DE4124717A1 - Stellglied mit aktor-staken-antrieb fuer elektrisch angetriebene bewegungs- und stellkraft-erzeugung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung

Stellglied mit Aktor-Staken-Antrieb für elektrisch angetriebene Bewegungs- und Stellkraft-Erzeugung.

Die Besonderheit des Stellgliedes ist die Umsetzung der Vorteile eines Aktors (Aktuators) in ein Stellglied mit unbegrenztem Fahrweg.

Energetisch werden die hochdynamischen Bewegungen (Kräfte) eines Aktors aufsummiert und in einen neuen Stellweg bzw. eine neue Stellkraft transformiert (Energie-Pumpe).

Die elektronische Regelung ist kein Teil der Erfindung, auch nicht die zu verwendenden Aktoren (Aktuatoren).

Aufgabe der Erfindung und Stand der Technik

Bei der Verwendung als regelbare Stellglieder weisen Aktoren Vorteile auf, die sie, physikalisch bedingt, technisch allen anderen regelbaren Stellgliedern - wie solchen mit diversen E-Motoren oder Hydraulik und Pneumatik - überlegen machen. Die Vorteile von Aktoren sind im wesentlichen

• - sehr hohe Dynamik und sehr hohe Stellkräfte
• - keine bewegten Teile (Festkörper)

Die Aktoren haben aber einen schwerwiegenden Nachteil - der mit ihnen fahrbare Stellweg ist äußerst klein (z. B. im 10^-6m-Bereich); sie sind damit derzeit nur bei feinwerktechnischen Stellgliedern in der Meßtechnik, etc., verwendbar bzw. im Einsatz.

Die Vorteile von Aktoren sollen nunmehr genutzt werden, wobei zugleich der Nachteil des kleinen Hubes beseitigt werden soll.

Die Lösung des Problems ergibt ein elektronisch regelbares und elektrisch angetriebenes Stellglied, das mannigfaltig einsetzbar ist - vor allem im Maschinenbau, Flugzeugbau und verwandter Technik.

Lösung der Aufgabe

Das Stellglied wird von einer Aktor-Stake angetrieben. Der Aktor wirkt als Stake, arbeitet also analog zur Vortriebs­ möglichkeit eines kleinen Bootes auf einem flachen Gewässer, das mittels einer Stange - einer Stake - am Grund abgestoßen bzw. bewegt wird. Die Aktor-Stake bewegt das Stellgliedes (Hubstange, Fahrzeug) und stützt sich gegenüber dem Gehäuse (Boden) ab.

Eine Längen- bzw. Kraft-Anderung des Aktors (infolge elektrischer Leistungseinbringung) bewirkt eine Hub- bzw. Kraft-Änderung auf der Seite der Hubstange, also beim Stellglied.

Der Bewegungs- und Kraft-Vektor des Aktors bildet zum Vektor des zu bewegenden Stellgliedes (Hubstange) einen Winkel, der die Umsetzung der Aktorbewegung in die Stellgliedbewegung definiert.

Der Aktor führt oszillierend eine Hubbwegung aus (z. B. Hub über Zeit = Sinus-Halbwelle) und treibt deshalb als Stake die Hubstange des Stellgliedes.

Funktionsprinzip

Eine Stak-Bewegung erfordert, daß die Länge der Stake dem erreichten Vorwärtshub angepaßt wird und zugleich auch eine Winkelanpassung erfolgt - Fig. 2 starres Staken:

Da ein Aktor als aktive Feder wirkt - Weg und Kraft sind üblicherweise linear abhängig (Linearität der Federkennlinie ist hier aber kein Muß), wird seine Federkennlinie zur Erreichung des kleinen Bewegungs-Freiheitsgrades mitverwendet. Die Längenänderung der Aktor-Feder ist sehr erwünscht; anstelle einer Stake mit fester Länge wird folglich mit einer Druckfeder gearbeitet, die in Staken-Längsrichtung wirkt.

Die zusätzlich erforderliche kleine Winkeländerung bedeutet einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad, der obwohl gering nicht vernach­ lässigt werden darf. Der Freiheitsgrad soll sich von selber anpassen, was auf verschiedenen Weise geschehen kann:

• - Winkel zwischen Aktor und Hubstange ist torsionselastisch (Fig. 2: Ersatzfedersystem 1)
• - Aktor-Stake ist biegeelastisch (Fig. 2: Ersatzfedersystem 2)
• - Reibpaarung bildet eine flexible elastische Grenzschicht
• - elastische magnetische Schubkraft-Übertragung.
• - das zu bewegende Element ist bzw. hat selber eine Feder (Fig. 2: Ersatzfedersystem 3)
• - etc.

