DE19912964A1 - Verstärker für elektromechanische Festkörperwandler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen Verstärker für elektromechanische Festkörperwandler zur gleichzeitigen bzw. kombinierten Vergrößerung von Stellweg, Stellkraft und Stellarbeit, für alle Anwendungsgebiete der Aktorik und Sensorik. DOLLAR A Die Vorteile der Erfindung gegenüber Stellwegvergrößerern bestehen hauptsächlich darin, daß mit geringem Bau- und Kostenaufwand und bei geringem Zusatzgewicht - bei gegebener Feldstärke - eine Vervielfachung der Stellarbeit und zugeordneter Stellwege und Stellkräfte möglich ist. Beispielsweise läßt sich der Stellweg innerhalb gegebener elektromechanischer Belastungsgrenzen auf den gesamten linear-elastischen Dehungsbereich des Festkörperwandlers erweitern. Alternativ zu einer Erhöhung der Stellarbeit ist es auch möglich, die für einen bestimmten Stellweg geforderte Feldstärke zu vermindern. DOLLAR A Das Wirkprinzip des Verstärkers besteht darin, daß die vom Festkörperwandler benötigte passive elastische Dehnungsenergie von einer vorgespannten elastischen Feder 8 geliefert wird, indem die von Feder 8 erzeugte Kraft durch ein Getriebe in eine verstärkte Hilfskraft umgewandelt wird, die auf den Festkörperwandler einwirkt und mit zunehmendem Stellweg ebenfalls zunimmt. Die von der Feder 8 gelieferte elastische Dehnungsarbeit bewirkt eine entsprechend größere nutzbare Stellarbeit. Bei jedem Arbeitszyklus wird die für eine Stellbewegung benötigte passive elastische Dehnungsenergie abwechselnd zwischen der elastischen Feder 8 und dem ...

Description

Die Erfindung bezieht sich einen mechanischen Verstärker für elektromechanische Festkör­ perwandler zur gleichzeitigen bzw. kombinierten Vergrößerung von Stellweg, Stellkraft und Stellarbeit.

Es ist allgemein bekannt, daß herkömmliche Stellwegvergrößerer aufgrund des Energieer­ haltungssatzes die technisch nutzbare Stellarbeit von Festkörperwandlern nicht erhöhen können, so daß sich beispielsweise der Stellweg nur auf Kosten der Stellkraft vergrößern läßt. Soll daher außer Stellweg und Stellkraft auch die Stellarbeit vergrößert werden, dann ist dies mit herkömmlichen Stellwegvergrößerern nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die allgemeine Aufgabe zugrunde, innerhalb gegebener elektrome­ chanischer Materialgrenzwerte des Festkörpers gleichzeitig oder alternativ Stellweg, Stellar­ beit und Stellkraft von Festkörperwandlern zu vergrößern. Die Aufgabe besteht sinngemäß auch darin, die für vorgegebene Stellwege oder Stellkräfte benötigten elektromagnetischen Feldstärken zu verringern.

Bekanntlich ist die von Festkörperwandlern abgegebene technisch nutzbare Arbeit immer geringer als die von außen zugeführte elektromagnetische Ansteuerungsenergie. Ein we­ sentlicher Grund hierfür ist, daß der größte Teil zugeführter Ansteuerungsenergie in passive, technisch nicht nutzbare elastische Dehnungsarbeit des Festkörperwandlers umgewandelt wird. Die dabei reversibel gespeicherte elastische Energie wird bei Entspannung des Fest­ körperwandlers wieder abgegeben.

Vorliegender Erfindung liegt insofern die gleiche allgemeine Aufgabe zugrunde, wie der unter Akz 198 23 408 beschriebenen Erfindung. Ein Nachteil des unter Akz 198 23 408.2 be­ schriebenen Verstärkers besteht darin, daß die vorgesehenen Magnete und Magnetjoche durchwegs große Massen bei großem Raumbedarf aufweisen, wodurch die möglichen An­ wendungsbereiche derartiger Verstärker eingeschränkt werden.

