DE19936732C2

DE19936732C2 - Längenveränderliches stabförmiges Element mit Piezoaktuator

Info

Publication number: DE19936732C2
Application number: DE1999136732
Authority: DE
Inventors: Rainer Schuetze; Bernd Junker
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1999-08-06
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2019-08-07
Also published as: DE19936732A1

Abstract

Ein längenveränderliches stabförmiges Element besitzt eine rohrförmige Wandung und einen integrierten Piezoaktuator. Es ist mindestens ein zweiter Piezoaktuator vorgesehen. Die beiden Piezoaktuatoren sind in Reihe hintereinander angeordnet. Parallel zu den beiden Piezoaktuatoren sind zwei Stäbe vorgesehen. Die beiden Stäbe sind in Reihe hintereinander angeordnet und parallel zu den Piezoaktuatoren verschieblich. Ein Stellwegvergrößerer ist vorgesehen, der die Auslenkungen der Piezoaktuatoren in größere Bewegungen der Stäbe transformiert. Auch eine Anordnung mit nur einem Piezoaktuator und dafür einem Widerlager ist möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein längenveränderliches stabförmiges Element mit einer rohrförmigen Wandung und mindestens einem integrierten Piezoaktuator, wobei

- parallel zu dem Piezoaktuator ein Stab vorgesehen ist,
- der Stab parallel zu dem Piezoaktuator verschieblich ist,
- der Stab und der Piezoaktuator sich an einem gemeinsamen Widerlager abstützen, relativ zu dem sie einen Abstand in Längsrichtung aufweisen, und
- ein Stellwegvergrößerer vorgesehen ist, der die Auslenkungen des Piezoaktuators relativ zum Widerlager in größere Bewegungen des Stabes relativ zum Widerlager transformiert. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Piezoaktuator(en) den Stab rohr- oder ringförmig umgeben.

Längenveränderliche stabförmige Elemente sind beispielsweise aus der DE 43 10 825 C1 und der DE 195 24 080 C1 bekannt. Dort werden Faserverbundstabe beschrieben, deren Längen durch einen eingebauten Piezoaktuator veränderbar sind. Die Längenänderungen betragen ungefähr 1/1000 der Länge des Piezoaktuators. Dies ist für viele Fälle ausreichend und funktioniert zuverlässig. Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen größere Längenänderungen erwünscht sind, bei denen jedoch trotzdem die Vorteile stabförmiger Konzeptionen mit Piezoaktuatoren genutzt werden sollen.

Die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegende DE 196 01 749 A1 schlägt eine Betätigungseinrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, vor, die ein Piezoelement aufweist. Das Piezoelement ist parallel zu einem Kolbenschieber angeordnet, der sich in einem rohrförmigen Gehäuse befindet und durch das Piezoelement axial verschiebbar ist. Die Bewegung des Piezoelementes wird durch einen Übersetzungshebel auf den Kolbenschieber übertragen. Hiermit lassen sich zwar auch größere Längenänderungen übertragen, dafür ist aber die Genauigkeit und Präzision nicht immer gewährleistet, was zwar für reine Betätigungseinrichtungen hinreichend sein mag, andere Anwendungen aber nicht befriedigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Längenveränderliches stabförmiges Element vorzuschlagen, das in der Lage ist, auch größere Längenänderungen mit Hilfe von Piezoaktuatoren trotzdem genauer zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der oder die Piezoakuator(en) den Stab rohr- oder ringförmig umgeben.

Der Stellwegvergrößerer erlaubt es, die Bewegungen der Piezoaktuatoren in größere Bewegungen der parallel hierzu verschieblichen Stäbe umzusetzen. Die rohr- oder ringförmige Anordnung des Piezoaktuators beziehungsweise der Piezoaktuatoren um den Stab führt dazu, dass tatsächlich eine exakt parallele Bewegung erfolgt, wobei die Stellwegvergrößerung sehr effektiv erzielbar und gleichzeitig relativ günstig sicherzustellen ist.

