DE4407962C1

DE4407962C1 - Stell- oder Antriebselement

Info

Publication number: DE4407962C1
Application number: DE19944407962
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Bebermeier; Thomas Dipl Ing Laux
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1995-06-01
Anticipated expiration: 2014-03-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Stell- oder Antriebselement mit elektro- oder magnotostriktivem Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Betätigungselemente sind aus der JP-A-5 145139 bekannt, wobei diese insbesondere bezüglich der Lagerung bzw. Führung sowie der Abdichtung des abtriebseitigen Anschlußteils ihres Stellwegvergrößerers Mängel aufweisen, die infolge von Reibung zur Verschlechterung des Wirkungsgrades und durch Abrieb zu schnellem Verschleiß und Undichtigkeiten führen können.

Weitere gattungsgemäße Betätigungselemente sind in der DE-A- 41 33 000 sowie der EP-A- 0 535 510 beschrieben, wobei die bekannten Einrichtungen in erster Linie als piezohydraulische Moduln zur Umsetzung taktiler Informationen ausgebildet sind. Die hydraulischen Stellwegvergrößerer dieser Einrichtungen sind mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, die die Anwendungsmöglichkeiten begrenzen und bewirken, daß damit gesteigerte Anforderungen im Hinblick auf Belastbarkeit und Lebensdauer, Störunanfälligkeit und Funktionssicherheit sowie hohe Auflösung der Informationsumsetzung bezüglich Frequenz und Amplitude nicht befriedigend erfüllt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein universell verwendbares Stell- oder Antriebselement mit elektro- oder magnetostriktivem Aktuator und einem an den Aktuator gekoppelten Stellwegvergrößerer zu schaffen, das die genannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Während bei den bekannten Stellwegvergrößerern das sekundärseitige Abtriebselement den Druckraum in Form eines in einer zylindrischen Führung verschiebbaren Kolbens abschließt, ist der entsprechende flächennormal verschiebbare sekundäre Wandungsbereich des Stellweg vergrößerers beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung über eine Elastomerschicht mit der ihn umgebenden Druckraum wandung flüssigkeitsdicht fest verbunden, wobei die Schubverformbarkeit der Elastomerschicht die erforderlichen flächennormalen Verschiebungen des sekundären Wandungs bereiches ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung weist gegenüber dem Bekannten folgende Vorteile auf: Die Beweglichkeit des sekundärseitigen Abtriebselements des Stellwegvergrößerers wird unter keinen Umständen durch Reibungskräfte beeinträchtigt, und insbesondere sind Störungen durch Haftreibung ausgeschlossen. Hierdurch kann ein Genauigkeits- Geschwindigkeitsprodukt im Stellbereich bis 1 mm erreicht werden, das weit oberhalb demjenigen bisher bekannter Antriebe liegt. Die Resonanzfrequenz erfindungsgemäßer Stell- oder Antriebselemente kann oberhalb von 1 kHz liegen, und die erzielbare Auflösung beträgt weniger als 1 µm. Auch die realisierbare Eigensteifigkeit von mehr als 3000 N/mm ist bemerkenswert. Ferner ist die langzeitstabile, praktisch verschleißfreie Abdichtung des Druckraumes hervorzuheben sowie die Tatsache, daß eine Beeinträchtigung der Funktionssicherheit und -genauigkeit durch am Abtriebs element auftretende Querkräfte weitgehend ausgeschlossen werden kann. Diese Vorteile bleiben auch bei starker Miniaturisierung des konstruktiven Aufbaues des erfindungs gemäßen Stell- oder Antriebselementes erhalten.

Im folgenden werden der Erfindungsgegenstand sowie vorteilhafte Ausgestaltungs- und Variationsmöglichkeiten anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in der beigefügten Zeichnung, weitgehend schematisch, dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 ein Stell- oder Antriebselement mit hydraulischem Stellwegvergrößerer gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine entsprechende Ausführungsform, bei der in besonders vorteilhafter Weise der Druckraum des Stellwegvergrößerers sekundärseitig durch eine das Abtriebselement enthaltende separate Buchse abgeschossen ist,

Fig. 3 einen ähnlichen Aufbau, bei dem als Abschluß des Druckraumes auch primärseitig eine separate Buchse vorgesehen ist,

Fig. 4 eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die das sekundärseitige Abtriebselement umfassende Elastomerschicht im Innern des Druckraumes so weitergeführt ist, daß sie gleichzeitig zur primärseitigen Abdichtung dient und

Fig. 5 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Stellwegvergrößerer anstelle einer Flüssigkeit als inkompressible verformbare Substanz ein Elastomer enthält.

