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.