Die federnde Lagerung der Hubstange bzw. des schubaufnehmnden Elementes wird hier favorisiert (Fig. 2: Anwendung des Ersatz­ federsystems 3). Das Federelement der Hubstange kann selber auch ein Aktor sein, der im Gegentakt zum treibenden Staken-Aktor arbeitet.

Funktion - siehe Lösungsbeispiel Fig. 1

Das Stellglied, eine Hubstange (1), gelagert in einer Hülse (2) wird hier beidseitig von 2 Aktoren (3) angetrieben. Die Aktoren oszillieren in der Länge (Hub in Längsachsenrichtung vor und zurück) und übertragen ihre Hubbewegung über die Reib­ glieder auf der Aktor-Seite (4) und auf der Stellglied-Seite (5) auf das Stellglied - und zwar vektoriell betreffs Weg und Kraft, infolge des Winkels zwischen Aktor und Hubstange. Die Hub-Bewegung stützt sich gegenüber dem Gehäuse-Boden (6) ab, (Relativbewegung gegenüber Boden, mit dem Kontakt bestehen muß).

Da der Hub sehr klein ist, müssen Aktor (3) und Hubstange (1) bzw. konkret die beiden Schub- bzw. Reib-Elemente (5) und (4) hinreichend fein vorpositioniert sein, d. h. nahe beieinander liegen, was im Beispiel durch einen Justage-Ring (7) errreicht wird, der eine Feinverstellung erlaubt (Konuswirkung).

Solange die Aktoren nicht angesteuert sind (stromlos), besteht kein Eingriff bzw. keine Schubübertragung zwischen den beiden Reibelementen, d. h. die Verbindung zwischen Aktor und Hubstange ist gelöst - die Hubstange folgt nur der äußeren Kraft, die evtl. auf sie einwirkt.

Jeder einzelne Hub des Aktors schließt sofort die Schubverbindung (Reibpaarung) und die Hubbewegung des federnden (wichtig) Aktors wird umgesetzt in die Hubbewegung des Stellgliedes. Die Reibpaarung muß also eine Schubkraft (Schubspannung) in Bewegungsrichtung aufnehmen, was technisch leicht erreichbar ist: durch Quer-Rillen oder Mikro-Verzahnung quer zur Bewegungs­ richtung, einfache sandraue Oberfläche mit hohem Reibbeiwert.

Eine Summe von Hüben schiebt das Stellglied unbegrenzt weit in Vektor-Richtung. Dabei ist nur die Bewegung in einer Richtung - vorwärts - ausführbar. Die Bewegung über der Zeit erfolgt beispielsweise als Sinus- Schwingung (wobei die vektorielle Transformation des Sinus auf der Aktor-Seite gegenüber dem auf der Stellglied-Seite zu beachten ist). Sinnvoller (wegen Aktor-Charakteristik) wird eine Wechselspannung gleichgerichtet und in den Aktor eingespeist, konkret: 2 Sinushalbwellen in positiver Richtung betreffs Hub­ wie Kraft-Verlauf.

Rückwärtsbewegung ist nur derart möglich, daß eine Gegenkraft (Feder) der motorischen Kraft entgegenwirkt und summarisch größer als die oszillierende Aktor-Bewegung ist (z. B. 1 Schritt vor in der Antriebsphase, 2 Schritt zurück in der Abschaltphase).

Durch konfigurative Maßnahmen (auch in der Beispiel-Lösung) kann auch anderweitig in der umgekehrten Richtung gefahren werden, z. B. indem das Reibelement für eine Vektorumkehr sorgt; wird dabei die rückwärtsfahrende Bewegungskomponente des Aktors ausgenutzt (Aktor zieht sich nach Ausdehnen wieder zurück), muß aber beim Aktor die üblicherweise geringe zulässige Zugkraft gegenüber der hohen zulässigen Druckkraft beachtet werden.

Die Voranschreitfähigkeit in nur einer Richtung ist meistens hinreichend - da üblicherweise gegen eine äußere Kraft gearbeitet werden muß (Vorspannung), und dann auch Rückbewegung möglich ist.

Nach Ausführung vieler Stellhübe, die hochfrequent erfolgen, wird der gewünschte Weg zurückgelegt - Betrag (Wirkungsgrad) hängt von der Gegenkraft ab.

