DE19964038A1

DE19964038A1 - Stab mit einer rohrförmigen Wandung und mit einem Piezoaktuator

Info

Publication number: DE19964038A1
Application number: DE1999164038
Authority: DE
Inventors: Eckart Schuetze
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2001-07-05

Abstract

Ein Stab mit einer rohrförmigen Wandung 10 und Krafteinleitungselementen 31, 32 an seinen beiden Enden weist einen Piezoaktuator 20 zwischen den Krafteinleitungselementen 31, 32 auf. Der Piezoaktuator 20 drückt die beiden Krafteinleitungselemente 31, 32 in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung auseinander. DOLLAR A Der Stab 1 ist innerhalb seiner Wandung 10 in einen aktiven, in seiner Länge veränderbaren Abschnitt 15 und in einen passiven, im wesentlichen in seiner Länge unveränderlichen Abschnitt 16 unterteilt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stab mit einer rohrförmigen Wandung, mit Kraftein leitungselementen an seinen beiden Enden, und mit einem Piezoaktuator zwischen den Krafteinleitungselementen, der die beiden Krafteinleitungselemente in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung auseinander drückt.

Aus der DE 43 10 825 C1 und der DE 198 00 911 A1 sind zwei unterschiedliche Leichtbaustäbe aus Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK) bekannt, die mit Hilfe von Piezoaktuatoren ihre Länge ändern können. In beiden bekannten Konzepten beruht dieser Effekt darauf, dass sich ein integrierter Piezoaktuator beim Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt und dabei zwei Bauteile aus einander drückt. In dem Fall der DE 43 10 825 C1 drückt er zwei Teilstäbe aus einander, im Falle der DE 198 00 911 A1 zwei formschlüssig integrierte Kraft einleitungen eines Faserverbundstabes.

Das Federelement, gegen das der Piezoaktuator dabei arbeitet, ist im erst genannten Fall eine relativ kurze Hülse aus Kohlefaserverbundwerkstoff, die die beiden Teilstäbe miteinander verbindet. Im zweiten Fall handelt es sich um die Wandung des Stabes auf seiner ganzen Länge. Beide Konzeptionen haben sich sehr bewährt und sind vielfach einsetzbar.

Gleichwohl besteht ständig Bedarf an weiteren Varianten aktiver Stäbe für andere Anwendungsfälle.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stab mit einer rohrförmigen Wandung und einem integrierten Piezoaktuator vorzuschlagen, mit dem noch weitere An wendungsmöglichkeiten realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Stab innerhalb seiner Wandung in einen aktiven, in seiner Länge veränderbaren Abschnitt und in einen passiven, im wesentlichen in seiner Länge unveränderlichen Abschnitt unterteilt ist.

Mit einem derartigen Stab lassen sich weitere Praxisanforderungen realisieren. So ist es häufig so, dass sich Parameter, wie die Stablänge beziehungsweise die Hülsenlänge, nicht immer frei wählen lassen, da bestimmten äußeren Anfor derungen genügt werden muss. Das bedeutet bei den bekannten Stäben, dass die Steifigkeitsverhältnisse nur in einem begrenzten Maße eingestellt werden können. Dies ist für verschiedene Anwendungen naturgemäß ein Nachteil.

Durch die Erfindung kann dem entgegengewirkt werden. Die Steifigkeitsver hältnisse eines in einen aktiven und in einen passiven Abschnitt unterteilten Stabes sind frei einstellbar.

Zugleich können wesentliche Teile des Stabes in wesentlich größeren Stück zahlen gefertigt werden und der Stab besitzt insgesamt erhebliche fertigungs technische Vorteile, was zu einer sehr preisgünstigen Herstellbarkeit führt. Damit können die erfindungsgemäßen aktiven Stäbe in einem wesentlich größeren Einsatzgebiet interessant werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn der aktive Abschnitt aus dem Piezoaktuator sowie aus einem dehnsteifen Druckstab oder einem dehnsteifen Druckrohr aufgebaut ist. Dabei ist es besonders zweckmäßig und fertigungstechnisch günstig, wenn dieser dehnsteife Druckstab beziehungsweise dieses dehnsteife Druckrohr auf der dem passiven Teil benachbarten Seite des Piezoaktuators angeordnet sind.

