DE4445606A1 - Betätigungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungsvorrichtung (Aktor) mit einem mechanischen Verstellelement.

Bekannt sind beispielsweise aktive Kupplungen, die (elek­ tronisch) gesteuert oder geregelt elektromotorisch oder hydraulisch betrieben werden oder auch deren Anpreßkraft elektronisch geregelt wird. Die Nachteile dieser Systeme sind:

• - hohe Trägheit und daher große Reaktionszeit, insbesonde­ re bei Leistungen über 10 Watt. Dies hat als Auswirkung, daß der Abhub nur schwer regelbar ist.
• - ein relativ großes Volumen
• - systembedingt nicht in die Kupplung integrierbar
• - relativ teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aktor zu finden, der in einer aktiven Kupplung eingesetzt werden kann und Vorteile bezüglich Integrierbarkeit, Reaktionszeit und Volumen bietet.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung umfaßt eine Kombination von leistungsstarken Piezoelementen oder magnetostriktiven Elementen mit einem leistungsschwachen Verstellelement. Zusammengenommen kann dieses System kompakter werden, kleinere Reaktionszeiten aufweisen und integrierbar sein in die Kupplung. Der Aktor kann auch in anderen Systemen, deren mechanische Leistung mit der benötigten vergleichbar ist oder darüber liegt eingesetzt werden.

Die Erfindung umfaßt ein zwischen Verstellelement und der mechanischen Last geschaltetes Aktorsystem, das einem leistungsschwachen rotatorischen oder translatorischem mechanischen Verstellelement ermöglicht, hohe mechanische Leistungen zu steuern oder zu regeln, ohne selbst die ganze mechanische Leistung aufbringen zu müssen. Das zwischenge­ schaltete Element muß lediglich in der Lage sein, kleine Hubbewegungen sehr schnell auszuführen. Dies gilt bei­ spielsweise für Piezoelemente oder magnetostriktive Ele­ mente. Durch die Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, beispielsweise mittlere Kräfte im 100 N Bereich mit mitt­ leren Wegen im 10 mm Bereich durch eine Kombination von leistungsstarkem Piezoaktor und leistungsschwachem Linear­ versteller zu bewegen, was durch das einzelne Element nicht möglich ist.

Die Erfindung betrifft insofern auch einen piezoelektrisch oder magnetostriktiv betriebenen Aktor, der eingesetzt werden kann zum kontrollierten Ausrücken oder der elektro­ nischen Regelung der Anpreßkraft einer mechanischen Kupplung im Antriebsstrang (aktive Kupplung).

Die Erfindung ist anhand einer Prinzipzeichnung erläutert.

Der besagte Aktor umfaßt zum ersten einen Piezowanderwellen­ motor mit dem Stator 1 und dem Rotor 2. Der Stator 1 ist an die Getriebeglocke angeflanscht. Es handelt sich hierbei um eine Bauform, die in der Mitte eine Wellenbohrung aufweist. Er ist durch elektrische Leitungen 11 mit dem Steuergerät 12 für den Wanderwellenmotor verbunden. An den Stator 1 des Wanderwellenmotors ist ein vorgespannter piezokeramischer Stapelaktor 4 angeflanscht, der durch elektrische Leitungen 9 mit dem Steuergerät 10 für den Piezostack 4 verbunden ist.

Der Piezoaktor 4 ist konstruktionsbedingt tubusförmig ausgebildet. Der Piezoaktor 4 besteht aus mehreren z. B. 1 mm dicken Scheiben, die aufeinandergeklebt sind. So kann der Effekt der Längsausdehnung ausgenutzt werden. Der Piezoaktor 4 wird in bekannter Art angesteuert. Es sind dabei Steuer­ spannungen von bis zu 1000 V nötig. Durch Einsatz von Multilayerpiezostacks sind auch Spannungen unter 100 V für eine volle Auslenkung erreichbar. Es ist auch denkbar, mindestens einen Piezotubus mit 1 mm Kreisringdurchmesser zu verwenden, und dabei den Effekt der Querkontraktion auszu­ nutzen. Mit dem Piezostack 4 fest verbunden ist eine mechanische Rampe 5, die konzentrisch angeordnet ist. Darüber befindet sich eine weitere mechanische Rampe 6, die wiederum konzentrisch angeordnet ist. Dieser mechanische Ring 6 ist mit dem Rotor 2 des Wanderwellenmotors über einen in einer Nut laufenden Ring 3 verbunden. Die Rampen 5, 6 sind derart ausgebildet, daß bei Verdrehen des mit dem Rotor 2 des Wanderwellenmotors verbundenen Rings 3 um 50 Grad das Ausrücklager 7 der Kupplung 13 um 8 mm in Ausrückrichtung der Kupplung 13 gedrückt wird. Damit wird die Tellerfeder 8 um 8 mm nach innen gedrückt, wodurch die Kupplung 13 ausgerückt ist. Mit diesem flachen Aufstellwinkel der Rampen 5, 6 erreicht man durch die Haftreibung zwischen den Keil­ flächen auch bei geringen Haftreibungskoeffizienten ein praktisch leistungsloses Halten des Ausrückwegs. Dies ist vor allem bei Verwendung von Elektromotoren wichtig, die praktisch kein Haltemoment aufweisen.