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass eine zweite Anordnung mit Piezoaktuator und Stab vorgesehen ist, und dass die beiden Anordnungen axial in Reihe hintereinander und spiegelbildlich zueinander angeordnet sind. Zwar ist aus der DE 196 43 180 A1 eine Anordnung mit zwei hintereinander angeordneten Piezoaktuatoren in symmetrischer Anordnung an sich bekannt, diese dient jedoch für eine verstärkte Betätigungseinrichtung mit hoher Steifigkeit in einem insgesamt elliptischen Aufbau und damit zu anderen Zwecken.

Die DE 195 43 131 A1 zeigt beispielhaft eine hydraulische Wegübersetzung bei Piezoaktuatoren. Aus der Zeitschrift "Messen, Prüfen, Automatisieren", 1999, Heft 5, Seite 50 ist ferner ein Element mit einem Stab und parallel dazu angeordnet einem Aktuatorenstapel gezeigt, bei dem ebenfalls eine Hebel mechanik als Stellwegvergrößerer dient. Auch dieses Konzept genügt nicht den Anforderungen an eine genau geregelte Bewegung des Stabes.

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, daß die beiden Piezoaktuatoren antiparallel angetrieben und so die beiden Stäbe ebenfalls antiparallel bewegt werden.

Dadurch ist eine besonders effektive und auch konstruktiv günstige, weil kleinbauende Anordnung möglich.

Bevorzugt werden dabei die beiden Piezoaktuatoren und auch die zwischen ihnen liegenden Stäbe mitsamt dem Stellwegvergrößerer von außen jeweils durch Faserschlaufen zusammengehalten, insbesondere durch Faserschlaufen hoher Dehnsteifigkeit.

Bevorzugt sind dazu an den äußeren Enden der beiden Piezoaktuatoren ringförmige Metallelemente vorgesehen, die mit entsprechenden Bohrungen oder Aussparungen für die Befestigung der Faserschlaufen ausgestattet sind.

Bevorzugt ist dabei mindestens einer der beiden Metallringe durch Stellschrauben axial verschieblich ausgeführt. Dadurch ist eine Längeneinstellung und damit eine geeignete Vorspannung der Piezoaktuatoren möglich.

Bevorzugt werden alternativ oder zusätzlich auch die verschieblichen Stäbe im Inneren der Piezoaktuatoren durch Faserschlaufen zusammengehalten. Diese Faserschlaufen verlaufen dabei vorzugsweise im Inneren der verschieblichen Stäbe und sind an ihren äußeren Krafteinleitungselementen befestigt.

Während es bezüglich der Faserschlaufen am äußeren Mantel der Piezoaktuatoren bevorzugt ist, diese sehr dehnsteif auszuführen, ist es bei den Faserschlaufen in den verschieblichen Stäben bevorzugt, eine relativ geringe Dehnsteifigkeit vorzusehen.

Bevorzugt werden für die äußeren dehnsteifen Faserschlaufen sogenannte Hochmodul-Kohlenstoffasern verwendet, für die Schlaufen der verschieblichen Stäbe dagegen Glasfasern.

Auch hier kann bevorzugt zur besseren Längenjustierung der inneren Stäbe mindestens eine der beiden Krafteinleitungen einstellbar ausgeführt werden.

Für die Stellwegvergrößerer sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen bevorzugt. Besonders bevorzugt ist eine hydraulische Konzeption. Diese zeichnet sich dadurch aus, daß in der Symmetrieebene des Stabes drei Zylinderringschalen angeordnet sind, daß die äußere der Zylinderringschalen zur mittleren der Zylinderringschalen einen großen Abstand und die innere Zylinderringschale zur mittleren Zylinderringschale einen kleineren Abstand hat, und daß zwischen den Zylinderringschalen zwei gegenüberliegende ringförmige Kolben vorgesehen sind, deren Wanddicken den Abständen zwischen den Zylinderringschalen entsprechen.

Dies führt dazu, daß die außenliegenden, gegen die Piezoaktuatoren drückenden Kolben einen großen Querschnitt besitzen, während die innenliegenden, gegen die verschieblichen Stäbe drückenden Kolben einen kleinen Querschnitt besitzen. Durch Durchlässe in den mittleren Zylinderringschalen kann die Hydraulikflüssigkeit von dem äußeren in den inneren Zylinder und umgekehrt strömem. Das Verhältnis der Flächen der beiden Kolben gibt automatisch die Größe der Stellwegvergrößerung an.