Der Erfindung liegt daher die besondere Aufgabe zugrunde, die nutzbare Stellarbeit bzw. Stellkraft eines Festkörperwandlers - innerhalb vorgegebener elektromechanischer Material­ grenzen - zu erhöhen, indem die vom Festkörperwandler für einen Arbeitszykus benötigte und in ihm temporär gespeicherte passive elastische Dehnungsenergie durch einen externen mechanischen Energiespeicher geliefert und reversibel zurückgewonnen wird.

Dieser Aufgabenstellung entsprechend muß ein erfindungsgemäßer mechanischer Energie­ speicher auf reversible Art und Weise diejenige Energie bereitstellen und auf den Festkör­ perwandler übertragen, die zur Deckung der passiven elastischen Dehnungsarbeit des Fest­ körperwandlers benötigt wird, wobei die temporär gespeicherte elastische Dehnungsenergie bei Entspannung des Festkörperwandlers wieder an den externen mechanischen Energie­ speicher zurückgeführt wird.

Die Lösung der besonderen Aufgabe vorliegender Erfindung unterscheidet sich insofern von der unter Akz 198 23 408.2 beschriebenen Lösung, indem das magnetische Kraft-Weg-Ge­ setz von Soffa auf mechanische Weise realisiert wird. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu­ grunde, daß ein dem Gesetz von Soffa vergleichbares Kraft-Weg Gesetz auch auf mechani­ sche Weise dargestellt werden kann. Dazu läßt sich grundsätzlich die Eignung elastischer Federn zur reversiblen Speicherung potentieller Energie nutzen. Zusätzlich werden an den Verlauf des Kraft-Weg Gesetzes bzw. der Federkennlinie nachfolgend erläuterte besondere Anforderungen gestellt.

Wenn eine elastische Feder die passive Dehnungsarbeit eines Festkörperwandler reversibel speichern, abgeben und wiederaufnehmen soll, dann muß dies grundsätzlich durch direkte Einwirkung der Federkraft oder einer von dieser abhängigen Hilfskraft auf den Festkörper­ wandler erfolgen, wobei die Hilfskraft bei jeder Stellbewegung diejenige passive mechani­ sche Verschiebungsarbeit verrichten soll, die zur Deckung der elastischen Dehnungsenergie des Festkörperwandlers benötigt bzw. bei dessen Entspannung wieder abgegeben wird. Aus den Kennlinienfeldern von Festkörperwandlern ergibt sich die wesentliche Bedingung, daß eine solche Hilfskraft grundsätzlich mit zunehmendem Stellweg des Festkörperwandlers zu­ nehmen muß. Diese Bedingung entspricht der Forderung nach einem degressiven (abfallen­ den) Kraft-Weg Gesetz. Federn mit degressiv verlaufender Kennlinie sind bekanntlich da­ durch gekennzeichnet, daß ihre Federkraft innerhalb eines bestimmten Dehnungsintervalls bei zunehmender Dehnung bzw. bei Abgabe elastischer Energie zunimmt bzw. bei zuneh­ mender Stauchung und Aufnahme elastischer Energie abnimmt. Es ist grundsätzlich auch möglich, das Kraft-Weg Gesetz einer Feder beliebiger Kennlinie mittels eines geeigneten Getriebes in eine Hilfskraft mit degressiv verlaufendem Kraft-Weg Gesetz umzuwandeln. An einen erfindungsgemäßen mechanischen Verstärker werden weiterhin folgende Anforde­ rungen gestellt, die sich aus seinen besonderen Einsatzbedingungen ergeben:

• 1. Arbeitshübe liegen im Mikrometerbereich
• 2. Stark degressiver Verlauf des Kraft-Weg-Gesetzes .

Aus Bedingung 1. ergibt sich, daß herkömmliche Federn mit makroskopisch großen Arbeits­ hüben nicht unmittelbar am Festkörperwandler einwirken können, wenn sie dessen gesamte passive Dehnungsarbeit liefern sollen.

