist eine weitere Variante der Vorrichtung 100 zum unabhängigen variablen Einstellen der Steifigkeit in die erste und zweite Raumrichtung 102, 104 gezeigt. Der wesentliche Unterschied der Vorrichtung 100 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass die ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b, 120a, 120b gerade sind und nicht gekrümmt, wie in den ersten drei Ausführungsbeispielen (1 bis 3). Ein weiterer Unterschied liegt darin, dass in dem vierten Ausführungsbeispiel (4) keine Kraftübertragungsstangen 130a, 130b, 132a, 132b vorgesehen sind; vielmehr sind die ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b, 120a, 120b unmittelbar mit dem Kraftangriffspunkt 112 verbunden. Dennoch soll verstanden werden, dass auch in diesem Ausführungsbeispiel Kraftübertragungsstangen oder andere Mittel zum Verbinden der ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b, 120a, 120b mit dem Kraftangriffspunkt 112 vorgesehen sein können.
Die Funktionsweise der vierten Ausführungsform gemäß 4 ist wie folgt: Die ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b, 120a, 120b sind in ersten und zweiten Anbindungseinrichtungen 134a, 134b, 136a, 136b aufgenommen, die hier als Führungen ausgebildet sind. Das heißt, die Anbindungseinrichtungen 134a, 134b, 136a, 136b sind, wie auch mit Bezug auf die ersten drei Ausführungsbeispiele (1 bis 3) beschrieben, entlang der ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b, 120a, 120b verschieblich. Die ersten und zweiten Anbindungseinrichtungen 134a, 134b, 136a, 136b sind in ersten und zweiten Kulissen 135a, 135b, 137a, 137b geführt. Die Kulissen sind jeweils den ersten und zweiten Einstellelementen 114, 116 zugeordnet und mit diesen verbunden. So weist das erste Einstellelement 114 eine erste Kulisse 135a auf, die der ersten Anbindungseinrichtung 134a des ersten Einstellelements 114 zugeordnet ist. Das erste Einstellelement 114 weist ferner eine zweite Kulisse 135b auf, die der zweiten Anbindungseinrichtung 134b des ersten Einstellelements 114 zugeordnet ist. Die ersten und zweiten Anbindungseinrichtungen 134a, 134b, des ersten Einstellelements 114 können in den ersten und zweiten Kulissen 135a, 135b gleiten. Wird das erste Einstellelement 114 wie in 4 gezeigt um den Winkel 138 mit Bezug auf 4 gegen den Uhrzeigersinn verdreht, werden die ersten und zweiten Anbindungseinrichtungen 134a, 134b in den ersten und zweiten Kulissen 135a, 135b zwangsgeführt und geraten mit Bezug auf 4 in die rechte obere Ecke der zweiten Kulisse 135b bzw. der linken unteren Ecke der ersten Kulisse 135a des ersten Einstellelements 114. Die ersten und zweiten Anbindungseinrichtungen 134a, 134b werden hierbei mit Bezug auf die ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b nach außen verschoben. Im umgekehrten Fall, wenn das erste Einstellelement 114 mit Bezug auf 4 im Uhrzeigersinn gedreht wird, entsteht der gegenteilige Effekt und die ersten und zweiten Anbindungseinrichtungen 134a, 134b werden mit Bezug auf die ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 118a, 118b der ersten Biegebalkeneinheit 108 nach innen verschoben. Hierdurch kann die Steifigkeit der ersten Biegebalkeneinheit 108 eingestellt werden. Die erste effektive Länge EL1 des zweiten Biegebalkenabschnitts 118b der ersten Biegebalkeneinheit 108 ist in 4 zwischen dem Kraftangriffspunkt 112 und der zweiten Anbindungseinrichtung 134b angetragen. Entsprechend gilt für den ersten Biegebalkenabschnitt 118a, dass die effektive Länge EL1 zwischen dem Kraftangriffspunkt 112 und der ersten Anbindungseinrichtung 134a ausgebildet ist. In entsprechender Weise gilt für die zweite Biegebalkeneinheit 110, dass die zweite effektive Länge EL2 zwischen dem Kraftangriffspunkt 112 und dem ersten bzw. zweiten Anbindungseinrichtungen 136a, 136b des zweiten Einstellelements 116 ausgebildet ist.