Als Alternative ist auch eine mechanische Ausführung möglich. In diesem Falle sind die Stellwegvergrößerer durch symmetrische Hebelelemente gebildet, die in einer Ringanordnung zusammengehalten werden.

Der Gesamtbetrieb kann auch so vorgenommen werden, daß in der Symmetrie die Ebene des Stabes nur eine Hälfte des stabförmigen Stellwegvergrößerers genutzt wird. Hierzu kann die zweite Hälfte durch ein Widerlager, zum Beispiel eine steife Platte ersetzt werden. Dann wird natürlich auch nur die Verschiebung des einen Piezoaktuators vergrößert.

Bevorzugt ist ferner vorgesehen, die inneren verschieblichen Stäbe als Leichtbaustäbe aus Kohlenfaserkunststoff auszuführen. Dadurch werden die hohen Massenkräfte reduziert, die entstehen können, wenn die Anlage mit hohen Frequenzen betrieben wird.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein längenveränderliches stabförmiges Element gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Ausführungsform aus Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Detaildarstellung einer ersten Variante der Ausführungsform aus Fig. 1; und

Fig. 4 einen Detailausschnitt einer zweiten Variante der Ausführungsform aus Fig. 1.

Ein längenveränderliches stabförmiges Element besitzt in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zwei Stäbe 10 und 20. Die beiden Stäbe 10 und 20 sind Reihe hintereinander angeordnet. Sie stoßen an ihren einander zugewandten Enden nicht unmittelbar aneinander und sind relativ zueinander beweglich. Jeder Stab besitzt eine Hülse beispielsweise aus Kohlenstoffasermaterial, aus Aluminium, aus einem entsprechenden Sandwichprodukt oder anderen Materialien. Im Inneren ist der Stab im wesentlichen hohl oder mit einem Schaumstoff gefüllt. Die beiden Enden eines jeden Stabes 10, 20 sind jeweils mit ring- oder scheibenförmigen Abschlüssen 11, 12 beziehungsweise 21, 22 versehen. In den voneinander abgewandten Abschlüssen 11, 22 sind Befestigungselemente 14, 24 vorgesehen. Diese Befestigungselemente können zumindest auf einer Seite eine Einstellschraube besitzen, hier bei dem Befestigungselement 14. Die Befestigungselemente 14, 24 bzw. Einstellschrauben der beiden Stäbe 10, 20 sind jeweils mittels einer Faserschlaufe 13 verbunden. Diese Faserschlaufe 13 kann so ausgebildet sein, daß sie jeden der beiden Stäbe 10, 20 mehrfach durchläuft, auch als endlose Schlaufe, die jeden Stab 10, 20 jeweils zweifach durchläuft.

Der Querschnitt in Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit vier Befestigungselementen 14, 24 bzw. Einstellschrauben in jedem Abschluß 11, 22, so daß zwei endlose Faserschlaufen 13, 23 eingesetzt werden können, die auch in Fig. 1 schon angedeutet sind.

Die beiden Stäbe 10, 20 sind umgeben von Piezoaktuatoren 30. Diese sind in der dargestellten Ausführungsform konzentrisch und rohrförmig um die Hülsen der beiden Stäbe 10, 20 angeordnet. Es wäre aber auch möglich, jeweils mehrere Piezoaktuatoren vorzusehen, insbesondere symmetrisch und ringförmig sowie gleichmäßig beabstandet um jeden der beiden Stäbe 10, 20 angeordnet sind. Dann wären z. B. um jeden der beiden Stäbe 10 bzw. 20 je acht Piezoaktuatoren vorgesehen. Je zwei dieser Piezoaktuatoren wären hintereinander in Reihe geschaltet.

Die dargestellte rohrförmige Anordnung sorgt jedoch ebenso zuverlässig und außerdem technisch besonders einfach für eine gleichmäßige und stetige symmetrische Bewegung.

