PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005032957B4 03.05.2007
Titel Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Hennig, Oliver, 81667 München, DE;
Kappel, Andreas, Dr., 85649 Brunnthal, DE;
Schwebel, Tim, Dr., 80337 München, DE;
Gottlieb, Bernhard, Dr., 81739 München, DE
DE-Anmeldedatum 14.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005032957
Offenlegungstag 25.01.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse H02N 2/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patenanspruch 1.

EP 1 098 429 A2 beschreibt einen elektromechanischen Motor mit einer derartigen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung. Diese besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen Antriebskörper, der eine Durchgangsöffnung aufweist, sowie aus einer Welle, welche durch die Durchgangsöffnung hindurchragt und in einem Umfangsabschnitt mit der Wandung der Durchgangsöffnung in Reibkontakt steht. Der Außendurchmesser der Welle ist dabei geringer als der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung. Mittels zweier elektromechanischer Festkörperaktoren wird der Antriebskörper in eine umlaufende Verschiebebewegung versetzt, wodurch die Welle auf Grund des Reibkontakts in eine Rotation versetzt wird. Außerdem bekannt ist ein ringförmiger Antriebskörper mit innenliegenden Festkörperaktoren, wobei eine Hohl-Welle den Antriebskörper zylinderförmig umgibt und in einem Kontaktabschnitt in Reibkontakt steht.

Neben Ausführungen mit rein zylindrischen Wandungen sind auch Ausführungsformen dargestellt, bei welchen entweder die Wandung der Welle oder die Wandung der Durchgangsöffnung einen verbreiteten Abschnitt aufweist, d. h. stumpfwinklig oder konvex ausgebildet ist. Dadurch entsteht an der Welle ein Wellen-Umfangsbereich, der die Welle linien- oder streifenförmiger umläuft. An einem Innenwandungs-Umfangsbereich der Durchgangsöffnung des Antriebskörpers ist ein entsprechender linien- oder streifenförmig umlaufender Wandungs-Kontaktabschnitt ausgebildet. Der Antriebskörper steht mit seinem Wandungs-Kontaktabschnitt entsprechend längs dem Wellen-Umfangsbereich der Welle in umlaufend wanderndem Reibkontakt. Diese Ausführungsform dient dazu, eine eigentlich unerwünschte und fehlerhafte leichte Verkippung der Welle gegenüber dem Antriebskörper auszugleichen.

Generell gilt, dass das maximale Drehmoment eines solchen reibschlussbasierten Antriebs durch die endlichen Normalkräfte im Bereich des Kontaktabschnitts begrenzt ist.

WO 94/29946 A1 beschreibt eine Antriebsvorrichtung auf Basis von linearen Aktoren, wobei ein mit derartigen Aktoren ausgestatteter Antriebskörper innerhalb einer anzutreibenden zylindrischen Welle angeordnet ist. Die Aktoren sind so angeordnet sind, dass bei deren Ansteuerung eine Oberfläche des Antriebskörpers an einer einzigen Stelle in Druckkontakt mit einer Oberfläche der anzutreibenden Welle gelangt, welche um die Achse rotiert, wenn die Aktoren zylindrisch angetrieben werden.

US 5,079,471 A beschreibt einen Antrieb, bei welchem von einem zu einem Gehäuse relativ zur anzutreibenden welle achsparallel festen Basiskörper zwei Lagerelemente sich in Richtung der Welle erstrecken, wobei die beiden Lagerelemente Durchgangsöffnungen zum Durchführen der Welle aufweisen. Zwischen diesen beiden zueinander parallelen und beabstandeten Lagerelementen ist ein einziger eigentlicher Antriebskörper eingesetzt, welcher über mehrere Linearaktoren in eine Verschiebebewegung versetzbar ist, so dass die durch eine Antriebskörperöffnung hindurchgeführte Welle in Rotation versetzbar ist.

DE 199 09 913 B4 beschreibt eine elektromechanische Antriebsvorrichtung mit zwei Lagerelementen, welche eine durch Öffnungen in den Lagerelementen führende Welle in Rotation versetzen. Eines der Lagerelemente weist einen integrierten Antriebskörper auf, welcher über einen Linearaktor in eine Schwingung relativ zu dem umgebenden Material des Lagerelements bzw. einem Gehäuse versetzt wird. Zwischen diesem Antriebskörper und der Welle besteht nur eine einzige umlaufende Berührungslinie.

US 4,814,660 A offenbart ebenfalls nur einen Antriebskörper andersartiger Konstruktion, welcher in einem abgeschrägten Bereich an einem anzutreibenden Element einer Welle bzw. einem eine Welle antreibenden Element anliegt. Die aneinander anliegenden Wandflächen, welche eine Kraftübertragung vorsehen, verlaufen unter demselben Winkel parallel zueinander.

EP 1 075 079 A1 zeigt einen piezoelektrischen Aktor, bei dem ein Linearaktor über einen Vorsprung an einer in Rotation zu versetzenden Welle anliegt. Es handelt sich somit um eine gänzlich andersartige Konstruktion einer Antriebsvorrichtung.