Dehnsteifigkeit ist ein technischer Begriff, der etwas dem englischen Ausdruck "longitudinal stiffness", also "Längssteifigkeit" entspricht, er errechnet sich als Produkt aus Elastizitätsmodul und Querschnittsfläche. Der Druckstab oder das Druckrohr werden durch den Piezoaktuator ja nicht gedehnt, sondern eher "ge drückt" oder gestaucht. Diese Dehnsteifigkeit, also der Widerstand gegen eine Stauchung, sollte möglichst hoch sein. Dadurch wird die Ausdehnung des Piezoaktuators ohne nennenswerte Verluste an die äußeren Krafteinleitungs elemente übertragen. Im eigentlichen Sinne "gedehnt" wird bei Längenaus dehnung des Piezoaktuators ja die Wandung, und zwar im aktiven Abschnitt.

Ein Vollstab als Druckstab ist durch die deutlich größere Querschnittsfläche natürlich dehnsteifer als ein innen hohles Druckrohr aus dem gleichen Material, beispielsweise aus Aluminium. Ein Druckrohr hat demgegenüber entsprechende Gewichtsvorteile.

Hier kann durch einfachen Austausch zweier Bauelemente bei im Übrigen groß serientechnischer Herstellung kostengünstig ein unterschiedliches, den Anforde rungen angepasstes Erzeugnis gewonnen werden, ohne dass größere sonstige Anpassungen erforderlich werden.

Eine Vielzahl unterschiedlicher Steifigkeitsverhältnisse lässt sich durch Kon fektionierung aus vorgefertigten Baufeilen gewinnen. Mit ein und derselben Wandung und einem einheitlichen Typ Piezoaktuator samt Druckelementen und Krafteinleitungselementen kann durch Austausch der die Länge des passiven Teiles und des verbleibenden aktiven Teiles definierenden Elemente praktisch jede gewünschte Steifigkeit eingestellt werden.

Soll umgekehrt ein Stab mit anderer Länge erzielt werden, kann ohne eine Ände rung der Steifigkeit einfach durch Kürzen des passiven Teiles und der Wandung eine Variation der Stablänge erfolgen.

Bevorzugt ist es, den Stab mit einer rohrförmigen Wandung aus Metall, zum Beispiel aus Aluminium oder Stahl, oder aus einem isotropen Kunststoff zu ver sehen. Gegenüber den im Verhältnis kostspieligen Kohlenstofffaserverbund werkstoffen reduziert dies weiter die Kosten. Die rohrförmige Wandung, also beispielsweise das Metallrohr, kann an beiden Enden mit Gewindeelementen zur Krafteinleitung versehen werden. Der Piezoaktuator befindet sich im Inneren zwischen zwei Druckelementen. Er ist asymmetrisch benachbart zu einem Ende des Rohres angeordnet.

Bevorzugt besitzt die rohrförmige Wandung einen kreisförmigen Querschnitt, was fertigungstechnische Vorteile hat und auch die Symmetrie der Belastungen, Dehnungen etc. unterstützt. Es ist aber auch möglich, einen rechteckigen oder beispielsweise einen elliptischen Querschnitt zu verwenden, wenn die äußeren Anforderungen, z. B. der zur Verfügung stehende Platz, dies zweckmäßig er scheinen lassen.

Die Aufteilung in einen aktiven und einen passiven Abschnitt ist für die An bringung von Dehnungssensoren von Vorteil. Da für regelungstechnische Zwecke vor allen Dingen die Auswirkungen der Aktuatoren und nicht die Aktuatorik selbst mit Hilfe von Sensoren gemessen, werden sollen, können Dehnungssensoren insbesondere im Bereich des passiven Abschnittes angebracht werden. Statt wie bisher eine passive Struktur außerhalb des Stabes zu nutzen, wird erfindungsgemäß der passive Abschnitt des Stabes selbst genutzt. Diese Möglichkeit besitzt den Vorteil, dass Aktuator und Sensor in einem Bauteil, nämlich dem Stab, untergebracht sind.

Dehnungssensoren können z. B. Dehnungsmessstreifen (DMS), aber auch PVDF-Folien oder Piezo-Schichten sein, die bei Dehnungsänderungen ein Spannungssignal abgeben. Dieses Spannungssignal kann dann durch einen Regler zur entsprechenden Ansteuerung des Piezoaktuators verwendet werden.