Bedingung 2. ergibt sich daraus, daß sich die Federkraft innerhalb der durch Bedingung 1. definierten Arbeitshübe um ein Vielfaches ihres Ursprungswertes ändern muß.

Bedingungen 1. und 2. schränken insofern die konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Verstärkers erheblich ein und erfordern Bauweisen, aus denen sich die besondere Aufgabenstellung der Erfindung ergibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein aus elastisch vorgespannten Gliedern 7, 10 und Drehgelenken 6, 9, 11 bestehendes Getriebe eine Hilfskraft auf solche Weise er­ zeugt und auf die beweglichen Enden 1a und 1b eines Festkörperwandlers 1 überträgt, daß die Hilfskraft bei zunehmender Dehnung des Festkörperwandlers 1 zunimmt. Dabei wird die Vorspannung der Glieder 7, 10 entweder durch besondere elastische Federn 8 erzeugt, de­ ren Federkraft durch Getriebewirkung reversibel in eine verstärkte Hilfskraft umgewandelt wird, oder indem einzelne Glieder 7, 10 oder Drehgelenke 6, 9, 11 des Getriebes in solcher Weise elastisch verformbar gestaltet und vorgespannt werden, daß eine besondere Feder 8 entfallen kann, wobei die so erzeugte Hilfskraft mit zunehmender Dehnung des Festkörper­ wandlers 1 zunimmt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnungen (Fig. 1) schematisch darge­ stellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Es zeigt Fig. 1 einen Festkörperwandler 1 in Form eines Längswandlers in herkömmlich ausgeführter mehrschichtiger Keramik (Multilayer Stack) mit den beweglichen Enden 1a und 1b, einem Wirkstößel 6, dessen Stellbewegung in Richtung s verläuft, einer Kopfplatte 2, einer Fußplatte 5, und einem insgesamt mit 13 bezeichneten Kniehebel, der aus den Glie­ dem 7 und 10 sowie den Drehgelenken 6, 9 und 11 besteht. Drehgelenke 6 und 11 erzeugen eine gelenkige Verbindung zwischen den Gliedern 7 und 10 des Kniehebels 13 mit Kopf­ platte 2 bzw. Fußplatte 5. Zwischen dem als ruhend angenommenen Gehäuse 4 und Dreh­ gelenk 9 des Kniehebels 13 ist eine auf Zugkraft vorgespannte elastische Vorspannfeder 8 angeordnet. An die Kraft-Weg-Kennlinie von Feder 8 werden keine besonderen Anforderun­ gen gestellt. Insgesamt ist eine Vielzahl parallel wirkender Kniehebel 13 und Vorspannfedern 8 möglich, wodurch sich eine vorteilhaftere, gleichmäßigere Verteilung der von den Kniehe­ beln 13 erzeugten Einzelkräfte an Kopfplatte 2 und Fußplatte 5 ergibt.

Beim Ausführen einer Stellbewegung vergrößert sich der Abstand zwischen Kopfplatte 2 und Fußplatte 5 und damit auch der vertikale Abstand der Drehgelenke 6 und 11 des Kniehebels 13. Aus allgemein bekannter Kinematik des Kniehebels ergibt sich, daß Drehgelenk 9 eine gegenüber der Dehnung des Festkörperwandlers 1 wesentlich größere Bewegung in hori­ zontaler Richtung senkrecht zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Drehgelen­ ken 6 und 11 ausführt. Durch die mit der Bewegung des Drehgelenkes 9 verbundenen Ver­ kürzung von Vorspannfeder 8 gibt diese einen Teil der in ihr gespeicherten potentiellen Energie über Kniehebel 13 und Gelenke 6 und 11 an den Festkörperwandler 1 ab. Durch das besondere Kraft-Weg Gesetz von Kniehebel 13 nimmt die Kniehebelkraft auf den Festkör­ perwandler 1 überproportional zu der elektromechanisch erzeugten Primärdehnung des Fest­ körperwandlers 1 zu und vergrößert die am Wirkstößel 12 nutzbare Dehnung des Festkör­ perwandlers 1 in dem Maße, das dem durch das inkrement der Hilfskraft verursachten In­ krement an elastischer Dehnung des Festkörperwandlers 1 zugeordnet ist.