Das fünfte Ausführungsbeispiel (5) basiert im Grunde auf dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel (1 und 2), wobei sich das fünfte Ausführungsbeispiel (5) dadurch von den ersten beiden Ausführungsbeispielen (1 und 2) unterscheidet, dass Gelenke 142a, 142b, 144a, 144b in den Kraftübertragungsstangen 130a, 130b, 132a, 132b vorgesehen sind. Genauer gesagt weist die erste Kraftübertragungsstange 130a der ersten Biegebalkeneinheit 108 ein erstes Gelenk 142a, und die zweite Kraftübertragungsstange 130b der ersten Biegebalkeneinheit 108 weist ein zweites Gelenk 142b auf. In entsprechender Weise weist die erste Kraftübertragungsstange 132a der zweiten Biegebalkeneinheit 110 ein erstes Gelenk 144a, und die zweite Kraftübertragungsstange 132b der zweiten Biegebalkeneinheit 110 weist ein zweites Gelenk 144b auf. Die Gelenke können beispielsweise als Festkörpergelenk ausgebildet sein. Auch andere Gelenke, wie Scharniere, Kugelgelenke und dergleichen sind bevorzugt. Die Gelenke 142a, 142b, 144a, 144b dienen dazu, die Krafteinleitung in die ersten und zweiten Richtungen 102, 104 noch weiter zu entkoppeln. Beim Bewegen des Kraftangriffspunkts 112, beispielsweise in die erste Richtung 102, werden die ersten und zweiten Kraftübertragungsstangen 132a, 132b demnach nicht in Bezug auf die ersten und zweiten Biegebalkenabschnitte 120a, 120b der zweiten Biegebalkeneinheit 110 gebogen, sondern vielmehr wird das so eingeleitete Moment durch die ersten und zweiten Gelenke 144a, 144b der zweiten Biegebalkeneinheit 110 entkoppelt.
In einem sechsten Ausführungsbeispiel (6) sind anstelle der Gelenke 142a, 142b, 144a, 144b erste und zweite Führungen 146a, 146b, 148a, 148b vorgesehen, in denen die ersten und zweiten Kraftübertragungsstangen 130a, 130b, 132a, 132b geführt sind. Die Führungen 146a, 146b, 148a, 148b können beispielsweise als Gleitlager ausgebildet sein. Auch diese dienen der Entkopplung der ersten und zweiten Raumrichtungen 102, 104. Es soll verstanden werden, dass die Ausführungsbeispiele der 5 und 6 nicht exklusiv zu verstehen sind, es vielmehr aus Ausführungen geben kann, die sowohl Gelenke 142a, 142b, 144a, 144b als auch Führungen 146a, 146b, 148a, 148b aufweisen.
Ein siebtes Ausführungsbeispiel (7) basiert wiederum in etwa auf den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen (1 und 2). Im Unterschied zu den ersten Ausführungsbeispielen (1 und 2) ist die Vorrichtung 100 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel ( 7) zusätzlich mit einer ersten Aktoreinrichtung 150 und einer zweiten Aktoreinrichtung 152 ausgestattet. Die erste Aktoreinrichtung 150 ist der ersten Biegebalkeneinheit 108 zugeordnet und die zweite Aktoreinrichtung 152 ist der zweiten Biegebalkeneinheit 110 zugeordnet. Die Aktoreinrichtungen 150, 152 sind dazu vorgesehen, eine statische und/oder dynamische Kraft in die erste bzw. zweite Raumrichtung 102, 104 in die Steifigkeitsanordnung 106 einzubringen. Auf diese Weise kann beispielsweise der Kraftangriffspunkt 112 ohne Einfluss von einer an dem Kraftangriffspunkt 112 angeschlossenen Struktur verschoben werden, um beispielsweise eine Nulllage einzustellen. Die ersten und zweiten Aktoreinrichtungen können beispielsweise piezoelektrisch wirken und als Piezo-Patches ausgebildet sein. Sie können aber auch beispielsweise als elektrodynamische Aktoren, wie beispielsweise Tauchspulenaktuatoren, oder dergleichen ausgebildet sein. Auch ist es denkbar, dass die Aktoreinrichtungen 150, 152 pneumatisch, hydraulisch oder rein mechanisch wirken. Es kann auch vorgesehen sein, dass nur eine der ersten und zweiten Aktoreinrichtungen 150, 152 vorgesehen ist, wenn beispielsweise nur eine Verschiebung des Kraftangriffspunkts 112 in eine der beiden Raumrichtungen 102, 104 bevorzugt ist.