Die Anbringung des Sensors am passiven Abschnitt des hier vorgeschlagenen Stabes erfolgt zweckmäßigerweise im Inneren des Stabes, geschützt vor äußeren Beschädigungen, also auf der Innenseite der Wandung. Zu diesem Zweck werden auf einem runden Kern, dessen Durchmesser etwa dem Innen durchmesser der Wandung entsprechen sollte, zwei dünne Glasfasergewebe laminiert, zwischen denen sich der Sensor, z. B. die kontaktierte Piezofolie oder -schicht befindet. Nach dem Aushärten wird dieses dünne Glasfaserlaminiat mit eingeschlossenem Sensor von dem Kern abgezogen, entlang seiner Mantellinie aufgetrennt und mit einem Zweikomponentenklebstoff an die Rohrinnenseite der Wandung geklebt. Damit ist sichergestellt, dass der Sensor einerseits einen guten Kontakt zur Wandung hat und andererseits gegen äußere Einwirkungen jeglicher Art geschützt ist. Darüber hinaus kann so die Kabelführung des Sen sors ähnlich gestaltet werden wie bei dem ebenfalls innen angebrachten Piezo aktuator, und zwar von innen nach außen.

Möglich ist es auch, auf der anderen Seite des aktiven Abschnittes einen wei teren passiven Abschnitt vorzusehen, wenn dies aus Symmetrie- oder sonstigen Gründen bevorzugt wird.

Weitere bevorzugte Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

Die beiden Fig. 1 und 2 zeigen ähnliche Schnittdarstellungen der beiden verschiedenen Ausführungsformen.

Zu erkennen ist jeweils ein Stab 1 mit einer rohrförmigen Wandung 10. Diese rohrförmige Wandung kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder einem anderen Metall oder aber auch aus isotropem Kunststoff bestehen, es kommen aber auch andere Werkstoffe in Betracht. Die Wandung 10 geht über praktisch die gesamte Länge des Stabes 1 durch und besitzt in dieser Ausführungsform einen kreisförmigen Querschnitt. Die Länge der Wandung 10 des Stabes ist wesentlich größer als ihr Durchmesser.

Im Inneren der Wandung 10 des Stabes 1 ist Kernstück ein Piezoaktuator 20. Die Länge des Piezoaktuators 20 ändert sich abhängig von einer anliegenden Spannung. Die Spannungszufuhr ist in beiden Darstellungen hier weggelassen und kann beispielsweise wie in der DE 198 00 911 A1 erfolgen. Der Typ des Piezoaktuators wird abhängig von der gewünschten Ausdehnung ausgewählt. Für größere Längenänderungen werden längere Piezoaktuatoren eingesetzt. Die Größenordnung der Änderungen liegt um 50 µm.

Der Piezoaktuator 20 befindet sich im Inneren der Wandung 10 zwischen zwei elektrisch isolierenden Druckelementen 21, 22, z. B. aus Glasfaserkunststoff (Gfk) Das erste, in der Darstellung links befindliche Druckelement 21 ist über ein Feingewinde mit Feingewindetrieb 23 einstellbar.

Die Wandung 10 des Stabes 1 selbst ist an beiden Enden mit je einem Ele ment 31, 32 zur Krafteinleitung versehen. Diese Elemente 31, 32 können jeweils mit Gewinden versehen sein, an die von außen die entsprechenden kraftaus übenden Bauteile angeschlossen sind. Diese Elemente 31, 32 können zum Bei spiel aus Aluminium bestehen.

Auf das Element 31 auf der in der Darstellung linken Seite der Wandung 10 des Stabes 1 kann das erste Druckelement 21 direkt aufgeschoben werden. Dies hat den Vorteil, dass der Feingewindetrieb 23 für die Nachstellung des Druck elementes von außen leicht erreichbar ist.

Zu diesem Zweck besitzt das Tellerstück des Druckelementes 21 einen Innen sechskant. Diese Details sind in der Darstellung nicht näher dargestellt und können auch anders ausgeführt sein.