Ist die Gegenkraft gleich groß wie die eigene kommt es üblicher­ weise zum Stillstand der Bewegung.

Die Gegenkraft für einen statischen Haltepunkt - Gleichgewicht von Stellgliedkraft und äußerer Kraft - muß nicht durch eine pulsierende Aktor-Ansteuerung, wie beim Fahren erforderlich, erzeugt werden; der Aktor kann auch auf einen festen konstanten Hub geregelt werden - was aber nur für schwingungsdynamische Betrachtungen von Interesse ist.

Endet die Stellglied-Bewegung an einem Anschlag, ist nurmehr allein die Kraft noch regelbar.

Kraft und/oder Weg des Stellgliedes werden durch Einspeisung der elektrischen Leistung (in den Aktor) geregelt, z. B. variable Spannungshöhe bei konstantem Strom erzeugt variablen Mikro-Hub; die Geschwindigkeit ist zusätzlich via Frequenzänderung regelbar.

Charakteristik

• * keine beweglichen Teile (nur Stellhebel selber bewegt sich)
• * hohe Stell-Kraft
  unter der Einschränkung, daß hinreichend hohe Schubkräfte vom Aktor auf das Stellglied übertragbar sind (wird bestimmt vom Winkel zwischen beiden und dem Reibbeiwert der Schubübertrager bzw. Reibelemete)
• * hohe Dynamik - trotz der vielen erforderlichen Hübe zur Ausführung eines größeren Stellweges werden vor allem kleine Hübe und Stellkräfte bei Objekt-Kontakt nach wie vor mit nahezu gleich hoher Dynamik ausgeführt wie beim reinen Aktor
• * Kraft-Regelbarkeit
  die Kraftregelung ist gleich gut wie beim reinen Aktor
• * Weg-Regelung
  die Wegsteuerung ist gleichartig zum reinen Aktor; der eventuelle Schlupf bei Reibung wird aber nicht erkannt, d. h. die Positionier-Fahrmöglichkeit ist zwar in Mikro-Schritten ausführbar, bedarf aber zur Sicherheit eines Weg-Sensors (üblich auch bei alternativen Stellglied-Antrieben)
• * unbegrenzter Stellweg
  folglich ist der Nachteil des begrenzten und obendrein kleinen Aktorstellweges damit beseitigt
• * weiter Geschwindigkeitsbereich
  durch die pulsende elektronische Ansteuerung - die eine Auf­ und Ab-Bewegung des antreibenden Aktors erzeugt - bestimmen Frequenz und Amplitude die Bewegung bzw. Geschwindigkeit Je nach Ansteuerfrequenz und Hub des Aktors ergibt sich bei gegebenem Stakenwinkel (Winkel zwischen Hubstange des Stellgliedes und Aktor) die Hub-Geschwindigkeit
• * gegenüber dem reinen Aktor ergibt sich eine Wirkungsgrad- Reduktion infolge der vektoriellen Bewegungsumsetzung und der Reibungsverluste
• * die beiden Reib-Elemente (sofern keine elektromagnetische Elemente) sind nicht verschleißfrei - eine hochwertige Werkstoffpaarung zur Minimierung des Verschleißes ist angebracht (Nachstellbarkeit ist vorzusehen)
• * eine relativ genaue Montage-Anpassung der beiden Schub- bzw. Reib-Elemente ist erforderlich - damit der Aktor nur geringen Leerhub hat bzw. keine zu hohe Vorspannung hat (Justierbarkeit vorsehen; Nachstellelement und Justierelement sind dasselbe Teil)

Charakteristische Leistung für das Beispiel von Bild 1, das ein einfaches Stellglied zeigt, das aus 2 parallel geschal­ teten Aktoren besteht, die auf eine Hubstange wirken (quasi motorisch betriebener Wagenheber):

• - Aktor: 10 mm Durchmesser, 150 mm lang, 0.2 mm Hub, Kraft 3kN,
• - Regelung: 0..100 Volt, 0.2 Volt Schritte (Auflösg.=500), 100 Hz
• - Winkel zwischen Aktor und Hubstange: 30 Grad (cos30=0.87).