EP 0 923 144 A2 beschreibt einen gänzlich andersartig aufgebauten Festkörperaktorantrieb. Bei diesem sind auf einem Sockel drei oder mehr säulenförmige Elemente aufgesetzt, welche in ihren dem Sockel zugewandten Abschnitten Festkörperaktoren aufweisen. Dadurch werden die dem Sockel beabstandeten Enden der säulenförmigen Elemente in eine Vibration versetzt, welche eine auf diesen aufliegende Kugel zu einer Rotation veranlasst. Den mindestens drei Antriebskörpern ist jeweils nur ein einzelner Berührungsbereich zu der Kugel zugeordnet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung bereitzustellen, welche eine effektivere Kraftübertragung und damit höhere Drehmomente im Abtrieb ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Bevorzugt wird demgemäß eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung zum Antreiben einer Welle in Rotation um deren Wellenachse mit einem Antriebskörper und mit zumindest zwei Festkörperaktoren, die am Antriebskörper angeordnet sind zum Versetzen des Antriebskörpers in eine umlaufende Verschiebebewegung zum Antreiben der Welle. Dabei steht ein linien- oder streifenförmig umlaufender Wellen-Umfangsbereich der Welle in einem längs des umlaufenden Wellen-Umfangsbereichs wandernden Kontaktabschnitt in Reibkontakt mit einem Wandungs-Kontaktabschnitt, der längs eines linien- oder streifenförmig umlaufenden Wandungs-Umfangsbereichs des Antriebskörpers wandert. Ein weiterer, zweiter linien- oder streifenförmig umlaufender Wellen-Umfangsbereich der Welle steht in einem längs des umlaufenden Umfangsbereichs wandernden Kontaktabschnitt in Reibkontakt mit einem weiteren längs eines weiteren linien- oder streifenförmig umlaufenden Wandungs-Umfangsbereichs wandernden Wandungs-Kontaktabschnitt. Mit anderen Worten sind am Außenumfang der Welle zwei linien- oder streifenförmig umlaufende Wellen-Umfangsbereiche ausgebildet. Außerdem sind am Antriebskörper zwei entsprechende linien- oder streifenförmig umlaufende Wandungs-Umfangsbereiche ausgebildet. Jeder der beiden Wellen-Umfangsbereiche der Welle steht in Reibkontakt mit dem entsprechend gegenüberliegenden Wandungs-Umfangsbereich des Antriebskörpers. Dadurch entsteht an den beiden Wellen-Umfangsbereichen jeweils ein Kontaktabschnitt und an den beiden Wandungs-Umfangsbereichen entsteht jeweils ein Wandungs-Kontaktabschnitt. Die beiden Kontaktabschnitte der Welle stehen in Reibkontakt mit dem entsprechend gegenüberliegenden der beiden Wandungs-Kontaktabschnitte des Antriebskörpers.

Bevorzugt wird insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei welcher zwischen den beiden Kontaktabschnitten an einer Wellen-Wandung kein Reibkontakt, insbesondere keine Berührung zu einer gegenüberliegenden Antriebskörper-Wandung des Antriebkörpers besteht.

Bevorzugt wird insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei welcher eine Wellenkontur der Welle zwischen den Wellen-Umfangsbereichen konvex und/oder von der Wellenachse weg ausgebuchtet verlaufend ausgebildet ist und eine der Wellenkontur gegenüberliegende Wandungskontur des Antriebskörpers zwischen den Wandungs-Umfangsbereichen konkav und/oder in den Antriebskörper eingebuchtet verlaufend ausgebildet ist.

Bevorzugt wird insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei welcher eine Wellenkontur der Welle zwischen den Wellen-Umfangsbereichen einen nach außen ragenden stumpfen Winkel aufweist, dessen Winkelspitze mit einer gegenüberliegenden Antriebskörper-Wandung des Antriebskörpers an dessen Wandungs-Umfangsbereich in Reibkontakt gelangt. Bevorzugt wird dabei eine Antriebsvorrichtung, bei welcher eine Wellenkontur der Welle zwischen den Wellen-Umfangsbereichen konkav und/oder zur Wellenachse hin eingebuchtet verlaufend ausgebildet ist und eine der Wellenkontur gegenüberliegende Antriebskörper-Wandung des Antriebskörpers zwischen den Wandungs-Umfangsbereichen konvex und/oder aus dem Antriebskörper ausgebuchtet verlaufend ausgebildet ist.

Bevorzugt wird insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei welcher eine Wandungskontur des Antriebskörpers zwischen den Wandungs-Umfangsbereichen einen nach außen ragenden stumpfen Winkel aufweist, dessen Winkelspitze mit der gegenüberliegenden Wellen-Wandung der Welle an deren Wellen-Umfangsbereichen in Reibkontakt gelangt.

Bevorzugt wird insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei welcher in einem Wellenkonturbereich unter einem ersten Winkel nicht parallel und nicht senkrecht zur Wellenachse die Wellen-Umfangsbereiche verlaufen, in einem Wandungs-Konturbereich unter einem zweiten Winkel nicht parallel und nicht senkrecht zu Wellenachse und nicht parallel zur Antriebskörperachse die Wandungs-Umfangsbereiche des Antriebskörpers verlaufen und der erste Winkel ungleich dem zweiten Winkel ist.

Bevorzugt wird insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei welcher in den Kontaktabschnitten wirkende Reibkräfte mit einer Kraftkomponente nicht senkrecht zur Rotationsachse der Welle und des Antriebskörpers wirken.

Bevorzugt wird insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei welcher die erste Reibkraft des ersten der beiden Kontaktabschnitte der jeweils beiden Umfangsbereiche unter einem Winkel kleiner 90° zur Rotationsachse und die zweite Reibkraft des zweiten der beiden Kontaktabschnitte unter einem Winkel größer 90° zur Rotationsachse wirkt.

Bevorzugt wird insbesondere eine Festkörperaktoren-Antriebsvorrichtung, bei welcher die Welle eine axiale Durchtrittsöffnung aufweist, wobei der Antriebskörper in der axialen Durchtrittsöffnung eingesetzt ist und der runde Außenumfang des Antriebskörpers mit einem Innenumfang der Durchtrittsöffnung an den Kontaktabschnitten in Reibkontakt steht.