Fig. 1 verdeutlicht das Prinzip des Erfindungsgegenstandes an einem Stell- oder Antriebselement, dessen miteinander verschraubte Gehäuseteile 10.1 und 10.2 den Aktuator 1 und den Stellwegvergrößerer 2 enthalten. Der obere Gehäuse teil 10.2 bildet gleichzeitig die seitliche Wandung W des sich nach oben verjüngenden Druckraumes 3 des Stellweg vergrößerers 2, der nach unten durch den vom Aktuator 1 beaufschlagten und in Richtung der Flächennormalen N1 verschiebbaren primären Wandungsbereich W1 und nach oben durch den in Richtung seiner Flächennormalen N2 verschiebbaren sekundären Wandungsbereich W2 abgeschlossen wird. Der primäre Wandungsbereich W1 - beispielsweise eine Metallmembran - ist zwischen die Gehäuseteile 10.1 und 10.2 eingeklemmt, wobei zur Abdichtung beispielsweise ein O- Ring 9 vorgesehen ist. Der sekundäre Wandungsbereich W2 bildet bzw. trägt das Abtriebselement 5 und ist mit der ihn umgebenden Elastomerschicht 6 zusammenvulkanisiert, die ihrerseits an ihrer Außenfläche mit dem Wandungsbereich W zusammenvulkanisiert ist.

Wird die axiale Länge des Aktuators 1 in an sich bekannter Weise durch an ihn angelegte Steuerspannungen verändert, so führt dies zu einer entsprechenden Verschiebung des primären Wandungsbereichs W1 in Richtung seiner Fächennormalen N1 und damit zu einer Verdrängung der den Druckraum 3 ausfüllenden inkompressiblen leicht verformbaren Substanz - beispielsweise einer Hydraulikflüssigkeit oder eines Glykol/Wasser-Gemisches - die dann zwangsläufig eine Verschiebung des sekundären Wandungsbereiches W2 in Richtung der Flächennormalen N2 bewirkt. Die flächennormalen Verschiebungen der Wandungsbereiche W1 und W2 sind dabei offenbar umgekehrt proportional zu ihren Flächeninhalten F1 und F2. Es ergibt sich also ein Übersetzungsverhältnis f F1/F2. Vorzugsweise hat dies Verhältnis einen Wert von 4 bis 20, so daß die erzeugbaren Stell- bzw. Antriebshube am Abtriebselement 5 4- bis 20mal so groß sind wie die maximalen Betriebshube des jeweils verwendeten Aktuators 1.

Fig. 2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der der sekundäre Wandungsbereich W2 mit dem Abtriebselement 5 als Kern 7.2 einer separaten Buchse ausgebildet ist, die einen in die Druckraumwandung W fest eingefügten Mantel 8.2 aufweist, wobei eine Elastomer schicht 6.2 zwischen dem Kern 7.2 und dem Mantel 8.2, an diesen beiderseits haftend, angeordnet ist. Neben fertigungstechnischen Vorteilen bietet dieser konstruktive Aufbau die Möglichkeit, erfindungsgemäße Stell- oder Antriebselemente bei der Herstellung an verschiedene Randbedingungen ihrer jeweiligen Verwendung anzupassen, indem man unterschiedliche derartige Buchsen bevorratet und nach Bedarf einbaut, deren Elastomerschichten 6.2 bezüglich ihrer elastischen Eigenschaften für verschiedene Einsatz fälle optimiert sind.

Wie Fig. 3 zeigt, kann die in Fig. 2 dargestellte Möglichkeit der Einfügung des sekundären Wandungsbereichs W2 in die Druckraumwandung W in Form einer separaten Buchse auch auf die Anbringung des primären Wandungsbereichs W1 angewandt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die beiden in Richtung ihrer Flächennormalen verschiebbaren Wandungsbereiche entsprechende Buchsenkerne 7.1 und 7.2 wobei die Elastomerschichten 6.1 und 6.2 jeweils so um die Stirnkanten der Buchsenmäntel 8.1 und 8.2 herumgezogen sind, daß sie zusätzlich als Dichtungen gegenüber der seitlichen Druckraumwandung W wirken.

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der das Gehäuse aus einem Unterteil 10.1 und einem Oberteil 10.2 sowie einem Überwurf 10.3 besteht. Der Überwurf 10.3 besitzt ein Innengewinde, das einen mit Außengewinde versehenen Spannring 10.4 trägt, durch den der membranförmige primäre Wandungsbereich W1 des Stellweg vergrößerers 2 dichtend gegen den oberen Gehäuseteil 10.2 gepreßt wird. Die Elastomerschicht 6 ist über die gesamte Innenwandung W des Druckraumes 3 bis in den Anlagebereich der den primären Wandungsbereich W1 bildenden Membran erweitert und wirkt dort als kompressible Dichtung.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Der Druckraum 3 enthält hier als inkompressible leicht verformbare Substanz 4 ein Elastomer, das insbesondere als vorgeformtes elastisches Formteil ausgebildet sein kann. Im übrigen sind Aufbau und Wirkungsweise dieser Ausführungsform unmittelbar mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vergleichbar, so daß weitere Erläuterungen nicht erforderlich sind.

