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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Funktionsprüfung von
Abtriebsstrangkomponenten durch einen rotierenden Antrieb gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
der Prüfung
von Abtriebsstrangkomponenten, wie beispielsweise Getriebe, auf
deren Verhalten, vorzugsweise auf deren Geräuschentwickung oder Resonanzerscheinungen
bei verschiedenen Drehzahlen, werden in allgemein bekannter Weise Antriebe,
vorzugsweise Elektromotoren (Gleichstrom- oder Drehstrommotoren),
eingesetzt. Das Verhalten der Abtriebsstrangkomponenten kann am Abtriebsstrang
auch mittels geeigneter Meßgeräte zur Schwingungsaufzeichnung
gemessen werden. Die Dynamik und Auflösung dieser Antriebsart ist durch
die Komponenten dieser Antriebe begrenzt. Insbesondere können dem
Abtriebsstrang nicht gezielt höherfrequente
Torsionsschwingungen vermittelt werden, die im Abtriebsstrang während des
Anwendungsgebrauchsbetriebs auftreten können.
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Das
Verhalten des Getriebes wird bei der Oberschwingungsüberlagerung
vorzugsweise nahe am realen Betriebsfall geprüft. Im realen Betrieb des Getriebes
werden Oberschwingungen durch den Antrieb erzeugt. Am Beispiel eines
Verbrennungsmotors entstehen zunehmend Drehoberschwingungen dadurch,
daß die
Schwungmassen der Antriebe aufgrund von Maßnahmen zur Energieeinsparung
reduziert werden bzw. generell bei allen Antriebsarten die Leistungsdichte
zunimmt.
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Geprüft wird
beispielsweise das Verhalten des Getriebes unter Last, im Dauerlauf,
bei Schub- bzw. Zugbetrieb und/oder bei integrierten Differentialstufen
die Simulation der Kurvenfahrt. Weiterhin kann die subjektive oder
objektive Luft- oder Körperschallerzeugung
des Getriebes unter realitätsnahen Betriebsbedingungen
geprüft
bzw. bewertet werden, speziell auch spielbehaftete Bauelemente,
die sich im Abtriebsstrang befinden und beispielsweise zu Klappereffekten
neigen oder zu einer verminderten Lebensdauer führen.
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Darüberhinaus
können
Betätigungskräfte, Schalt-
oder Wählfunktionen,
Funktionen der Synchronisation geprüft werden, sowie weitere Funktionsprüfungen unter
realitätsnahen
Drehoberschwingungsbedingungen durchgeführt werden.
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Unter
Auflösung
im Zusammenhang mit einer Antriebsart ist die Fähigkeit gemeint, definierte Drehamplituden
als Funktion der Zeit zu erzeugen, die auch bei einem geringen Betrag
der Drehamplitude präzise
der vorgegebenen Sollfunktion entsprechen, dies auch bei großem Grunddrehmoment,
das zwischen Antriebs- und Abtriebswelle sowie bei hoher Schwingungsfrequenz übertragen
wird. Mit dieser Fähigkeit
können
die realen Drehschwingungen eines Antriebs nachgebildet oder aktiv
kompensiert werden, indem beispielsweise einzelne Sinusschwingungen
entprechend der Fourier-Synthese aufgebracht bzw. überlagert
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei der den Abtriebsstrangkomponenten
gezielt Drehoberschwingungen oder Torsionsschwingungen, insbesondere
höherfrequente
Schwingungen, vermittelt werden können.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
die
DE-35 31 099 A1 ist
zwar ein piezoelektrischer Motor bekannt, bei dem Piezoelemente
zum Schrittantrieb einer Welle verwendet werden, wobei aber kein
Prüfbetrieb
stattfindet.
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Durch
die
DE-40 33 089 C1 ist
ein Torsionselement bekannt, bei dem auf einem Torsionsstab ein Faserverbund
aufgebracht ist, dessen Fasern aus einem elektrisch leitenden Kern
und einer piezoelektrischen Kernbeschichtung bestehen. Durch die
elektrische Ansteuerung der Fasern ist das elastische Verhalten
des Torsionsstabs beeinflußbar,
wobei Schwingungen des Torsionsstabs gedämpft werden können.
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Durch
die
DE-195 27 514 A1 ist
eine Schnittstelle zwischen einem basisseitigen Bauteil und einem
strukturseitigen Bauteil bekannt, wobei zwischen diesen Bauteilen,
die axial gegeneinander verschiebbar sind, Piezoelemente eingefügt sind,
mit denen eine Dämpfung
der axialen Längsschwingungen
der Bauteile bewirkt werden kann.
