DE10240334B4

DE10240334B4 - Elektrohydraulischer Aktuator

Info

Publication number: DE10240334B4
Application number: DE2002140334
Authority: DE
Inventors: Günter Prof. Dr.-Ing. habil. Kunze; Stefan Dipl.-Ing. Graul
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: DE10240334A1

Abstract

Elektrohydraulischer Aktuator mit Kolben und Zylinder, dadurch gekennzeichnet, dass entweder im Kolben (1) oder/und im Zylinder (3) wenigstens eine piezoelektrische Pumpe (4) mit Ein- und Auslassöffnungen in das im Zylinderraum vorhandene Fluid vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen linear oder rotatorisch wirkenden elektrohydraulischen Aktuator, insbesondere für Positioniereinrichtungen und Manipulatoren.
Elektrohydraulische Aktuatoren sind hinlänglich bekannt. Weitverbreitet sind hydraulische Systeme mit einer Pumpe, Ventilen, Zuleitungen, Zylinder und Kolben. Die Pumpe, insbesondere eine Zahnradpumpe, füllt je nach Ventilstellung den Zylinderraum vor oder hinter dem Kolben. Entsprechend wird der Kolben oder der Zylinder zu der einen oder andere Richtung bewegt, je nachdem, ob der Zylinder oder der Kolben festgelegt ist.

Aus der DE 38 26 547 C2 ist ein fluidbetätigter Motor mit einem in einem Zylindergehäuse verschiebbaren Kolben mit einer nach außen geführten Kolbenstange, mit zwei im Zylindergehäuse ausgebildeten, von Kolbenflächen begrenzten Fluidkammern mit einer piezoelektrischen Pumpeinrichtung bekannt. Gemäß der Druckschrift besteht die Pumpeinrichtung aus mehreren piezoelektrischen Pumpelementen, die jeweils über zwei gegensinnig wirkende Rückschlagventile mit den Fluidkammern verbindbar sind. Jeweils mehrere Pumpelemente sind zu einer Gruppe zusammengeschaltet, wobei die jeweils gleichsinnig wirkenden Rückschlagventile der Pumpelemente einer Gruppe mit jeweils einer der beiden Fluidkammern verbunden sind.

Bei solchen Systemen wird die elektrische Energie zunächst in mechanische Energie des Pumpenmotors, danach in hydrostatische und zuletzt in die gewünschte translatorische Energie bzw. Bewegung gewandelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrohydraulischen Aktuator mit Kolben und Zylinder ohne Energiewandlung in hydrostatischen Getrieben anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in dem System Kolben/Zylinder wenigstens eine piezoelektrische Pumpe mit Ein- und Auslassöffnung in das im Zylinderraum vorhandene Fluid vorgesehen ist.

Vorzugsweise sind die Pumpen bei einem linear wirkenden Aktuator mit ihrer Pumpwirkungsrichtung parallel zur Zylinder- bzw. Kolbenachse bzw. bei einem rotatorisch wirkenden Aktuator tangential zur Dreh- bzw. Schwenkachse in einer Art Pumpenbatterie angeordnet. Eine solche Pumpenbatterie oder mehrere können im Kolben oder im Zylinder vorgesehen sein.

Das Fluid fließt beim Pumpen von dem Raum vor dem Kolben durch die Pumpen in den Raum hinter dem Kolben oder umgekehrt, gegebenenfalls unter Einsatz einer äußeren hydraulischen Verbindungsleitung zwischen den Stirnseiten der Zylinderräume. Äußere hydrostatische Wandler, wie insbesondere Zahnradpumpen, sind nicht erforderlich. Leckage-Verluste können wie üblich, gegebenenfalls unter Einsatz weiterer piezoelektrischer Pumpen, ergänzt werden.

Die Energiebilanz verbessert sich durch den Wegfall einer Wandlerstufe und durch kürzere Leitungswege.