Bevorzugt wird alternativ insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei welcher der Antriebskörper eine Durchgangsöffnung aufweist, in welche die Welle hineinragt oder durch welche die Welle hindurchfährt. Bevorzugt wird dabei insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei welcher der Antriebskörper aus zumindest zwei Antriebskörperteilen ausgebildet ist, wobei die beiden Antriebskörperteile im zusammenmontierten Zustand in einem Bereich benachbart aneinander liegen, welcher die Antriebskörper-Umfangsbereiche zur Montage voneinander trennt. Bevorzugt wird insbesondere ein Verfahren zur Montage einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei dem die Welle in der Durchgangsöffnung eines der Antriebskörperteile eingesetzt wird und danach das zweite Antriebskörperteil mit dessen Durchgangsöffnung über die Welle geschoben und an dem ersten Antriebskörperteil oder in axialer Richtung relativ zu diesem festgelegt wird.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine seitliche Ausschnittansicht einer bevorzugten Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,

2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine solche Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,

3 eine seitliche Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,

4, 5 Schnittansichten von Ausschnitten weiterer alternativer Ausführungsformen,

6 schematisch einen Kraftfluss in einem Kontaktbereich einer solchen Anordnung,

7 einen vergrößerten Ausschnitt zur Veranschaulichung eines auszuschließenden Winkelverhältnisses und

8A-8C Ansichten eines zweiteiligen Antriebskörpers zum Ermöglichen einer Montage einer solchen Festkörperaktoren-Antriebsvorrichtung.

Wie aus 1 und 2 ersichtlich, besteht eine bevorzugte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung aus einem Antriebskörper 1 mit einer zentralen Durchgangsöffnung 10, einer Welle 2, welche durch die Durchgangsöffnung 10 hindurchführt, und zumindest zwei Festkörperaktoren 3, welche mit dem Antriebskörper 1 in Wirkverbindung stehen, um den Antriebskörper 1 in eine umlaufende Verschiebebewegung zu versetzen. Die Welle 2 weist einen geringeren Außendurchmesser als ein Innendurchmesser der Durchgangsöffnung 10 auf. Die Anordnung des Antriebskörpers 1 zu der Welle 2 ist im Betriebszustand der Festkörperaktoren 3 derart, dass die Welle 2 mit ihrem Außenumfang vorzugsweise immer in einem Kontaktabschnitt 4 mit dem Innenumfang bzw. der Wandung der Durchgangsöffnung 10 des Antriebskörpers 1 in Reibkontakt steht.

Die Festkörperaktoren sind am Außenumfang des Antriebskörpers 1 vorzugsweise fest befestigt, z. B angeschweißt, und in einer Ebene x, y senkrecht zur Wellenachse X der Welle 2 derart angeordnet, dass sie den Antriebskörper 1 in die umlaufende Verschiebebewegung versetzen können. Die Rotations- bzw. Wellenachse X der Welle 2 erstreckt sich vorzugsweise längs einer Koordinate z senkrecht zu der aufgespannten Ebene x, y.

Das Antreiben der drehbar gelagerten Welle 2 erfolgt somit durch Abrollen auf der Innenseite des durch die Festkörperaktoren periodisch kreisförmig verschobenen Antriebsrings bzw. Antriebskörpers 1. Zum Erzeugen der kreisförmigen Verschiebebewegung des Antriebskörpers 1 werden die beiden Festkörperaktoren 3 z. B. mit zwei um 90° phasenverschobenen sinusförmigen Spannungssignalen gleicher Spitzenamplitude angesteuert, so dass die Spannungssignale ähnlich Lissajous-Figuren abbildbar sind. Auf der dem Kontaktabschnitt 4 gegenüberliegenden Seite befindet sich zwischen der Welle 2 und dem Innenumfang des Antriebskörpers 1 ein Spalt s. Das Spaltmaß des Spalts s zwischen der Welle 2 und der Innenfläche des Antriebskörpers 1 ist in Verbindung mit den Eigenschaften der Festkörperaktoren und dem Aufbau sowie der Dimensionierung des Antriebs so ausgelegt, dass während jeder Phase der Abrollbewegung ein starker Reibschluss zwischen der Welle 2 und dem Antriebskörper 1 besteht. Insbesondere gilt dies vorzugsweise auch für den Zustand des ausgeschalteten Antriebs, bei dem beide Festkörperaktoren entladen sind. Die Antriebskörperachse Y ist dabei im Idealfall stets parallel zu der Wellenachse X verlaufend angeordnet und bewegt sich im Betrieb kreisähnlich um die Wellenachse X.

Wie dies für sich genommen bekannt ist, besteht ein beispielhafter Piezo-Motor als eine solche Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung aus mindestens einer mechanischen Grundplatte 5, in welcher die Welle 2, welche eine Motorwelle ausbildet, mittels eines Lagers möglichst spielfrei geführt ist. Als Antriebselemente dienen die Festkörperaktoren 3, welche vorzugsweise durch piezoelektrische Niedervolt-Vielschicht-Aktuatoren (PMA: Piezoelektrische-Multilayer-Aktuatoren) in Niedervolttechnik ausgebildet sind. Diese PMA werden von einem elektrischen Verstärker über elektrische Zuleitungen 30 angesteuert. Alternativ können als Antriebselemente aber auch beliebige andere Festkörperaktoren eingesetzt werden, z. B. elektromagnetische, elektrodynamische, elektrostriktive oder magnetostriktive Aktoren. Durch die elektrische Ansteuerung dehnen sich die Festkörperaktoren 3 gemäß dem Verhalten eines piezoelektrischen Längsaktors näherungsweise proportional zu der angelegten elektrischen Spannung in deren axialer Richtung aus.