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Allgemein
sind Piezoelemente als Aktuatoren aus
US
5,182,484 A bekannt. Durch die
DE-195 42 452 A1 ist ein
Translations- und Rotationsmodul mit Multipiezoantrieb bekannt,
bei dem eine Welle mit Piezoelementen in Wellenradialrichtung zentrierbar und
mit weiteren Piezoelementen in Wellenaxialrichtung verschiebbar
ist.
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Ferner
ist durch die
DE-196
42 827 A1 ein Aktuator mit Piezoelementen bekannt, der
zur Schwingungsbedämpfung
zwischen zwei zueinander schwingbeweglicher Massen dient. Insbesondere wird
eine Fahrzeugkupplung beschrieben, bei der sich radial angeordnete
Kupplungselemente an ihrem Träger über peripher
angeordnete Schraubenfedern abstützen,
deren Auflager Piezoelemente sind. Mittels eines Schwingungserfassungssensors
wird ein Regler gesteuert, der eine Stellspannung an die Piezoelemente
abgibt. Diese Piezoelemente verändern
die Vorspannung der Schraubenfedern und ermöglichen damit die Kompensation
der auftretenden Schwingbewegungen.
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Bei
diesen bekannten Anwendungen von Piezoelementen ist jedoch kein
Prüfbetrieb
vorgesehen.
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Durch
die Anordnung gemäß dem Anspruch 1
wird damit zwischen dem Antrieb und der Abtriebsstrangkomponente
ein mitdrehender "Piezo-Torsionspulsator" geschaltet, mit
dem der Grundbewegung des rotierenden Antriebs, der beispielsweise ein
Elektromotor oder Verbrennungsmotor sein kann, die Pulsationswirkung
des Piezo-Torsionspulsators überlagert
wird (1).
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Die
Anordnung gemäß der Erfindung
hat den Vorteil, daß eine
präzise,
schnelle und direkt wirkende Relativverdrehung hoher Dynamik und
hoher Auflösung
zur Drehschwingungsanregung oder aktiven Drehschwingungsverringerung
zu Prüf zwecken
möglich
ist. Dies ist deshalb möglich,
weil eine aktive direkte Drehschwingungsbeeinflussung bzw. der bei einer
Funktionsprüfung
erforderliche höherfrequente Anteil
des Schwingungsspektrums nur vergleichsweise geringe relative Torsionswinkelamplituden
erfordert. Ferner werden eine gleichmäßige Torsionsbewegung, schnelle
Reaktionszeiten für
aktive Drehschwingungsbeeinflussung, eine kompakte Baugröße, eine
geringe Zahl beweglicher und wartungsfreundlicher Teile durch Festkörperausdehnung
der Piezoelemente, ein hoher Wirkungsgrad und ein vergleichsweise
geringer Bedarf an elektrischer Leistung erreicht.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung sind je zwei Kuppelglieder vorgesehen,
von denen jeweils zwei einander gegenüberliegen und zwei überkreuzliegende
gleichsinnig impulsbetrieben werden. Dadurch werden die Stabilität und das
Drehmoment für
die Torsionsschwingungen erhöht.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Abtriebswelle an der Angreifstelle
der Kuppelglieder mit Ausnehmungen versehen, die jeweils einen im
wesentlich flachen Boden aufweisen, an dem die Stirnseite des Piezoelements
anliegt. Hierdurch kann eine zweite Befestigungsstelle des Kuppelglieds
eingespart werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Boden in Querrichtung
der Abtriebswelle nach außen
leicht gewölbt,
so daß sich
die Stirnseite des Kuppelglieds besser auf dem Boden abwälzt.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung weist der Boden für jedes
Piezoelement eine Ausnehmung auf, in die ein komplementärer Vorsprung
auf der Stirnseite des Piezoelements eingepaßt ist. Dadurch werden die
Stirnseiten der Piezoelemente besser an den Böden der Ausnehmungen festgelegt.
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Um
die Wirkungen der Piezoelemente zu erhöhen, können gemäß einer weiteren Ausbildung
der Erfindung zwei oder mehrere Pulsatorschichten in Wellenachsrichtung
nebeneinander angeordnet werden, wobei diese Schichten parallel
betrieben werden (3).
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Um
die Wirkungen der Piezoelemente zu erhöhen, ist eine weitere Ausbildung
der Erfindung alternativ dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere
Pulsatorschichten in Wellenachsrichtung schichtweise angeordnet
sind, daß diese
Pulsatorschichten mit Ausnahme der letzten, antriebsseitigen Pulsatorschicht
jeweils auf ein Wellenstück
der Scheibe der nachgeordneten Pulsatorschicht einwirken und daß diese
Pulsatorschichten in Reihe betrieben werden (4).