Ein achtes Ausführungsbeispiel (8) basiert wiederum auf dem ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiel (1 und 2) und orientiert sich ferner an dem siebten Ausführungsbeispiel (7). Anstelle der ersten und zweiten Aktoreinrichtungen 150, 152 sind aber in dem achten Ausführungsbeispiel (8) erste und zweite Lastaufnahmeeinrichtungen 154, 158 vorgesehen. Der ersten Biegebalkeneinheit 108 ist demnach die erste Lastaufnahmeeinrichtung 154 zugeordnet, und der zweiten Biegebalkeneinheit 110 ist die zweite Lastaufnahmeeinrichtung 158 zugeordnet. Die ersten und zweiten Lastaufnahmeeinrichtungen 154, 158 können beispielsweise als Luftfedern, pneumatische Einheiten oder dergleichen ausgebildet sein. Hierzu weist die erste Lastaufnahmeeinrichtung 154 einen ersten Anschluss 156 auf und die zweite Lastaufnahmeeinrichtung 158 weist einen zweiten Anschluss 160 auf, die beispielsweise mit einer Druckluftquelle oder dergleichen verbunden werden können. Auch hierdurch lässt sich eine Nulllage des Kraftangriffspunkts 112 einstellen. Ferner können hierdurch zusätzliche Abstützungen erreicht werden, falls Kräfte, die an dem Kraftangriffspunkt 112 angreifen, überhöht sind. Ein solches System lässt auch eine zusätzliche Vorspannung zu. Es können zusätzliche Kräfte aufgenommen werden, wobei in dem in 8 gezeigten Fall die ersten und zweiten Lastaufnahmeeinrichtungen 154, 158 zu den ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 parallel geschaltet sind.
In einem neunten Ausführungsbeispiel (9) sind im Unterschied zu den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen (1 und 2) für die ersten und zweiten Biegebalkeneinheiten 108, 110 erste und zweite Wegsensorikeinrichtungen 162, 164 zum Erfassen einer Positionsänderung des Kraftangriffspunkts 112 in die erste Raumrichtung 102 und die zweite Raumrichtung 104 vorgesehen. So ist eine erste Wegsensorikeinrichtung 162 an der ersten Kraftübertragungsstange 130 der ersten Biegebalkeneinheit 108 angeordnet, und eine zweite Wegsensorikeinrichtung 164 ist an der zweiten Kraftübertragungsstange 132b der zweiten Biegebalkeneinheit 110 angeordnet. Durch diese beiden Wegsensorikeinrichtungen 162, 164 kann die Verschiebung des Kraftaufnahmepunkts 112 erfasst werden.
In einem zehnten Ausführungsbeispiel (10) ist anstelle der ersten und zweiten Wegsensorikeinrichtungen 162, 164 (vgl. 9) eine erste und zweite Kraftsensorikeinrichtung 166, 168 vorgesehen. Die ersten und zweiten Kraftsensorikeinrichtungen 166, 168 sind an bzw. in den Kraftübertragungsstangen 130a, 10b, 132a, 132b angeordnet. So ist in der ersten Kraftübertragungsstange 130a der ersten Biegebalkeneinheit 108 eine erste Kraftsensorikeinrichtung 166 vorgesehen und in der zweiten Kraftübertragungsstange 132b der zweiten Biegebalkeneinheit 110 ist eine zweite Kraftsensorikeinrichtung 168 vorgesehen. Die Kraftsensorikeinrichtungen 166, 168 können beispielsweise als Dehnmessstreifen oder dergleichen ausgebildet sein.