Die Festkörperaktoren 3 sind zwischen einer Kopfplatte 31, die außenseitig einen Stößel 32 aufweist, einem Lagerbock 33 und einer mechanisch möglichst weichen, insbesondere geschlitzten Rohrfeder 34 unter hoher mechanischer Druckvorspannung eingespannt. Die mechanische Druckvorspannung eines jeden der Festkörperaktoren 3 dient einerseits zur Vermeidung einer Schädigung der Festkörperaktoren 3 durch Zugspannungskräfte, welche ab bestimmten Frequenzen im Dauerbetrieb auftreten können, und andererseits zur Rückstellung der Festkörperaktoren 3, wenn diese elektrisch entladen werden. Da der Hub des Festkörperaktors 3 durch die Rohrfeder 34 verringert wird, sollte die Rohrfeder 3 in Bezug auf die Steifigkeit des Festkörperaktors 3 eine möglichst kleine Federkonstante aufweisen. Beispielsweise beträgt bei einem Piezo-Aktor 3 mit 7 × 7 × 30 mm die mechanische Steifigkeit cPiezo = 50 N/&mgr;m und bei einer Federrate der Schlitzrohrfeder 34 mit einer mechanischen Steifigkeit cFeder = 3 N/&mgr;m der durch die Rohrfeder bedingte Hubverlust (1 – 50/53)·100% = 5,7%.

Eine dauerhafte feste Verbindung der Festkörperaktoren 3 bzw. der stirnseitigen Stößel 32 an dem Antriebskörper 1 erfolgt beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Auch die Verbindung der einzelnen Komponenten Lagerbock 33, Rohrfeder 34, Kopfplatte 31 und Stößel 32 kann durch Schweißverbindungen erfolgen. Der Lagerbock 33 kann mit der Grundplatte 5 beispielsweise über ein Langloch 35 ausgerichtet verschraubt werden. Prinzipiell kann auch diese Verbindung mit anderen Mitteln, beispielsweise durch Verschweißung der Lagerbocks mit der Grundplatte 5 ausgebildet werden.

Der Antriebskörper 1 wird als zentrale Komponente des Piezo-Motors vorzugsweise durch einen möglichst steifen und massearmen konzentrischen Antriebsring ausgebildet, welcher einen etwas größeren Durchmesser als die Welle 2 aufweist. Der Antriebskörper 1 ist mit den Stößeln 32 derart fest verbunden, dass er zur Grundplatte 5 einen ausreichenden Abstand aufweist, so dass der Antriebskörper 1 über der Grundplatte 5 frei beweglich angeordnet ist. Die mit der Grundplatte 5 über die Lagerblöcke 33 fest verbundenen Festkörperaktoren 3 sind in der Ebene x, y parallel zur Grundplatte 5 in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet, wobei ihre Hauptwirkrichtung vorzugsweise aber nicht notwendig auf den Mittelpunkt des Antriebskörpers 1 gerichtet ist.

Typischerweise wird die Festkörperaktoren-Antriebsvorrichtung derart justiert, dass beim Anlegen einer Gleichspannung U = Umax/2 der Antriebskörper 1 und die Welle 2 konzentrisch zueinander ausgerichtet liegen. Im Betrieb werden die beiden Festkörperaktoren 3 mit 90° Phasenverschiebung moduliert gemäß U1 = Umax/2 + (Umax/2)·sin(&ohgr;t) = (Umax/2)·(1 + sin(&ohgr;t)) bzw. U2 = Umax/2 + (Umax/2)·sin(&ohgr;t + &pgr;/2) = (Umax/2)·(1 + sin (&ohgr;t + &pgr;/2)) mit U1, U2, als den Spannungen, welche an den Festkörperaktoren 3 angelegt werden, Umax als der Basisspannung bzw. maximalen Spannung des Verstärkers und &ohgr; als der Translationsfrequenz der Antriebskörperachse Y. Dies führt zu einer Translationsbewegung des Antriebskörpers 1 auf einer Kreisbahn. Gleichzeitig rollt die Welle 2 auf Grund von Friktion bzw. auf Grund des Reibkontakts im Kontaktabschnitt 4 auf der Wandung der Durchgangsöffnung 10 des Antriebskörpers 1 ab.

Die mechanische Rotations-Kreisfrequenz &OHgr; steht dabei zur elektrischen Ansteuer-Kreisfrequenz &ohgr; der Festkörperaktoren 3 und damit der Translationsfrequenz des Antriebskörpers 1 in Beziehung gemäß &OHgr; = &ohgr; 2s/d2 mit d2 als einem Durchmesser der Welle 2 in einer Ebene des Kontaktabschnitts zwischen der Welle 2 und dem Antriebskörper 1. Das effektive Spaltmaß bzw. Spaltspiel 2s folgt aus der Durchmesserdifferenz des Außendurchmessers d2 der Welle 2 und eines Innendurchmessers d1 des Antriebskörpers 1 in der Ebene des Kontaktabschnitts 4 gemäß 2s = d1 – d2.