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung sind die Wirkrichtungen der Pulsatorschichten in
bezug auf deren Kuppelglieder gegeneinander verdreht. Dadurch können die
beim Impulsbetrieb der Piezoelemente auftretenden Kräfte gleichmäßiger auf die
Abtriebswelle verteilt sowie die Packungsdichte erhöht werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Pulsatorschicht bzw.
im Fall von mehreren parallelarbeitender Kupplungen mindestens eine
der Kupplungen mindestens ein weiteres auf der Scheibe angeordnetes
Kuppelglied auf, mit dem die Scheibe mit der Abtriebswelle bzw.
dem Wellenstück fest
verbindbar ist. Dadurch läßt sich
der Piezo-Pulsationsbetrieb ausschalten.
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Eine
weitere Ausbildung der Erfindung ist so getroffen, daß die Pulsatorenschicht
zum Verbleib im Realanwendungsfall vorgesehen ist und zusätzlich zur
Dämpfung
von an der Abtriebswelle auftretenden Torsionsschwingungen verwendet
wird.
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So
kann im Nichtprüf-
und Anwendungsbenutzungsbetrieb ein Dämpfungsbetrieb durchgeführt werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
prinzipielle Anordnung, in der die Erfindung angewendet wird,
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2 eine
Draufsicht auf die in 1 angedeutete Pulsatorenschicht
von der Abtriebsseite her, wobei die Abtriebswelle geschnitten dargestellt
ist,
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3 einen
Schnitt durch zwei Kupplungen im Parallelbetrieb und
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4 einen
Schnitt durch zwei Kupplungen im Reihenbetrieb.
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Die
Anordnung in 1 soll den nicht weiter dargestellten
Prüfbetrieb
symbolisieren und weist einen Antrieb 1, vorzugsweise einen
Elektromotor, mit einer Antriebsachse 2 auf, die mit einem
mitdrehenden Torsionspulsator 3 verbunden ist; der mitdrehende
Torsionspulsator 3 ist auf seiner anderen Seite mit einer
Abtriebswelle 4 verbunden, die zu einer zu prüfenden Abtriebsstrangkomponente 5 führt, die
beispielsweise ein zu prüfendes
Getriebe sein kann. Die Wellen 2 und 4 sind durch
den Torsionspulsator 3 gekuppelt.
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In 2 ist
die Kupplung 3 näher
dargestellt. Sie umfaßt
eine mit der Antriebswelle 2 in nicht näher dargestellter Weise fest
verbundene Scheibe 6, die eine zentrale kreisrunde Öffnung 7 hat.
Auf der Scheibe 6 sind gegenüberliegend zwei parallele Paare 8, 9 bzw. 10, 11 von
Kuppelgliedern 8–11 angeordnet,
die eine längsgestreckte
Form aufweisen und mit ihren einen Enden 12–15 in
nicht dargestellter Weise in Umfangsnähe der Scheibe 6 befestigt
sind. Diese Kuppelglieder umfassen Hülsen, in denen piezoelektrische
Elemente angeordnet sind, die mit einer Stirnseite 16–19 auf
dem Boden 20 bzw. 21 von zwei gegenüberliegenden
Ausnehmungen 22, 23 der Abtriebswelle 4 sitzen.
Der Boden 20, 21 ist jeweils gegenüber den
Stirnseiten 16–19 leicht
gewölbt.
Die Seiten 16–19 sind
an der Abtriebswelle 4 durch Nut-Feder-Glieder lose festgelegt.
Ein solches Nut-Feder-Glied ist durch das Bezugszeichen 24 exemplarisch
bezeichnet. Das Nut-Feder-Glied ist durch einen Vorsprung, der eine
runde Rippe sein kann, auf der Stirnseite 16–19 und
eine komplementär
zum Vorsprung ausgebildete Ausnehmung, die eine runde Nut sein kann,
in der Abtriebswelle 4 gebildet. Die Abtriebswelle 4 ist
in der Öffnung 7 berührungslos
aufgenommen.
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Ferner
sind auf der Scheibe 6 zwei weitere Kuppelglieder verschiebbar
befestigt, die durch zwei radial zur Abtriebswelle 4 gerichtete
Stifte 25, 26 gebildet sind. Diese Stifte sind
in weiteren Ausnehmungen 27, 28 der Abtriebswelle 4 durch
elektrische Steuerung einführbar
bzw. aus diesen Ausnehmungen entfernbar.
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Die
Steuerleitungen und Kontaktierungsmittel für die Kuppelglieder 8–11 und
die Kuppelglieder 25, 26 sind in den Figuren nicht
gezeigt.