11 illustriert nun ein elftes Ausführungsbeispiel, in welchem einerseits die Wegsensorikeinrichtungen 162, 164, wie mit Bezug auf 9 beschrieben, eingesetzt sind und andererseits Kraftsensorikeinrichtungen 166, 168, wie mit Bezug auf 10 beschrieben. In dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel sind allerdings in jeder der Kraftübertragungsstangen 130a, 130b, 132a, 132b Kraftsensorikeinrichtungen 166a, 166b, 168a, 168b vorgesehen. Diese sind insgesamt mit einem Regler 170 verbunden. Dazu ist eine Sensorikverkabelung 172 vorgesehen, die alle Sensorikeinrichtungen 162, 164, 166a, 166b, 168a, 168b mit dem Regler 170 verbindet. Der Regler 170 ist dazu ausgebildet, die von den Sensorikeinrichtungen erfassten Werte zu verarbeiten und vorzugsweise eine erste Aktorik 174 und eine zweite Aktorik 176 anzusteuern. Die erste Aktorik 174 dem ersten Einstellelement 114 zugeordnet und ist dazu ausgelegt, das erste Einstellelement 114 um die Rotationsachse 113 zu rotieren. Die zweite Aktorik 176 ist dem zweiten Einstellelement 116 zugeordnet und ist dazu ausgelegt, das zweite Einstellelement 116 um die Rotationsachse 113 zu rotieren. Dazu sind die erste und zweite Aktorik 174, 176 über eine Aktorikverkabelung 178 mit dem Regler 170 verbunden. Auf diese Weise kann der Regler 170 die Vorrichtung 100 so steuern, dass die Steifigkeit in die erste und zweite Raumrichtung 102, 104 entsprechend der am Kraftangriffspunkt 112 aufgenommenen Last eingestellt und angepasst wird.
Auch wenn die einzelnen Ausführungsbeispiele separat beschrieben wurden, so soll verstanden werden, dass es keine exklusiven Alternativen sind, sondern die einzelnen Ausführungsbeispiele vielmehr verschiedene Aspekte beleuchten, die separat, aber auch gemeinsam vorgesehen werden können. So können beispielsweise sowohl Festlager 123, 125, 127, 129, wie im zweiten Ausführungsbeispiel, als auch Gelenke 142a, 142b, 144a, 144b, wie im fünften Ausführungsbeispiel, als auch Kraftsensorikeinrichtungen 166, 168, wie im zehnten Ausführungsbeispiel beschrieben eingesetzt werden. Andere Kombinationen sind ebenso denkbar und bevorzugt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011015798 A1 [0003]
DE 102017220578 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung (100) zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung (102, 104), umfassend: eine Steifigkeitsanordnung (106), welche wenigstens eine erste Biegebalkeneinheit (108) zum Bereitstellen der Steifigkeit in die erste Raumrichtung (102) und eine zweite Biegebalkeneinheit (110) zum Bereitstellen der Steifigkeit in die zweite Raumrichtung (104) umfasst, einen gemeinsamen Kraftangriffspunkt (112) der ersten Biegebalkeneinheit (108) und der zweiten Biegebalkeneinheit (110) zum Einleiten einer Kraft in die Steifigkeitsanordnung (106), und mindestens ein erstes und ein zweites Einstellelement (114, 116), welche unabhängig voneinander um eine durch den Kraftangriffspunkt (112) verlaufende Rotationsachse (113) rotatorisch einstellbar sind, wobei das erste Einstellelement (114) zum Einstellen der Steifigkeit in die erste Raumrichtung (102) der ersten Biegebalkeneinheit (108) und das zweite Einstellelement (116) zum Einstellen der Steifigkeit in die zweite Raumrichtung (104) der zweiten Biegebalkeneinheit (110) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Biegebalkeneinheit (108) und/oder die zweite Biegebalkeneinheit (110) in einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Biegebalkeneinheit (108) und die zweite Biegebalkeneinheit (110) jeweils wenigstens einen ersten Biegebalkenabschnitt (118a, 120a) zum Bereitstellen der Steifigkeit in die erste und die zweite Raumrichtung (102, 104) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste Biegebalkeneinheit (108) und die zweite Biegebalkeneinheit (110) jeweils wenigstens einen zweiten Biegebalkenabschnitt (118a, 120a) zum Bereitstellen der Steifigkeit in die erste und die zweite Raumrichtung (102, 104) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der