Ein Belastungsmoment für die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung würde versuchen, die Welle 2 entgegen der eigentlichen Richtung zu drehen. Dies wird durch das Anpressen des Antriebskörpers 1 an die Welle 2 während der Auslenkung verhindert. Die maximal tangentiale Gegenkraft und damit das maximale Motor- bzw. Antriebsvorrichtungs-Drehmoment M wird durch eine Reibung zwischen der Welle 2 und dem Antriebskörper 1 bestimmt. Zur Abschätzung der Anpresskraft wird beispielsweise der erste der Festkörperaktoren 3 mit Umax/2 auf eine mittige Position angesteuert und der zweite Festkörperaktor 3 mit einer maximalen Spannung Umax angesteuert, was einem Nullsetzen der Zeit t = 0 in den Formeln zu U1, U2 entspricht. Nach Überwinden des Spaltes s kann der zweite Festkörperaktor 3 seine verbleibende Kraft als Normalkraft FN einsetzen. In Abhängigkeit der Auslenkung gilt für die Normalkraft FN(s) = FB(U = Umax) (0,5 – s/s0) mit s0 als Leerlaufauslenkung des Festkörperaktors 3 mit z. B. 40 – 50 &mgr;m und FB als Blockierkraft, welche vom Festkörperaktor 3 als bei der Spannung maximale übertragbare Kraft wirkt mit z. B. 1.000,00 – 2.500,00 N bei ca. 2 kV/mm Feldstärke je nach Bauform. Über die Beziehung FR = FN·&mgr; ist die maximale tangentiale Kraft als Reibkraft FR Und damit das Drehmoment bestimmt. Dabei entspricht &mgr; dem Reibkoeffizienten zwischen den Materialien der Welle 2 und des Antriebskörpers 1, für Stahl auf Stahl z. B. 0,15. Bei beispielsweise einem Spalt von 10 &mgr;m und einer beispielhaften typischen Blockierkraft FB des Festkörperaktors 3 von 2200 N folgt ein Kraftwert FR von etwa 550 N (FN)·0,15 (&mgr;) = 82,5 N. Bei einem Durchmesser d2 der Welle 2 von 10 Millimetern folgt daraus ein Drehmoment von 0,41 Nm. Dabei wird idealerweise eine steife Lagerung der Welle 2 und ein steifer Antriebskörper 1 bevorzugt vorausgesetzt.

Aus den Beispielen folgt, dass die wirksame Durchmesserdifferenz des Antriebskörpers 1 und der Welle 2, welche sich über den Spalt s bzw. das Spaltspiel angeben lässt, in entscheidendem Maße die Leistungsdaten der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung bestimmt. Das maximale Drehmoment eines derart aufgebauten reibschluss-basierten Piezo-Motors ist durch die endlichen Normalkräfte FN im Bereich von typischerweise 500 N begrenzt. Um höhere Drehmomente zu erreichen, insbesondere um die erreichbare Normalkraft und damit die maximal übertragbare Tangentialkraft um gegebenenfalls ein Mehrfaches zu steigern, wird der Aufbau der Welle 2 und des Antriebskörpers 1 ausgestaltet, wie dies beispielsweise in 1 sowie der dazu skizzierten Ausschnittsvergrößerung veranschaulicht ist.

Gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungsform gemäß 1 weist die Welle 2 einen umlaufenden seitlichen Vorsprung 21 auf, welcher in eine umlaufende Ausnehmung 11 in der Wandung der Durchgangsöffnung 10 des Antriebskörpers 1 hineinragt. In dem Kontaktabschnitt 4, in welchem eine Wellen-Wandung 22 der Welle 2 und eine Antriebskörper-Wandung 12 des Antriebskörpers 1 in Reibkontakt stehen, verläuft eine der beiden Wandungen 12, 22 auf die andere der beiden Wandungen 22, 12 gewölbt oder unter einem Winkel zu, so dass nur ein punktförmiger oder möglichst schmaler Wellen- und Wandungs-Kontaktabschnitt mit Reibkontakt entsteht. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform weist der Außenumfang der Wellen-Wandung 22 der Welle 2 in diesem Bereich einen stumpfen Winkel &dgr; auf, während die Antriebskörper-Wandung 12 geradlinig ausgebildet ist.

Auf Grund der Anordnung des umlaufenden Vorsprungs 21 der Welle 2, welcher in die umlaufende Ausnehmung 11 des Antriebskörpers 1 hineinragt, wobei insbesondere ein symmetrischer Aufbau um die Ebene x, y senkrechte zur Rotationsachse X bevorzugt wird, bildet sich zusätzlich zu einem in der Zeichnungsdarstellung oberen ersten solchen Kontaktabschnitt 4 ein unterer zweiter solcher Kontaktabschnitt 4 aus.

Da sich die Welle 2 bei der Rotation umlaufend längs der Wandung des Antriebskörpers 1 entlangbewegt, ergeben sich auf Höhe der beiden Kontaktabschnitte 4 zwei linien- oder streifenförmige umlaufende Wellen-Umfangsbereiche 23 an der Wellen-Wandung 22 sowie zwei entsprechend gegenüberliegende linien- oder streifenförmige umlaufende Antriebskörper-Umfangsbereiche 13 längs der Antriebskörper-Wandung 12. Die Kontaktabschnitte 4 bewegen sich als Wellen-Kontaktabschnitte längs der Wellen-Umfangsbereiche 23 und als Wandungs-Kontaktabschnitte längs der Antriebskörper-Umfangsbereiche 13.

Die 1 und 3 bis 5 zeigen vier verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Ausgestaltung der Wellen-Wandung 22 und der entsprechenden Antriebskörper-Wandung 12. Gemäß 1 weist die Wellen-Wandung 22 den stumpfen Winkel &dgr; auf, welcher an der beispielsweise geradlinig ausgebildeten Antriebskörper-Wandung 12 anliegt. Um eine Kraftübertragung FN in schräg-seitlicher Richtung oberseitig und unterseitig der Rotationsebene x, y zu ermöglichen, verläuft die Antriebskörper-Wandung 12 dabei unter einem Winkel &agr; ungleich der Senkrechten zur Wellenachse X der Welle 2 und nicht parallel zur Wellenachse X.