Es zeigt Fig. 2 eine Kraft-Weg-Koordinatendarstellung der Wirkungsweise des Verstärkers, wobei alle Kräfte auf der Ordinate F und alle Stellwege auf der Abszisse s dargestellt wer­ den. Der Ordinatenpunkt F_K entspricht der Klemmkraft des Festkörperwandlers 1. Gerade F_E stellt den herkömmlichen Verlauf der primären bzw. ursprünglichen, elektrisch angesteuerten Stellkraft des Festkörperwandlers 1 (ohne Einwirkung eines Verstärkers) in Abhängigkeit vom Stellweg s dar. Der maximale Stellweg Festkörperwandlers 1 ohne Verstärker (bei ver­ schwindender Stellkraft) ist durch den Punkt s₀ gegeben. Die Gerade F_H beschreibt die an den beweglichen Enden 1a und 1b des Festkörperwandlers einwirkende Hilfskraft F_H, ebenfalls in Abhängigkeit vom Stellweg s. Durch die mechanische Verbindung des Verstär­ kers mit dem Festkörperwandler beschreibt dann die Gerade F_res die am Wirkstößel verfüg­ bare resultierende Gesamtkraft F_res = F_E + F_H.

Die zwischen den Kurven F_res und F_H eingeschlossene schraffierte Fläche ist ein Maß für den Arbeitsgewinn durch die Wirkung der Hilfskraft F_H. Zusätzlich wird aus der neuen Kennlinie Fres deutlich, daß bei geeigneter Wahl der Steigung einer linear degressiven Federkennlinie F_H eine Erweiterung des maximalen Stellweges auf den gesamten elastischen Dehnungsbe­ reiches des Festkörperwandlers 1 möglich ist. Dies entspricht einem Vielfachen der maxi­ malen Stellwege s₀ herkömmlicher Festkörperwandler bei vorgegebener Feldstärke und innerhalb der zulässigen mechanischen Belastbarkeit des Festkörpers, oder entsprechend größeren Stellkräften und Stellarbeiten.

Eine Abwandlung der Erfindung gemäß Fig. 1 besteht darin, daß die nutzbare Wirkkraft nicht an Wirkstößel 12 abgegriffen wird, sondern unmittelbar an Drehgelenk 9 des Kniehebels, wodurch der Steilweg durch Kniehebelwirkung gegenüber dem Stellweg am Wirkstößel 12 vergrößert wird.

Obwohl das Kraft-Weg Gesetz der vom Kniehebel 13 erzeugten Hilfskraft nicht linear ver­ läuft, ist es grundsätzlich auch möglich, durch Getriebesynthese einer zwangläufigen Dreh­ gelenkkette eine beliebige Anzahl weiterer Glieder und Gelenke in solcher Weise hinzuzufü­ gen, daß ihr Kraft-Weg Gesetz innerhalb eines endlichen Stellwegbereichess weitgehend linear verläuft.

Zum Vermeiden unerwünschter Reibungskräfte und dadurch verursachter Hysteresis des Kraft-Dehnungsdiagramms des Festkörperwandlers können erfindungsgemäß die Drehge­ lenke 8, 9, 11 auch aus biegeelastischen Elementen mit hoher Längssteifigkeit bestehen, beispielsweise in Gestalt kurzer, dünner, biegeelastischer Lamellen. Derartige biegeelasti­ schen Lamellen lassen sich neben ihrer Gelenkfunktion multifunktional auch als elastische Biegefedern verwenden, wobei derart vorgespannte Biegefedern gesonderte vorgespannte Federn 8 ersetzen können.