Es ergibt sich

- Weg:
ist begrenzt durch Hubstangen-Länge
- Geschwindigkeit:	100 Hz * 2 * 0.2 mm * cos (30)=60 mm/sec
- Positioniergenauigkeit:	1/500 * 0.2 mm * cos (60)=0.4 * 10-3 mm
- Kraft in Hubrichtung:	2 * 3 kN * cos (60)=5 kN
- Kraftdosiermöglichkeit:	1/500 * 3 kN * cos (60)=10 N

Anwendungsbeispiele Flugzeugbau

• - Propeller-Blatt-Verstellung
  in einfacher Konstruktion ähnlich Fig. 1, kontaktlose Energie- Zuführung möglich (induktiv) - als vorteilhafte Alternative zur Mechanik-, Hydraulik- oder Elektromotor-Verstellung
• - Hubschrauber-Hauptrotorblätter-Steuerung
  Ein Rotor mit Elastomer-Gliedern benötigt nur noch 1 Hauptlager und keine weiteren Teile (Taumelscheibe mit Steuerstangen etc), das Stellglied sitzt im drehenden Rotorkopf, der Einstellwinkel jedes Blattes ist im Verlauf jeder Umdrehung hoch dynamisch einstellbar, der Rotor wird rein elektronisch gesteuert

Maschinenbau

• - Stellglied einer Fahrzeug-Scheibenbremse
  für sehr hohe Stellkräfte und hohe Dynamik, mit automatischer Selbstnachstellung (Aktorpaket wird für Bremskraft und Nach­ stellung zugleich genutzt) u. rein elektronischer Regelung, als vorteilhafte Alternative zu Hydraulik- oder Pneumatik-Systemen
• - Roboter-Glieder(Arm, Finger)-Antrieb
  anstelle der menschlichen Muskelkontraktion für Transversal- Kraft/Weg tritt das elektronische Transversal-Stellglied.

Claims (1)

1. Der Erfindungsanspruch ist dadurch gekennzeichnet, daß

   • - das Stellglied elektromotorisch von der relativ kleinen Längen­ änderung eines Aktors (Festkörper mit Translationsdehnung in Längsachsenrichtung) angetrieben wird, und zwar indem die Aktor-Feder-Stange als Stake zum Abstoßen des zu bewegenden Stellgliedes (Hubstange, Fahrzeug) gegenüber dem Relativmedium (Boden) verwendet wird
   • - der Stellglied-Weg nur durch die Länge der Hubstange begrenzt ist (prinzipiell unbegrenzt)
   • - Schubübertrager bzw. Reib-Elemente an der Verbindung von Stellglied bzw. Hubstange und Antriebs-Aktor bzw. Stake für die Kraft/Weg-Koppelung zum Aktor sorgen, wobei ein höherer Reib­ beiwert den Wirkungsgrad verbessert wird; die Schubübertrager bzw. Reibglieder sind dabei beliebig ausführbar als: abgestimmte Reibpaarung, Mini-Verzahnung (quer zur Bewegungsrichtung), oder elektromagnetische Haftkraft.
   • - der für das Staken erforderliche Bewegungs-Freiheitsgrad durch die Feder-Kennlinie des Aktors erreicht wird (Elastizität betreffs Hub und Kraft), sowie durch zusätzliche sekundäre Maßnahmen (biegeelastische Stake etc.); ein federnder Schub­ aufnehmer wird bevorzugt (evtl. als Gegentakt-Aktor ausgeführt)
   • - Bewegung (Weg, Geschwindigkeit) und Kraft des Stellgiedes abhängen, vom
     • * Staken-Winkel (Winkel zwischen Aktor- und Hubstange)
     • * Reibbeiwert zwischen Aktor-Reibübertrager (Schubgeber) und Stellglied-Reibaufnehmer (Schubnehmer)
     • * Frequenz, Hub, Kraft des Aktors
   • - Vorwärts- und Rückwärts-Bewegung möglich ist
   • - infolge der Aktor-Zwangskopplung Bewegung und Kraft regelbar sind, durch elektrische Ansteuerung (Strom, Spannung, Frequenz)
   • - das Stellglied wie ein statisches System dimensioniert werden kann, durch Wahl unterschiedlicher Aktoren oder kinematischer u. struktureller Auslegung: Winkel, Reibwert, interne Parallel­ oder Hintereinander-Schaltung; wobei durch Parallel-Schaltung (mehrere Aktoren wirken parallel auf Stellglied) die Stellkraft einfach erhöhbar ist (Festkörper-Festigkeit)
   • - eine automatische Stellglied-Nachstellung prinzipbedingt vorhanden ist, infolge freier Parameterwahl von Kraft und unbegrenztem Stellweg (Hub kann solange ausgeführt werden bis Soll-Stellkraft erreicht ist)
   • - das Stellglied auch als Fahrzeugantrieb verwendbar ist (1 bis Viel-Bein-Antrieb bzw. Tausendfüßler).