Das zweite, in der Darstellung rechts befindliche Druckelement 22 ist nicht ein stellbar. Es wird vom Piezoaktuator 20 in der Darstellung gemäß beiden Figuren bei Längenausdehnung des Piezoaktuators nach rechts gedrückt. Es drückt dort gegen ein dehnsteifes Rohr 40 (gemäß der Darstellung in Fig. 1) beziehungs weise gegen einen dehnsteifen Druckstab 41 (gemäß der Darstellung in Fig. 2). Das dehnsteife Druckrohr 40 beziehungsweise der dehnsteife Druckstab 41 sind an einem definierten Ort fest mit der Wandung 10 des Stabes 1 verbunden. Diese Verbindung kann entweder durch Blindnieten oder Schrauben oder ähn liche Elemente erfolgen, die um den Umfang der Wandung 10 herum ange ordnet sind. Diese Blindnieten, Schrauben etc. sind sehr dicht am äußersten Ende des Druckrohres oder Druckstabes auf der vom Piezoaktuator 20 abge wandten Seite des Druckrohres 40 beziehungsweise Druckstabes 41 ange ordnet. Alternativ zu derartigen Blindnieten oder Schrauben kann auch ein An schlag vorgesehen werden, beispielsweise gegen eine verklebte Hülse. Diese Variante ist in Fig. 2 dargestellt.

Insgesamt bildet der Bereich des Druckrohres 40 beziehungsweise Druck stabes 41 von dem definierten Ort an über einschließlich den Piezoaktuator hinweg einen aktiven Abschnitt 15 des gesamten Stabes 1. Die Federsteifigkeit, gegen die sich der Piezoaktuator 20 ausdehnt, ergibt sich aus der Länge des aktiven Abschnittes 15 einerseits und der Dehnsteifigkeit der Wandung 10 andererseits.

Beide Größen lassen sich bei der Erfindung so einstellen, dass die gewünschte Federsteifigkeit erzielt wird. Während sich die Dehnsteifigkeit der Wandung 10 durch Auswahl des Werkstoffs und durch die Querschnittsfläche bestimmen lässt, lässt sich die Federlänge bei vorgegebener Länge des Stabes 1 durch die Länge des dehnsteifen Druckrohres 40 beziehungsweise dehnsteifen Druck stabes 41 einstellen.

Die durch den Piezoaktuator 20 hervorgerufene Dehnung erstreckt sich dann von der Krafteinleitung mit aufgeschobenen Feingewindetrieb 23 bis zur Befesti gung des dehnsteifen Rohres beziehungsweise seines Anschlages im Falle einer verklebten Hülse an der Stabwandung, während der restliche, in den beiden Figuren rechts von dieser Befestigung dargestellte Abschnitt des Stabes nicht mehr vom Piezoaktuator 20 gedehnt wird. Dieser Bereich ist ein passiver Abschnitt 16 des Stabes 1.

Da sich der Piezoaktuator 20 unter Druckbelastung stärker ausdehnt als ohne eine solche Druckbelastung, erhält er mit Hilfe des Feingewindetriebes 23 eine Druckvorbelastung. Dazu wird der gesamte Stab 1 zunächst unter Last gedehnt und dabei das Feingewinde mit dem Feingewindetrieb 23 nachgestellt. Nach der Entlastung des Stabes besitzt der Piezoaktuator 20 eine eingeprägte Vorlast.

Die Verbindung des dehnsteifen Druckrohres 40 beziehungsweise Druck stabes 41 mit der Wandung 10, also gewissermaßen dem Außenrohr, kann wie auch die Verbindung zwischen Krafteinleitungselement 32 und Wandung 10 sowohl mittels formschlüssiger Mittel 42, beispielsweise durch Nieten oder Schrauben, als auch reibschlüssig durch Klebung 43 oder aber auch durch bei des gemeinsam erfolgen.

Im Fall einer Klebverbindung eignet sich besonders ein rohrförmiges Widerlager wie in der Fig. 2, gegen das der dehnsteife Druckstab 41 drückt. Das Wider lager könnte eine dreigeteilte, also dreifach in Längsrichtung geschlitzte Aluminiumhülse sein, deren drei Teile entweder mit einem Klebstofffilm oder aber mit einem pastösen Klebstoff versehen in die Wandung 10 hineingeschoben und mit geeigneten Eindrückmitteln gegen die Innenseite der Wandung 10 des Rohres gedrückt werden.