Während die Glieder 7 und 10 des in Fig. 1 dargestellten Verstärkers als starr angenommen werden können, bestehen konstruktive Vereinfachungsmöglichkeiten des erfindungsgemä­ ßen Verstärkers darin, die Glieder selbst auf gezielte Weise elastisch verformbar zu gestal­ ten. Dies kann darin bestehen, das gesamte Getriebe bzw. seine Drehgelenkketten aus ei­ nem biegeelastisch verformbaren Integralbauteil auszuführen, welches auf die beweglichen Enden 1a und 1b des Festkörperwandlers 1 eine Hilfskraft mit stark degressiv-elastischem Kraft-Weg Gesetz überträgt. In solcher Integralbauweise können demnach die in Fig. 1 noch angegebenen einzelnen Glieder, Drehgelenke und elastischen Federn zu einem kompakten Bauteil mit degressiv-elastischem Kraft-Weg Gesetz vereint werden. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, daß die in den Getrieben eingesetzten Glieder mit definierten elastischen Verformungseigenschaften, beispielsweise durch gezielte Verteilung des Trägheitsmoments über die Länge eines Gliedes, ausgeführt und vorgespannt werden. In dieser Bauweise wird dann die für die Stellwegvergrößerung erforderliche potentielle Energie unmittelbar in den elastisch vorgespannten Gliedern gespeichert. In dieser Integralbauweise ist demnach eine genaue Trennung der Funktionen von Gliedern, Federn und Drehgelenken nicht mehr mög­ lich. Es ist jedoch möglich, kinematisch gleichwertige Ersatzsysteme aus diskreten Gliedern und Drehgelenken anzugeben, welche gleiches oder ähnliches Kraft-Weg Gesetz für die erzeugte Hilfskraft aufweisen.

Weitere Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus sinngemäßer Übertra­ gung des in Fig. 1 an Längswandlern beschriebenen Wirkungsprinzips auf Biegewandler. Bei einem solchen Biegewandler wirkt demnach die Hilfskraft vorzugsweise parallel zur Stellbe­ wegung auf den Biegewandler ein.

Der erfindungsgemäße mechanische Verstärker läßt sich auch mit herkömmlichen hydrauli­ schen Stellwegvergrößerern kombinieren.

Claims (6)

1. Verstärker für elektromechanische Festkörperwandler, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus elastisch vorgespannten Gliedern (7), (10) und Drehgelenken (6), (9), (11) be­ stehendes Getriebe eine Hilfskraft in solcher Weise erzeugt und auf die beweglichen Enden 1a und 1b eines Festkörperwandlers 1 überträgt, daß die Hilfskraft bei zuneh­ mender Dehnung des Festkörperwandlers 1 reversibel zunimmt.

2. Verstärker für elektromechanische Festkörperwandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Getriebe als zwangläufige Drehgelenkkette ausgeführt ist, auf die eine durch Federn erzeugte Vorspannkraft einwirkt.

3. Verstärker für elektromechanische Festkörperwandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwangläufige Drehgelenkkette als Kniehebel (13) mit Gliedern (7) und (10) und Drehgelenken (6), (9), (11) ausgeführt ist, auf die eine durch Federn (8) erzeugte Vorspannkraft einwirkt

4. Verstärker für elektromechanische Festkörperwandler nach Anspruch 1, 2 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drehgelenke (6), (9), (11) als biegeelastische Lamellen oder vergleichbare biegeelastische Federelemente ausgeführt sind.

5. Verstärker für elektromechanische Festkörperwandler nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als biegeelastischen Lamellen ausgeführten Drehge­ lenke (6), (9), (11) in solcher Weise auf Biegung vorgespannt sind, daß gesonderte Fe­ dern (8) entfallen können.

6. Verstärker für elektromechanische Festkörperwandler nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder (7), (10) der Drehgelenkketten in solcher Weise biegeelastisch verformbar ausgeführt und vorgespannt werden, daß diskrete Drehgelenke (6), (9), (11) entfallen, wobei die für die Stellwegvergrößerung erforderli­ che Energie in den elastisch verformten Gliedern (7), (10) gespeichert wird und die bie­ geelastischen Lamellen mit den elastisch vorgespannten Gliedern (7), (10) funktionell und konstruktiv in einem gelenklosen Integralbauteil vereint sind.