3 zeigt eine Ausführungsform, bei der gegenüber 1 die Wellen-Wandung 22 einen nach außen gekrümmten bzw. konvexen Verlauf mit einem Krümmungsradius r aufweist. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Wellen-Wandung 22 geradlinig und unter einem Winkel &agr; ungleich der Senkrechten zur Rotationsachse X der Welle 2 verläuft, wobei die Antriebskörper-Wandung 12 einen stumpfen Winkel &dgr; in Richtung der Wellen-Wandung 22 aufweist. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Antriebskörper-Wandung 12 anstelle eines stumpfen Winkels &dgr; gemäß 4 einen konvexen bzw. gekrümmten Verlauf mit einem Krümmungsradius r in Richtung der Wellen-Wandung 22 aufweist. Gemäß weiterer Ausführungsformen können auch sowohl die Wellen-Wandung 22 als auch die Antriebskörper-Wandung 12 unter Winkeln ungleich der Senkrechten zu der Rotationsachse X der Welle 2 verlaufen und beide mit stumpfen Winkeln oder konvexen bzw. konkaven Krümmungen ausgebildet sein, so lange die Symmetrie zwei parallel zur Rotationsachse X übereinander liegende Kontaktabschnitte 4 ausbildet, um u. a. eine axiale Kraft auf die Welle 2 zu vermeiden.

6 zeigt das Prinzip der Kraftübertragung unter Nutzung einer Prismenführung. Ein beispielhaft die Welle 2 vertretender Probekörper mit einem Gewicht FG wird dabei von einer Prismenführung abgestützt, welche die innenseitige Wandung des Antriebskörpers 1 repräsentiert. Die auf das Prisma wirkenden Normalkräfte FN1, FN2 stehen mit dem Öffnungswinkel &bgr; in tangentialer Beziehung gemäß FN = FG·1/tan(&bgr;/2).

Durch entsprechend geringe Anstellwinkel &bgr; kann eine starke Erhöhung der Normalkräfte bewirkt werden. Die Normalkräfte versuchen die Führungsrinne zu verbreitern bzw. aufzubiegen, weshalb der Führungskörper entsprechend steif gebaut werden sollte.

Das Prinzip lässt sich auf die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung übertragen, indem durch die Erhöhung der Normalkräfte FN1, FN2 entsprechend höhere Reibungs-Tangentialkräfte FN übertragen werden können. Dies wird durch die wirkende Reibungskraft FN in den Ausschnittsvergrößerungen der 1 und 3 bis 5 dargestellt.

Gemäß einfacher Ausführungsform hat somit die Welle 2 in der Längsmitte eine Verdickung, welche in radialer Richtung zwei symmetrisch, insbesondere spiegelbildlich symmetrisch angeordnete und geneigte Kontaktflächen als die Wellen-Wandungen 22 aufweist, wie dies in 1 skizziert ist. Um die Welle 2 herum ist der möglichst steife Antriebskörper 1 gebaut, welcher durch die vorzugsweise ebenfalls geneigte Antriebskörper-Wandung 12 entsprechende Gegenkontaktflächen aufweist.

Wichtig für die Anordnung der beiden Kontaktabschnitte ist, dass diese auf einer achsparallelen Linie zu der Rotationsachse X der Welle 2 bzw. der Längs- bzw. virtuellen Rotationsachse Y des Antriebskörpers 1 möglichst genau liegen und sich seitlich zu dieser achsparallelen Linie möglichst wenig weit erstrecken, um störende Reibung oder gar eine Blockierung zu verhindern. Bei einer solchen Anordnung wird der Antriebskörper 1 gemäß dem Ring-Motor-Prinzip kreisförmig translatiert. Dadurch kommt es zur Ausbildung einer Kontaktzone zwischen dem Antriebskörper 1 und der Welle 2 an den entsprechenden Kontaktflächen bzw. Kontaktabschnitten auf dem Wellen-Umfangsbereich 23 der Welle 2 bzw. dem Wandungs-Umfangsbereich 13 des Antriebskörpers 1.

Um die Flächenpressung niedrig zu halten, möglichst im elastischen Bereich, wäre es günstig, die beiden Kontaktflächen bzw. Kontaktabschnitte genau parallel auszubilden. Auf Grund der kinematischen Randbedingung des Abrollens des Antriebskörpers auf der Welle ist dies jedoch nicht möglich bzw. würde dies zu einem Verspannen von Antriebskörper 1 und Welle 2 führen, wie dies aus 7 ersichtlich ist. In 7 verlaufen die Wellenwandung 22 der Welle 2 und die Antriebskörper-Wandung 12 des Antriebskörpers 1 parallel zueinander. Die Welle 2 rotiert dabei mit einer mechanischen Frequenz &OHgr;, während der ringförmige Antriebskörper 1 mit einer Antriebskörperfrequenz &ohgr; auf einer Kreisbahn nicht rotiert sondern translatiert. 7 zeigt zwei beliebige Kontaktpunkte k1, k2, welche in radialer Richtung unterschiedlich weit von der Rotationsachse X der Welle 2 beabstandet sind. Ein Abrollen wäre bei einer solchen Anordnung nur möglich, wenn in beiden Kontaktpunkten k1, k2 ein gleiches Übersetzungsverhältnis vorliegt. Offensichtlich weisen die beiden Kontaktpunkte k1, k2 jedoch unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse bzw. Radiusverhältnisse auf. Dies führt zu Verspannungen und behindert bzw. blockiert das Abrollen der Welle 2.

Zur Vermeidung dieses Problems werden die Wellen-Wandung 22 und die Antriebskörper-Wandung 12 derart mit einer Wellenkontur bzw. einer Antriebskörperkontur ausgebildet, dass diese oberhalb und unterhalb einer Symmetrieebene x, y senkrecht zur Rotationsachse X der Welle 2 jeweils nur einen Kontaktabschnitt längs des entsprechenden Wellen-Umfangsbereichs 23 der Welle 2 bzw. längs des Wandungs-Umfangsbereichs 13 des Antriebskörpers 1 aufweisen. Außerdem liegen im Falle zweier solcher Kontaktabschnitte die beiden Kontaktabschnitt achsparallel übereinander, wie dies beispielsweise in den 1 und 3 dargestellt ist. Die eigentlichen Kontaktflächen werden dabei durch eine gekrümmte Ausgestaltung der Wellenkontur bzw. der Antriebskörperkontur oder durch die Ausbildung einer entsprechenden Wellenkontur bzw. Antriebskörperkontur mit einem stumpfen Winkel auf einen kleinen Bereich reduziert. Bei einer derartigen Anordnung liegt in diesem kleinen Bereich ein nahezu identisches Übersetzungsverhältnis der beiden Kontaktabschnitte vor.