Ohne das Piezozwischenstück 4 müßte der Wanderwellenmotor oder ein dafür eingesetzter konventioneller Aktor, wie die Hydraulik oder der Schrittmotor, die gesamte Arbeit auf­ bringen. Das ist mit den anfangs beschriebenen Nachteilen möglich. Der Motor müßte bei dieser Konfiguration die mechanische Leistung aufbringen, um die Kupplung 13 auszu­ rücken und die mechanische Leistung, die nötig ist, um die Reibung zwischen den keilförmig ausgebildeten Flächen 5, 6 zu überwinden. Wenn die Tellerfeder 8 der Kupplung 13 eine Gegenkraft F_γ von 500 N aufbringt und der Ausrückvorgang in 100 msec beendet sein müßte, so ist allein für die mecha­ nische Ausrückleistung ohne die Überwindung der Reibungs­ kraft eine mechanische Leistung des Motors von 40 Watt erforderlich. Das Überwinden der Reibungskraft erfordert in diesem als Beispiel gewählten Falle eine zusätzliche mechanische Leistung in der gleichen Größenordnung. Eine mechanische Leistung von 80 Watt ist nach dem Stand der Technik nur mit großen und trägen konventionellen Systemen möglich. Diese sind aber nicht vollständig in der Nähe der Kupplung 13 integrierbar. Auch der Wanderwellenmotor, bei dem allerdings, bedingt durch das eigene hohe Haltemoment, auf einen hohen Reibungskoeffizienten zwischen den Rampen 5, 6 verzichtet werden kann, hat nicht diese hohe Leistung. Die durch die Erfindung beschriebene Möglichkeit einer Zwi­ schenschaltung eines Piezoaktors 4 oder eines magnetostrik­ tiven Stabs, der kleine Hubbewegungen in sehr kurzer Zeit ausführt, reduziert die nötige Leistung des Wanderwellenmo­ tors erheblich.

Ein Ausführungsbeispiel soll den Sachverhalt verdeutlichen. Der Piezoring 4 mit den aufgeklebten Kreisringen hat einen Innendurchmesser von 30 mm und einen Außendurchmesser von 34 mm. Der Piezotubus 4 ist durch eine Tellerfeder vorgespannt. Es können mit diesem Tubus 4 Kräfte bis 10 kN erreicht werden. Die Länge des Piezoelements 4 ist 30 mm. Dies führt zu Wegen von 30 bis 40 µm. Wird nun der Stack 4 in einer sehr kurzen Zeit, beispielsweise 0,05 msec, auf praktisch den vollen Hub von 40 µm ausgelenkt, so wird die Masse, die durch die beiden Rampen 5,6 und das Ausrücklager 7 bestimmt ist und die im Ausführungsbeispiel 0,5 kg beträgt, auf diese Geschwindigkeit beschleunigt, also auf V_π = 0,8 m/sec. Die dazu nötige Kraft F_f, die der oben beschriebene Piezo 4 einsetzen muß, setzt sich zusammen aus der Trägheitskraft von etwa 4 kN und der Gegenkraft F_γ, die hier zunächst einmal als Konstantkraft von 500 N betrachtet werden kann. Die Flughöhe h(t) der Masse m gegen die Kraft F_γ wird durch folgende Gleichung in erster Näherung beschrieben:

Mit den oben betrachteten Werten des Ausführungsbeispiels erhält man eine maximale Flughöhe h_max = 320 µm, die in 0,8 msec erreicht wird. Dazu kommt noch der zusätzliche Beitrag zum Spalt, durch das schnelle Zurückziehen des Piezos 4 in Ausgangsstellung. Der zwischen den Keilflächen 5, 6 ent­ stehende Spalt setzt sich additiv aus den beiden Effekten zu maximal 360 µm zusammen. Der Rotor 2 des Wanderwellenmotors kann sich im betrachteten Fall in der Zeit von 1 msec praktisch frei nur gegen die Trägheitskräfte drehen. Der Rotor des Wanderwellenmotors 2 verdreht hier den über den Ring 3 mit ihm verbundenen Verstellring 6 um über 1 Grad ohne die Reibungskraft F_ρ und die Gegenkraft F_γ überwinden zu müssen, was zu der oben angegebenen Linearbewegung führt. Es ist in diesem Falle lediglich die Massenträgheit des rotierenden Systems zu überwinden. Die Masse für die an der Rotation beteiligten mechanischen Elemente (Rotor 2 des Wanderwellenmotors 2, Ring 3 und Verstellring 6) liegt hier bei etwa 0,20 kg. Dies bedeutet beim Ausführungsbeispiel ein Massenträgheitsmoment von etwa 1,7 × 10^-4 kg m². Somit muß der Wanderwellenmotor in diesem Fall ein Drehmoment von 1,3 Nm aufbringen. Das ergibt etwa die geforderte Linearbewegung von 8 mm gegen die Kraft von 500 N in 100 msec beim mehr­ fachen Ausführen des Vorgangs. Für den Wanderwellenmotor ist somit, anstelle der mechanischen Leistung von 40 Watt und etwa dem gleichen Wert zur Überwindung der Reibungskraft nötigen mechanischen Leistung von insgesamt also 80 Watt, lediglich eine mechanische Leistung von 9.8 Watt erforder­ lich. Dies reduziert Baugröße und Reaktionszeit beträcht­ lich. Die übrige Leistung wird durch den zwischengeschalte­ ten relativ kleinen Piezoaktor 4 aufgebracht. Die ausgerech­ neten Daten stellen lediglich ein Beispiel dar. Das Verhält­ nis wird noch besser, wenn man im Falle der aktiven Kupplung 13 die Tellerfederkennlinie zugrunde legt und die tatsäch­ lich in einem Zeitintervall wirkenden Kräfte berücksichtigt. Die Ansteuerung des Piezostapels 4, der hier aus Bleizirko­ nattitanatscheiben besteht, erfolgt im Ausführungsbeispiel folgendermaßen: Die Piezoaktor 4 wirkt in einer elektrischen Schaltung im Prinzip wie ein Kondensator. Die Kapazität des Piezoaktors 4, der zugrundegelegt wird, beträgt in diesem beispielhaften Fall C = 750 nF. Der erforderliche Strom, der nötig ist, den Kondensator in t = 5 × 10^-5 sec auf U = 1000 V aufzuladen, errechnet sich nach folgender Formel:

Der Ladestrom beträgt mit obigen Werten 15 A. Dieser Strom kann mit erhältlichen Systemen, die durch eine Kombination von FET-Schaltern und einem Speicherkondensator aufgebaut sind, in dieser Form zur Verfügung gestellt werden.

Die Triggerung des Schaltens erfolgt in diesem System durch das Ausnutzen der Sensorwirkung zumindest einer Piezoscheibe des Piezoaktors 4. Bei Krafteinwirkung auf ein Piezoelement, die im Ausführungsbeispiel durch das Aufeinandertreffen der Aufstellrampen 5 und 6 auftritt, erfolgt Ladungstrennung. Diese wird in bekannter Weise detektiert und als Triggersig­ nal für die Ansteuerung des FET-Schalters ausgenutzt. Eine andere Triggermöglichkeit ist das Schließen eines elek­ trischen Kontakts bei Berührung der beiden mechanischen Rampen 5 und 6.

Der Zeitpunkt zwischen Berührung und Hubbeginn des Piezos 4 hat einen Einfluß auf den teilelastischen Stoß, der sich bei Kontakt der beiden sich gegeneinander bewegenden Keilflächen 5, 6 ausbildet. Der Effekt des teilelastischen Stoßes trägt zur Verringerung der Kraft bei, die vom Piezoaktor 4 aufgebracht werden muß.

Die Erfindung ist nicht auf das einzelne Kupplungselement oder den Wanderwellenmotor oder den vorgespannten Stapel­ aktor beschränkt. Das Kupplungselement kann daher auch durch eine beliebige mechanische Last ersetzt werden. Der Wander­ wellenmotor kann durch einen bekannten anderen Aktor, wie etwa einen Schrittmotor oder hydraulischen Aktor oder son­ stiges, ersetzt werden. Der Stapelaktor 4 kann auch durch einen erhältlichen magnetostriktiven Aktor, wie etwa einen Terfenol D Stab und eine Ansteuerspule, ersetzt werden. Die elektrische Ansteuerung des magnetostriktiven Elements unterscheidet sich dann von der des Piezoelements 4. Es muß hier ein magnetisches Feld anstelle eines elektrischen Feldes beim Piezoelement 4 aufgebaut werden. Dies geschieht dadurch, daß in diesem Falle der Spulenstrom gesteuert werden muß. Die Triggerung kann wieder durch die Berührung der Last mit einer Kontaktfläche geschehen oder durch die Sensorwirkung des magnetostriktiven Elements, das bei mechanischer Last ein Magnetfeld entstehen läßt. Das Prinzip bleibt jedoch gleich.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschrie­ benen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt insbesondere auch solche Varianten, Elemente und Kombina­ tionen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten erfinderisch sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschritt­ folgen führen. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere bisher nur in der Beschreibung offenbarte Merkmale von erfindungswesentlicher Bedeutung zu beanspruchen.

Claims (5)

1. Betätigungsvorrichtung (Aktor) mit einem mechanischen Verstellelement, dessen Verstellkraft kleiner als die erforderliche Betätigungskraft ist, und einem mit dem Verstellelement zusammenwirkenden Element, wie bei­ spielsweise Piezoelement oder magnetostriktives Element, das kleine Hubbewegungen in schneller Folge (hochfre­ quent) ausführen kann.

2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das mechanische Verstellelement einen Elektromotor beinhaltet.

3. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Ver­ stellelement hydraulisch ausgeführt ist.

4. Reibungskupplung mit einer Betätigungsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Reibungskupp­ lung, deren Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt ist.