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Die
Wirkungsweise der Funktionsprüfanordnung
ist folgende. Bei der Prüfung
der Abtriebsstrangkomponenten 5 wird der Antrieb 1 eingeschaltet,
so daß die
Scheibe 6 und die Abtriebswelle 4 in Richtung
des Pfeils 29 in Drehung versetzt werden. Die Drehgeschwindigkeit
kann dabei nach den Bedürfnissen
der Prüfung
verändert
werden. Dann werden die Stifte 25, 26 aus den
Ausnehmungen 27, 28 gezogen, beispielsweise elektrisch.
Die Kuppelglieder 8–11 werden
nun elektrisch so gesteuert, daß sie der
Drehbewegung der Abtriebswelle Torsionsschwingungen überlagern,
deren Frequenz einstellbar ist, um das Verhalten der Abtriebsstrangkomponenten 5 beobachten
zu können.
Dabei werden die Kuppelglieder 8, 11 und die Kupppelglieder 9, 10 jeweils
gleichsinnig, aber das Kuppelgliedpaar 8, 11 gegensinnig
zum Kuppelgliedpaar 9, 10 gesteuert, so daß ein Gegentaktbetrieb
erfolgt. Die Stirnflächen 16–19 rollen
dabei auf den ihnen zugeordneten, gewölbten Böden 20, 21 ab.
Wenn eine absolut feste Kopplung der Scheibe 6 mit der
Abtriebswelle 4 erfolgen soll, so können die Stifte 25, 26 wieder
in die Ausnehmungen 27, 28 eingeführt werden.
Damit ist die mechanische Impulswirkung der Kuppelglieder 16–19 ausgeschaltet.
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In 3 sind
zwei der beschriebenen Pulsatorschichten 3, 3' in Wellenachsrichtung
nebeneinander angeordnet, wobei die Wirkrichtungen der Kuppelglieder,
z.B. der Kuppelglieder 8, 10, der einen Pulsatorschicht 3 gegenüber denen
der Kuppelglieder, z.B. der Kuppelglieder 8', 10', verdreht sein können. Es
können
auch mehr als zwei solcher Pulsatorschichten nebeneinander arbeiten.
Dabei arbeiten alle Kuppelglieder parallel direkt auf die Abtriebswelle.
Dadurch kann das auf die Abtriebswelle wirkende Torsionsdrehmoment
erhöht
werden.
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Zur
Erhöhung
des maximalen relativen Verdrehwinkels zwischen Antriebswelle 2 und
Abtriebswelle 4 können
mehrere der beschriebenen Pulsatorschichten 3 hintereinandergeschaltet
werden. In 4 ist ein Beispiel mit zwei
in Reihe geschalteten und in Wellenachsrichtung nebeneinanderliegenden Pulsatorschichten 3, 3'' gezeigt, deren Kuppelglieder 8, 10 vorzugsweise
wieder gegenüber
den Kuppelgliedern 8', 10' verdrehte Wirkrichtungen
haben können.
Die Kupplung 3'' wirkt dabei
auf die Abtriebswelle 4, ist aber mit einem mit der Kupplungsscheibe
(6) verbundenen Wellenstück 4' versehen, auf das die Kupplung 3 wirkt.
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Neben
dem Einsatz bei der Funktionsprüfung
von Abtriebsstrangkomponenten kann die Anordnung gemäß der Erfindung
auch zur aktiven Drehschwingungsdämpfung verwendet werden. Beispielsweise
kann sie in Abtriebssträngen
von Fahrzeugen benutzt werden, hier mit dem Ziel, Drehschwingungen
online während
des Betriebs aktiv und gezielt zu beeinflussen, zu eliminieren oder
zu verringern. Diese Betriebsart kann auch zusätzlich zur Funktionsprüfung vorgesehen
sein.
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Die
Piezoelemente werden im Fall der "Drehschwingungsanregung zur Funktionsprüfung" als auch im Fall
der "aktiven Drehschwingungsdämpfung" über eine nicht dargestellte
Leistungselektronik angesteuert. Die Ansteuersignale werden im Fall
der Getriebeprüfung
durch eine benutzergeführte
Sollwertvorgabe synthetisiert oder aus realen, aufgezeichneten Meßwerten
nachgebildet. Im Fall der aktiven Drehschwingungsbeeinflussung können die
Ansteuersignale als Ergebnis eines Echtzeitregelalgorithmus erzeugt
werden.
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Die
Anordnung gemäß der Erfindung
kann auch als rotatorischer Stellantrieb Verwendung finden. Mögliche Anwendungen
sind Drehpositionierungen oder Drehschwingungsbewegungen mit verhältnismäßig geringen
Beträgen
der Drehamplituden und hoher geforderter Präzision. Mögliche Anwendungsbeispiele
sind Stellbewegungen von optischen Komponenten und Anwendungen bei
der Halbleiterherstellung oder bei der Herstellung von Mikrosystemen.