Vorteilhafterweise wird die durch eine möglichst gering gehaltene Kontaktfläche in den Kontaktabschnitten erhöhte Flächenpressung durch Einsatzhärtung bzw. Randzonenhärtung oder durch Carbo-Nitirierung oder durch andere geeignete Maßnahmen zur Oberflächenhärtung ausgeglichen, um einem erhöhten Verschleiß bei Verringerung der wirkenden Flächen entgegenzuwirken.

Auf Grund der symmetrischen Anordnung der beiden Kontaktflächen auf sowohl dem Antriebskörper 1 als auch der Welle 2 werden keine hohen resultierenden Axialkräfte erzeugt. Jedoch versuchen die Kräfte den Antriebskörper aufzuweiten, so dass als Gegenmaßnahme vorteilhafterweise eine steife Konstruktion gewählt wird. Durch den Einsatz von Festkörperaktoren mit einem entsprechend sehr geringen Hub müssen die Welle 2 und der Antriebskörper 1 jedoch effektiv keine großen Aufweitungen sondern vorzugsweise nur Aufweitungen von einigen 10-tel Millimetern berücksichtigen, was die entsprechenden Konstruktionsanforderungen reduziert.

Wie dies auf 1 und 3 ersichtlich ist, wird der sich seitlich nach außen erstreckende Bereich der Welle 2 vollständig von den Wandungen des Antriebskörpers 1 umschlossen. Zur Montage wird daher ein vorzugsweise zweiteiliger Antriebskörper bereitgestellt oder ein Antriebskörper zwei geteilt bereitgestellt.

8A zeigt einen beispielhaften Antriebskörper aus einem ersten und einem zweiten Antriebskörperteil 16, zwischen denen ein Einsatzteil 17 angeordnet ist. 8B zeigt eine Draufsicht auf das untere der Antriebskörperteile 16 sowie die im Schnitt dargestellte Welle 2. Außerdem sind Bohrungen bzw. Durchgangsöffnungen 15 dargestellt, welche zur Aufnahme von Bolzen oder Schrauben zum abschließenden Verschrauben der Antriebskörperteile 16 und gegebenenfalls des dazwischen angeordneten Einsatzteils 17 dienen. 8C zeigt eine seitliche Schnittdarstellung durch einen solchen zusammengesetzten Antriebskörper, wobei zusätzlich ein an einer der Seiten angesetzter Festkörperaktor 3 skizziert ist. Da bei dieser Darstellung keine eingesetzte Welle skizziert ist, sind außerdem die Wandungs-Umfangsbereiche 13 des Antriebskörpers 1 erkennbar, längs welcher der Kontaktabschnitt zu einem entsprechenden Abschnitt des gegenüberliegenden Wellen-Umfangsbereichs 23 der Welle 2 wandert.

Zur Montage werden zwei besonders bevorzugte Herstellungsverfahren vorgeschlagen. Gemäß dem ersten Verfahren werden die beiden Antriebskörperteile 16 als eigenständige Komponenten gefertigt und bereitgestellt. In das erste der beiden Antriebskörperteile 16 wird dann die Welle eingesetzt, woraufhin das zweite Antriebskörperteil 16 mit seiner Durchgangsöffnung 10 über die Welle geschoben wird. Abschließend werden die beiden Antriebskörperteile 16 drehfest aneinander festgelegt. Zum formschlüssigen Festlegen der beiden Antriebskörperteile 16 aneinander dient vorzugsweise eine Schweiß- und/oder Schraubverbindung. Zum Anpassen an in axialer Richtung verschieden dimensionierter Wellen können vorteilhafterweise Einsatzteile, insbesondere ringförmige Einsatzteile 17 bei der Montage zwischen den beiden Antriebskörperteilen 16 eingesetzt werden. Die Einsatzteile 17 können als entsprechend geeignete Passelemente bzw. Justageelemente bereitgestellt werden. Alternativ einsetzbar ist der Einsatz eines so genannten „Fracture-Splitting". Dabei werden Teile definiert an Sollbruchflächen getrennt. Die entstehenden Oberflächenstrukturen passen dann mikrometergenau ineinander.

Gemäß eines weiteren Herstellungsverfahrens zur Montage einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung erfolgt die Fertigung der Antriebskörperteile 16 durch Aufspannung auf einer Drehmaschine mit Hilfe von Innendrehwerkzeugen und anschließender Trennung in die beiden Antriebskörperteile. Die Trennung kann dabei vorzugsweise in achsparalleler Richtung oder in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse X, Y durchgeführt werden. Eine Trennung senkrecht zur Rotationsachse X, Y bietet dabei gegenüber einer Trennung in Achsrichtung Steifigkeitsvorteile. Vor der Trennung können vorteilhafterweise Justierstifte eingebracht werden. Zusätzlich oder alternativ können nachträglich Abstandshalter bzw. Einlagen in Form eines oder mehrerer Einsatzteile 17 zur Justage verbaut werden. Dadurch kann eine Fertigung des in zwei Antriebskörperteile 16 unter Materialverlust zu trennenden Antriebskörpers mit vorherigem Übermaß vermieden werden.