Ein entsprechendes Werkzeug, zum Beispiel im Fall eines kreisförmigen Quer schnitts der Wandung 10 ein Aluminiumdrehteil mit Absatz, wird von der anderen Seite in die Wandung 10 hineingeschoben und gibt nicht nur die Position der Hülse an, sondern sorgt außerdem dafür, dass alle drei Einzelteile der Hülse so positioniert werden, dass zumindest die dem dehnsteifen Druckstab 41 zugewandte Seite der Hülse exakt eine Ebene senkrecht zu der Achse des Stabes 1 bildet. Damit wird zugleich sichergestellt, dass der dehnsteife Druck stab 41 beziehungsweise das dehnsteife Druckrohr 40 am gesamten Hülsen umfang anliegt.

Außerhalb des Befestigungsbereiches am Übergang vom aktiven Abschnitt 15 zum passiven Abschnitt 16 ist der aktive Abschnitt 15 nicht mit der Wandung 10 verbunden beziehungsweise nicht fest verbunden. Hier kann also eine Relativ bewegung des aktiven Abschnitts 15 zur Wandung 10 erfolgen.

Bezugszeichenliste

1

Stab

10

Wandung

15

aktiver Abschnitt

16

passiver Abschnitt

20

Piezoaktuator

21

Druckelement

22

Druckelement

23

Feingewindetrieb

31

Krafteinleitungselement

32

Krafteinleitungselement

40

dehnsteifes Druckrohr

41

dehnsteifer Druckstab

42

formschlüssige Mittel

43

Verklebung

Claims

1. Stab mit einer rohrförmigen Wandung (10), mit Krafteinleitungsele menten (31, 32) an seinen beiden Enden und mit einem Piezoaktu ator (20) zwischen den beiden Krafteinleitungselementen (31, 32), der die beiden Krafteinleitungselemente (31, 32) in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung auseinander drückt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (1) innerhalb seiner Wandung (10) in einen aktiven, in seiner Länge veränderbaren Abschnitt (15) und in einen passiven, im wesentlichen in seiner Länge unveränderlichen Abschnitt (16) unterteilt ist.

2. Stab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive, in seiner Länge veränderbare Abschnitt (15) den Piezo aktuator (20) und einen dehnsteifen Druckstab (41) und/oder ein dehn steifes Druckrohr (40) aufweist.

3. Stab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dehnsteife Druckrohr (40) und/oder der dehnsteife Druck stab (41) auf der dem passiven, im wesentlichen in seiner Länge unver änderlichen Abschnitt (16) benachbarten Seite des aktiven, in seiner Länge veränderbaren Abschnitts (15) angeordnet sind.

4. Stab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Abschnitt (15) in seinem dem passiven Abschnitt unmittelbar benachbarten Bereich mittels formschlüssiger Mittel (42) mit der Wandung (10) verbunden ist.

5. Stab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (10) einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.

6. Stab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (10) aus einem isotropen Material, insbesondere aus Metall, vorzugsweise Aluminium, besteht.

7. Stab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Abschnitt (16) ein Widerlager für den aktiven Abschnitt bildet.

8. Stab nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager mittels einer Klebverbindung mit der Wandung (10) verbunden ist.

9. Stab nach Anspruch 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager bei einem kreisförmigen Querschnitt der Wandung (10) eine in Längsrichtung dreigeteilte Aluminiumhülse ist, deren drei Teile mit einer Klebverbindung, insbesondere einem Klebstofffilm oder einem pastösen Klebstoff versehen in die Wandung (10) hineinge schoben und mit geeigneten Andruckmitteln gegen die Innenseite der Wandung (10) gedrückt wurden.

10. Stab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Piezoaktuator (20) zwischen zwei elektrisch isolierenden Druckelementen (21, 22) befindet.

11. Stab nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (21) auf der dem passiven Abschnitt (16) abge wandten Seite des Piezoaktuators (20) direkt auf das Krafteinleitungs element (31) am Ende des Stabes (1) geschoben ist.

12. Stab nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das dem passiven Abschnitt (16) abgewandte Druckelement (31) einen Feingewindetrieb (23) für Nachstellungen aufweist.

13. Stab nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Feingewindetriebes (23) der Piezoaktuator (20) eine Druckvorbelastung aufweist.

14. Stab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Abschnitt (16) mit mindestens einem Sensor ausge rüstet ist.

15. Stab nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass einer dieser Sensoren ein Dehnungssensor ist.

16. Stab nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zwischen zwei dünnen Glasfaserschichten einlaminiert ist.

17. Stab nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Glasfaserschichten mit dem eingeschlossenen Sensor an der Innenseite der Wandung (10) aufgeklebt sind.