Das System kann feinfühlig gesteuert werden. Durch eine gruppenweise Ansteuerung der Pumpen und durch die Änderung der Frequenz oder Amplitude lässt sich der Volumenstrom einstellen. In einer vorzugsweisen Ausführung wird eine einzelne Pumpe oder eine Gruppe mit wenigen Pumpen getrennt angesteuert. Es lassen sich kleinste Volumenströme erzeugen und präzise Ansteuerungen in Abhängigkeit von Sensoren, wie insbesondere Druck-, Temperatur- und oder Wegsensoren, realisieren. Eine solche Ausführung ist vorzugsweise für Positioniereinrichtungen oder Manipulatoren mit feinstufigen Weg- und Krafteinstellungen geeignet. Mittels Regelschaltungen kann der Druck im Zylinder über einen längeren Zeitraum exakt aufrecht erhalten werden.

Es sind verschiedene piezoelektrische Pumpen bekannt, die eingesetzt werden könnten, darunter ventillose und solche mit Ventil oder in der Förderrichtung umschaltbare und nicht umschaltbare. (S. z. B. Olsson, Anders: Valve Less Diffuser Pumps for Liquids. /School of Electrical Engineering, Royal Institute of Technology, TRITA-IL-9603, Stockholm 1996/ oder DE 36 18 106 A1 .)

Sofern die Förderrichtung nicht einfach elektrisch umschaltbar ist, wie bei den peristaltischen piezoelektrischen Pumpen, kann eine Gruppe von in einer Richtung fördernden Pumpen und eine zweite Gruppe von in entgegengesetzter Richtung fördernden Pumpen vorgesehen und je nach gewünschter Bewegungsrichtung die eine oder die andere Gruppe angesteuert werden.

Mit der Anordnung von zwei Pumpenbatterien zu jeder Seite des Zylinders lässt sich der Volumenstrom verdoppeln.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erklärt. In den Zeichnungen zeigen
1 eine erste erfindungsgemäße Ausführung eines linear wirkenden Aktuators mit Anordnung der piezoelektrischen Pumpen im Kolben,
2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführung eines linear wirkenden Aktuators mit Anordnung der piezoelektrischen Pumpen im Zylinder,
3 eine erfindungsgemäße Ausführung eines rotatorisch wirkenden Aktuators mit Anordnung der piezoelektrischen Pumpen im Kolben.
Die beiden linearen Ausführungen bestehen aus einem Kolben 1, der mit einer Kolbenstange 2 verbunden ist, einem Zylinder 3, in Pumpenbatterien 5 zusammengefassten piezoelektrischen Pumpen 4, elektrischen Zuleitungen 6 zu den Pumpen 4 und einem Steuergerät 7, nebst Spannungsquelle. Die notwendigen Dichtungen sind bekannt und wurden nicht dargestellt. Es kann sich jeweils entweder der Kolben 1 oder der Zylinder 3 hin- und herbewegen, je nachdem, ob der Zylinder 3 oder der Kolben 1 fest mit einem Gestellpunkt verbunden ist.
In der ersten Ausführung gemäß 1 sind die Pumpen 4 im Kolben 1 untergebracht. Die Ein- und Auslassöffnungen der Pumpen 4 ragen in die Zylinderräume zu beiden Seiten des Kolbens 1. Beim Pumpen fließt das Fluid von einem Zylinderraum durch die Pumpen in den zweiten Zylinderraum. Die Förderrichtung wird dabei von der elektronischen Ansteuerung bestimmt, entweder durch die schaltbare Reihenfolge der Pumpenelemente, z. B. bei peristaltischen piezoelektrischen Pumpen, oder durch die Ansteuerung der einer oder der anderen Pumpenbatterie mit jeweils gleicher, aber entgegengesetzter Förderrichtung. Wie oben beschrieben, können verschiedene piezoelektrische Pumpen eingesetzt werden.
In der Ausführung nach 2 ist eine Pumpenbatterie 5 von piezoelektrischen Pumpen 4 in der Nähe einer Zylinderstirnwand angeordnet und dort mit dem Zylinder 3 verbunden. Die Kolbenstange 2 gleitet durch diese Pumpenbatterie 5 und ist gegen sie abgedichtet. Beim Pumpen fließt das Fluid von einem Zylinderraum durch die Pumpen 4 in den angrenzenden stirnseitigen Zylinderraum und von dort über die hydraulische Verbindung 8 in den zweiten Zylinderraum.
In der Ausführung nach 3 ist eine Variante für einen rotatorisch wirkenden Aktuator gezeigt. Die Kolbenstange 2, mit der Nabe 9 und dem als Feder ausgebildeten Kolben 1 ist in dem Zylinder 3 schwenkbar. Der Zylinder 3, der Kolben 1 und die Nabe 9 sind scheibenförmig ausgebildet. Die 3 zeigt einen Schnitt durch die scheibenförmigen Teile. Beide Stirnseiten sind mit (nicht dargestellten) Deckeln verschlossen und gegen die drehenden Teile abgedichtet. Weitere Dichtungen befinden sich zwischen dem Kolben 1 und dem Zylinder 3 sowie zwischen der Nabe 9 und Anschlag 10. Die Dichtungen sind ebenfalls nicht dargestellt. Im Kolben 1 ist eine Pumpenbatterie 5 von piezoelektrischen Pumpen 4 vorgesehen. Beim Pumpen fließt das Fluid von einem Zylinderraum durch die Pumpen in den anderen Zylinderraum, womit entweder die Kolbenstange 2 oder der Zylinder 3 um die gemeinsame Achse geschwenkt werden, je nachdem, ob der Zylinder 3 oder der Kolben 1 fest mit einem Gestellpunkt verbunden ist.