erste Biegebalkenabschnitt (118a, 120a) und der zweite Biegebalkenabschnitt (118b, 120b) bezogen auf den Kraftangriffspunkt (112) punktsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der erste Biegebalkenabschnitt (118a, 120a) jeweils ein erstes Ende (122a, 124a, 126a, 128a) und ein zweites Ende (122b, 124b, 126b, 128b) aufweist, und wobei das jeweils erste Ende (122a, 124a, 126a, 128a) ortsfest mit der Vorrichtung und das jeweils zweite Ende (122b, 124b, 126b, 128b) mit dem Kraftangriffspunkt (112) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der erste Biegebalkenabschnitt (118a, 120a) gerade ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der erste Biegebalkenabschnitt (118a, 120a) gekrümmt ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erste Einstellelement (114) und das zweite Einstellelement (116) jeweils wenigstens eine erste Anbindungseinrichtung (134a, 136a) aufweisen, wobei die erste Anbindungseinrichtung (134a) des ersten Einstellelements (114) der ersten Biegebalkeneinheit (108) zuordenbar ist und die erste Anbindungseinrichtung (136a) des zweiten Einstellelements (116) der zweiten Biegebalkeneinheit (110) zuordenbar ist, wobei die erste Anbindungseinrichtung (134a, 136a) entlang des ersten Biegebalkenabschnitts (118a, 120a) frei anordenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine Position der ersten Anbindungseinrichtung (134a, 136a) entlang des ersten Biegebalkenabschnitts (118a, 120a) automatisch und/oder manuell einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das erste und das zweite Einstellelement (114, 116) einen Mechanismus zum Öffnen und Schließen jeweils der ersten Anbindungseinrichtung (134a, 136a) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei zwischen dem zweiten Ende (122b, 126b) des ersten Biegebalkenabschnitts (118a, 120a) und dem Kraftangriffspunkt (112) eine erste Kraftübertragungsstange (130a, 132a) zum Übertragen der in den Kraftangriffspunkt (112) eingeleiteten Kraft auf den ersten Biegebalkenabschnitt (118a, 120a) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei an der jeweils ersten Kraftübertragungsstange (130a, 132a) mindestens ein erstes Gelenk (142a, 144a) und/oder eine erste Führung (146a, 148a) zum Entkoppeln der Steifigkeiten in die erste und in die zweite Raumrichtung (102 ,104) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei wenigstens eine erste Aktorikeinrichtung (150) an der ersten Biegebalkeneinheit (108) zum Erzeugen einer statischen und/oder dynamischen Kraft in die erste Raumrichtung (102) und wenigstens eine zweite Aktorikeinrichtung (152) an der zweiten Biegebalkeneinheit (110) zum Erzeugen einer statischen und/oder dynamischen Kraft in die zweite Raumrichtung (104) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, aufweisend eine Wegsensorikeinrichtung (162, 164) zum Erfassen einer Positionsänderung des Kraftangriffspunkts (112) in die erste Raumrichtung (102) und in die zweite Raumrichtung (104).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, aufweisend eine Kraftsensorikeinrichtung (166, 168) zum Erfassen einer Kraft in die erste Raumrichtung (102) und in die zweite Raumrichtung (104).
Verfahren zum unabhängigen, variablen Einstellen der Steifigkeit einer Vorrichtung (100) in mindestens eine erste und eine zweite Raumrichtung (102, 104), welches mindestens folgende Schritte umfasst: - Anbinden der Vorrichtung (100) an eine Anbindung eines Strukturbauteils; - Einstellen eines ersten Einstellelements (114) zum Einstellen der Steifigkeit einer ersten Biegebalkeneinheit (108) in die erste Raumrichtung (102), wobei das erste Einstellelement (114) um eine Rotationsachse (113) um einen ersten Winkel (138) rotiert wird; und - Einstellen eines zweiten Einstellelements (116) zum Einstellen der Steifigkeit einer zweiten Biegebalkeneinheit (110) in die zweite Raumrichtung (104), wobei das zweite Einstellelement (116) um die Rotationsachse (113) um einen zweiten Winkel (140) rotiert wird.