Anspruch[de]
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung zum Antreiben einer Welle (2) in Rotation (&OHgr;) um deren Wellenachse (X) mit

– einem Antriebskörper (1), wobei ein linien- oder streifenförmig umlaufender Wellen-Umfangsbereich (23) der Welle (2) in einem längs des umlaufenden Wellen-Umfangsbereichs (23) wandernden Kontaktabschnitt (4) in Reibkontakt steht mit einem längs eines linien- oder streifenförmig umlaufenden Wandungs-Umfangsbereichs (13) des Antriebskörpers (1) wandernden Wandungs-Kontaktabschnitt, und

– zumindest zwei Festkörperaktoren (3), die am Antriebskörper (1) angeordnet sind zum Versetzen des Antriebskörpers (1) in eine umlaufende Verschiebebewegung zum Antreiben der Welle (2),

dadurch gekennzeichnet, dass

– ein weiterer linien- oder streifenförmiger umlaufender Wellen-Umfangsbereich (23) der Welle (2) in einem längs des umlaufenden Umfangsbereichs wandernden Kontaktabschnitt (4) in Reibkontakt steht mit einem weiteren längs eines weiteren linien- oder streifenförmig umlaufenden Wandungs-Umfangsbereichs (23) wandernden Wandungs-Kontaktabschnitt des Antriebskörpers (1),

– zwischen den beiden Kontaktabschnitten (4) an einer Wellen-Wandung (22) kein Reibkontakt zu einer gegenüberliegenden Antriebskörper-Wandung (12) des Antriebkörpers (1) besteht und

– in einem Wellenkonturbereich unter einem ersten Winkel (&agr;) nicht parallel und nicht senkrecht zur Wellenachse (X) die Wellen-Umfangsbereiche (23) verlaufen,

– in einem Wandungs-Konturbereich unter einem zweiten Winkel nicht parallel und nicht senkrecht zu Wellenachse (X) und nicht parallel zur Antriebskörperachse (Y) die Wandungs-Umfangsbereiche (13) des Antriebskörpers (1) verlaufen und

– der erste Winkel (&agr;) ungleich dem zweiten Winkel ist.
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher zwischen den beiden Kontaktabschnitten (4) an einer Wellen-Wandung (22) keine Berührung zu einer gegenüberliegenden Antriebskörper-Wandung (12) des Antriebkörpers (1) besteht. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher

– eine Wellenkontur der Welle (2) zwischen den Wellen-Umfangsbereichen (23) konvex und/oder von der Wellenachse (X) weg ausgebuchtet verlaufend ausgebildet ist und

– eine der Wellenkontur gegenüberliegende Wandungskontur des Antriebskörpers (1) zwischen den Wandungs-Umfangsbereichen (13) konkav und/oder in den Antriebskörper (1) eingebuchtet verlaufend ausgebildet ist.
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher eine Wellenkontur der Welle (2) zwischen den Wellen-Umfangsbereichen (23) einen nach außen ragenden stumpfen Winkel (&dgr;) aufweist, dessen Winkelspitze mit einer gegenüberliegenden Antriebskörper-Wandung (12) des Antriebskörpers (1) an dessen Wandungs-Umfangsbereich (23) in Reibkontakt gelangt. Festkörperaktoren-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher

– eine Wellenkontur der Welle (2) zwischen den Wellen-Umfangsbereichen (23) konkav und/oder zur Wellenachse (X) hin eingebuchtet verlaufend ausgebildet ist und

– eine der Wellenkontur gegenüberliegende Antriebskörper-Wandung (12) des Antriebskörpers (1) zwischen den Wandungs-Umfangsbereichen (13) konvex und/oder aus dem Antriebskörper (1) ausgebuchtet verlaufend ausgebildet ist.
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 5, bei welcher eine Wandungskontur des Antriebskörpers (1) zwischen den Wandungs-Umfangsbereichen (13) einen nach außen ragenden stumpfen Winkel (&dgr;) aufweist, dessen Winkelspitze mit der gegenüberliegenden Wellen-Wandung (22) der Welle (2) an deren Wellen-Umfangsbereichen (23) in Reibkontakt gelangt. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei welcher in den Kontaktabschnitten wirkende Reibkräfte (FN) mit einer Kraftkomponente nicht senkrecht zur Rotationsachse (X) der Welle (2) und des Antriebskörpers (1) wirken. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die erste Reibkraft des ersten der beiden Kontaktabschnitte der jeweils beiden Umfangsbereiche (13, 23) unter einem Winkel kleiner 90° zur Rotationsachse (X) und die zweite Reibkraft des zweiten der beiden Kontaktabschnitte unter einem Winkel größer 90° zur Rotationsachse (X) wirkt. Festkörperaktoren-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher die Welle eine axiale Durchtrittsöffnung aufweist, wobei der Antriebskörper in der axialen Durchtrittsöffnung eingesetzt ist und der runde Außenumfang des Antriebskörpers mit einem Innenumfang der Durchtrittsöffnung an den Kontaktabschnitten in Reibkontakt steht. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher der Antriebskörper (1) eine Durchgangsöffnung (10) aufweist, in welche die Welle (2) hineinragt oder durch welche die Welle (2) hindurchführt. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher der Antriebskörper (1) aus zumindest zwei Antriebskörperteilen (16) ausgebildet ist, wobei die beiden Antriebskörperteile (16) im zusammenmontierten Zustand in einem Bereich benachbart aneinander liegen, welcher die Antriebskörper-Umfangsbereiche (13) zur Montage voneinander trennt. Verfahren zur Montage einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 11, bei dem die Welle (2) in der Durchgangsöffnung (10) eines der Antriebskörperteile (16) eingesetzt wird und danach das zweite Antriebskörperteil (16) mit dessen Durchgangsöffnung (10) über die Welle (2) geschoben und an dem ersten Antriebskörperteil (16) oder in axialer Richtung relativ zu diesem festgelegt wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com