1: Kolben
2: Kolbenstange
3: Zylinder
4: Pumpe
5: Pumpenbatterie
6: Zuleitung
7: Steuergerät
8: Verbindung
9: Nabe
10: Anschlag

Claims

Elektrohydraulischer Aktuator mit Kolben und Zylinder, dadurch gekennzeichnet, dass entweder im Kolben (1) oder/und im Zylinder (3) wenigstens eine piezoelektrische Pumpe (4) mit Ein- und Auslassöffnungen in das im Zylinderraum vorhandene Fluid vorgesehen ist.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Gruppe parallel schaltbarer piezoelektrischer Pumpen (4) vorgesehen ist.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gruppen parallel schaltbarer piezoelektrischer Pumpen (4), deren Förderrichtungen gruppenweise entgegengesetzt sind, vorgesehen sind.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine piezoelektrische Pumpe (4) bzw. eine Gruppe aus wenigen piezoelektrischen Pumpen getrennt von den übrigen Pumpen (4) ansteuerbar ist.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz oder/und die Amplitude der wenigstens einen piezoelektrischen Pumpe (4) steuerbar ist.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine piezoelektrische Pumpe (4) vorgesehen ist, deren Förderrichtung umschaltbar ist.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine piezoelektrische Pumpe (4) mit vorgegebener Förderrichtung vorgesehen ist.
Elektrohydraulischer Aktuator nach den Ansprüchen 1 und 6 oder 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine piezoelektrische Pumpe (4) ohne Ventile vorgesehen ist.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine piezoelektrische Pumpe (4) in Abhängigkeit von in oder außerhalb der Pumpe vorgesehenen Sensoren, insbesondere für Druck, Temperatur und/oder Weg, ansteuerbar sind.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere piezoelektrische Pumpen (4) mit ihrer Förderrichtung etwa parallel zur Zylinder- bzw. Kolbenachse in einer Art Pumpenbatterie (5) angeordnet sind.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere piezoelektrische Pumpen (4) mit ihrer Förderrichtung etwa tangential zur Rotations- bzw. Schwenkachse angeordnet sind.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenbatterie (5) im Kolben (1) mit Ein- und Auslassöffnungen der Pumpen (4) zu beiden Seiten des Kolbens vorgesehen ist.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenbatterie (5) im Zylinder (3) in der Nähe einer oder beider Stirnwände mit Ein- und Auslassöffnungen der Pumpen (4) zum Zylinderinneren und zu einem stirnseitigen Raum vorgesehen ist, wobei die beiden stirnseitigen Räume mittels einer Leitung (8) hydraulisch miteinander verbunden sind.