Aufgrund ihrer vorteilhaften Funktionsmerkmale eignen sich die erfindungsgemäßen Stell- und Antriebselemente für eine Vielzahl praktischer Anwendungsfälle. Ihre Stellgenauigkeit und -geschwindigkeit macht sie insbesondere für statische und dynamische Feinstpositionieraufgaben geeignet. Beispielsweise können sie vorteilhaft zur Betätigung von Steuerventilen in hydraulischen und pneumatischen Schaltkreisen eingesetzt werden. Ferner finden sie aufgrund ihrer Robustheit und Leistungsfähigkeit auf dem Gebiet der aktiven Lagerelemente Anwendung und führen dort - beispielsweise bei Kraftfahrzeug-Motorlagern - zu erheblichen Verbesserungen und neuen Möglichkeiten bei der Unterdrückung störender Schwingungen. Besondere Vorteile ergeben sich beispielsweise, wenn bei Motorlagern gemäß DE- A-38 21 368 oder DE-A-39 02 603 anstelle der dort verwendeten Aktuatoren Antriebselemente gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.

Claims

1. Stell- oder Antriebselement mit elektro- oder magnetostriktivem Aktuator (1) und einem an den Aktuator (1) gekoppelten Stellwegvergrößerer (2), wobei der Stellwegvergrößerer (2) einen mit einer formsteifen Wandung (W) umschlossenen Druckraum (3) aufweist, der vollständig mit einer inkompressiblen verformbaren Substanz (4) gefüllt ist und einen in Richtung seiner Flächennormalen (N1) mittels des Aktuators (1) verschiebbaren primären Wandungsbereich (W1) großen Flächeninhalts (F1) sowie einen vom Bereich (W1) getrennt - insbesondere diametral - angeordneten, abgedichtet in eine entsprechende Öffnung der Druckraumwandung (W) eingesetzten und ebenfalls in Richtung seiner Flächennormalen (N2) verschiebbaren sekundären Wandungsbereich (W2) kleinen Flächeninhalts (F2) aufweist, wobei F1 " F2 ist, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Wandungsbereich (W2) des Stellwegvergrößerers (2) über eine Elastomerschicht (6) mit der ihn umgebenden Druckraumwandung (W) verbunden ist, wobei die Elastomerschicht (6) den Ringspalt zwischen den Wandungsbereichen (W) und (W2) ausfüllt und beiderseits ringsum haftend mit den Wandungsbereichen (W) und (W2) verbunden ist.

2. Stell- oder Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomerschicht (6) an die Wandungsbereiche (W) und (W2) anvulkanisiert ist.

3. Stell- oder Antriebselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Wandungsbereich (W2) als Kern (7.2) einer separaten Buchse ausgebildet ist, die einen in die Druckraumwandung (W) fest eingefügten Mantel (8.2) aufweist, wobei eine Elastomerschicht (6.2) zwischen dem Kern (7.2) und dem Mantel (8.2), an diesen haftend, angeordnet ist.

4. Stell- oder Antriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Wandungsbereich (W1) als Kern (7.1) einer separaten Buchse ausgebildet ist, die einen in die Druckraumwandung (W) fest einfügbaren Mantel (8.1) aufweist, wobei eine Elastomerschicht (6.1) zwischen dem Kern (7.1) und dem Mantel (8.1), an diesen haftend, angeordnet ist.

5. Stell- oder Antriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Wandungsbereich (W1) als eine - insbesondere stählerne - in Richtung ihrer Flächennormalen (N1) auslenkbare und/oder verformbare Membranscheibe ausgebildet ist.

6. Stell- oder Antriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungs verhältnis f ≈ F1/F2 4 bis 20 beträgt.

7. Stell- oder Antriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Elastomerschicht (6, 6.1, 6.2) bei maximaler Auslenkung ein Scherwinkel von höchstens 30° auftritt.

8. Stell- oder Antriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Stellwegvergrößerer (2) enthaltene inkompressible, verformbare Substanz (4) eine Flüssigkeit ist.

9. Stell- oder Antriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Stellwegvergrößerer (2) enthaltene inkompressible, verformbare Substanz (4) ein Elastomer, insbesondere ein elastomeres Formteil, ist.

10. Stell- oder Antriebselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das den Druckraum (3) des Stellwegvergrößerers (2) ausfüllende Elastomer einstückig mit der Elastomerschicht (6, 6.1, 6.2) ausgebildet ist.