Die Piezoaktuatoren 30 sind ihrerseits nach außen von einem Rohr 40 aus Kohlenfaserverbundwerkstoff umgeben. Dieser Kohlenfaserverbundwerkstoff ist in ±45°-Form gewickelt. Auch hier sind Faserschlaufen 41 vorgesehen, die hier eine hohe Dehnsteifigkeit besitzen. Dazu befinden sich an den äußeren Enden der beiden Piezoaktuator-Anordnungen ringförmige Metallelemente, die mit entsprechenden Bohrungen oder Aussparungen für die Befestigung dieser Faserschlaufen 41 ausgestattet sind. Es kann vorgesehen werden, daß wie in Fig. 2 gut zu erkennen mindestens eines der beiden ringförmigen Metallelemente durch Einstellschrauben 34 axial verschieblich ausgeführt wird, sodaß eine Längeneinstellung und damit eine geignete Vorspannung der Piezoaktuatoren 30 möglich ist. In Fig. 2 sind acht derartige Einstellschrauben 34 abgebildet.

Um nun die Bewegungen der Piezoaktuatoren 30 in Bewegungen der zueinander längsverschieblichen Stäbe 10, 20 zu setzen, sind Stellwegvergrößerer 50 vorgesehen. Diese sind insbesondere in den Fig. 3 und 4 zu erkennen.

In Fig. 3 ist zwischen den rohrförmig angeordneten Piezoaktuatoren 30 auf dem Umfang ihrer Stirnflächen vorgesehen, daß gleichmäßig symmetrische Hebelelemente 51 angeordnet sind. Diese können in einer lediglich angedeuteten Scheibe mit Aussparungen für die einzelnen Hebelelemente zusammengehalten werden. Diese Scheibe bildet daher eine Art Ringkäfig. Jede Symmetriehälfte der Hebelelemente 51 besitzt zwei gegeneinander versetzte Auflager im Bereich der Stirnflächen der Piezoaktuatoren 30. Ein weiteres drittes Auflager wird gebildet, daß gegen einen der beiden verschieblichen Stäbe 10, 20 stößt. Um die hohen Flächenpressungen zu vermeiden, die sich bei Spitzenlagerungen bilden, werden bevorzugt Hebelelemente 51 mit Festkörpergelenken verwendet. Durch die Wahl der Abstände der drei Auflagerpunkte voneinander läßt sich das Übersetzungsverhältnis präzise vorgeben. Dieses Übersetzungsverhältnis gibt dann die Stellwegvergrößerung vor.

In der Ausführungsform der Fig. 4 ist zwischen den rohrförmig angelegten Piezoaktuatoren 30 und den inneren Stäben 10, 20 in der Symmetrieebene des gesamten längenveränderlichen stabförmigen Elementes eine Anordnung aus drei Zylinderringschalen 61, 62, 63 vorgesehen. Die äußere Zylinderringschale 61 hat zur mittleren Zylinderringschale einen großen Abstand, die innere Zylinderringschale 63 zur mittleren Zylinderringschale 62 einen kleinen Abstand. Zwischen je zwei Zylinderringschalen 61, 62 beziehungsweise 62, 63 befinden sich je zwei gegenüberliegende ringförmige Kolben 64, 65. Die Wanddicken der Kolben 64, 65 entsprechen den Abständen zwischen den Zylinderringschalen. Daher haben die beiden außenliegenden, gegen die Piezoaktuatoren drückenden Kolben 64 einen großen und die innenliegenden, gegen die verschieblichen Stäbe 10, 20 drückenden Kolben 65 einen kleinen Querschnitt.

Die mittlere Zylinderringschale 62 ist mit Durchlässen 66 versehen. Durch die Durchlässe 66, die also ringförmig um das längenveränderliche stabförmige Element angeordnet sind, kann Hydraulikflüssigkeit an dem einen der beiden sich bildenden ringförmigen Zylinderräume in den anderen ringförmigen Zylinderraum strömen. Das Verhältnis der Flächen der beiden Kolben 64, 65 gibt die Größe der Wegvergrößerung an.

Es ist leicht zu erkennen, daß eine Trennung des Konzeptes in der Symmetrieebene des Stabes auch den Betrieb nur einer Hälfte des längenveränderlichen stabförmigen Elementes ermöglicht. In diesem Fall wird die zweite Hälfte des Stabes durch eine senkrechte Platte ersetzt, wodurch dann natürlich auch nur die Verschiebung eines der beiden Piezoaktuatoren vergrößert wird.

Bevorzugt ist aber die Version mit zwei Stäben 10, 20. Diese Version arbeitet symmetrisch und vermeidet auch Bauteile wie die Platte, die zur Funktion nicht beitragen würde, aber Gewicht kostet.

Um die hohen Massenkräfte zu reduzieren, die entstehen, wenn der stabförmige Stellwegvergrößerer mit hohen Frequenzen betrieben wird, empfiehlt es sich die inneren Stäbe als Kohlenfaserkunststoff-Leichtbaustäbe auszuführen.

Bezugszeichenliste

10

Stab

11

Abschluß

12

Abschluß

13

Faserschlaufe

14

Befestigungselement für Stab

10

20

Stab

21

Abschluß

22

Abschluß

23

Faserschlaufe

24

Befestigungselement für Stab

20

30

Piezoaktuator

34

Einstellschrauben für Piezoaktuator

30

40

Rohr

50

Stellwegvergrößerer

51

Hebelelement

61

Zylinderringschale

62

Zylinderringschale

63

Zylinderringschale

64

Kolben

65

Kolben

66

Durchlaß

Claims

1. Längenveränderliches stabförmiges Element mit einer rohrförmigen Wandung und mindestens einem integrierten Piezoaktuator, wobei

- parallel zu dem Piezoaktuator (30) ein Stab (10) vorgesehen ist,
- der Stab (10) parallel zu dem Piezoaktuator (30) verschieblich ist,
- der Stab (10) und der Piezoaktuator (30) sich an einem gemeinsamen Widerlager abstützen, relativ zu dem sie einen Abstand in Längsrichtung aufweisen, und
- ein Stellwegvergrößerer (50) vorgesehen ist, der die Auslenkungen des Piezoaktuators (30) relativ zum Widerlager in größere Bewegungen des Stabes (10) relativ zum Widerlager transformiert,

dadurch gekennzeichnet,
dass der oder die Piezoaktuator(en) (30) den Stab (10, 20) rohr- oder ringförmig umgeben.

2. Längenveränderliches stabförmiges Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine zweite Anordnung mit Piezoaktuator (30) und Stab (20) vorgesehen ist,
und dass die beiden Anordnungen axial in Reihe hintereinander und spiegelbildlich zueinander angeordnet sind.

3. Längenveränderliches stabförmiges Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoaktuatoren (30) antiparallel angetrieben sind.

4. Längenveränderliches stabförmiges Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Faserschlaufen (13, 23) vorgesehen sind, die die Stäbe (10, 20) längs durchlaufen und stabilisieren.

5. Längenveränderliches stabförmiges Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschlaufen (13, 23) an den Krafteinleitungselementen der Stäbe (10, 20) befestigt sind.

6. Längenveränderliches stabförmiges Element nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Faserschlaufen (13, 23) geringer Dehnsteifigkeit verwendet werden.

7. Längenveränderliches stabförmiges Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass in der Symmetrieebene der Anordnungen beziehungsweise am Ende des Stabes (10) drei Zylinderringschalen (61, 62, 63) angeordnet sind,
dass die äußere der Zylinderringschalen (61) zur mittleren der Zylinderring schalen (62) einen großen Abstand und die innere Zylinderringschale (63) zur mittleren Zylinderringschale (62) einen kleineren Abstand hat, und
dass zwischen den Zylinderringschalen (61, 62, 63) jeweils zwei gegenüberliegende ringförmige Kolben (64, 65) vorgesehen sind, deren Wanddicken den Abständen zwischen den Zylinderringschalen (61, 62, 63) entsprechen, wobei Durchlässe (66) in der mittleren Zylinderringschale (62) vorgesehen sind.

8. Längenveränderliches stabförmiges Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellwegvergrößerer (50) durch Hebelelemente gebildet ist, die in einer Ringanordnung zusammengehalten sind.