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Die
Erfindung betrifft einen Aktor mit Anschlusselementen, zwischen
die zumindest zwei piezoaktive Elemente zwischengeschaltet sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung Verwendungen eines derartigen Aktors.
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Aktive
Werkstoffe bieten die Möglichkeit, sehr
kompakte, hochpräzise
und schnelle Linearaktoren zu bauen. Ausgeführt als Piezostapelaktoren oder
in Form dünner
Plättchen
finden insbesondere piezokeramische Materialien (PZT) eine breite
Anwendung in der Mikropositioniertechnik und zu einer Schwingungs-
und Lärmreduktion
an mechanischen Systemen. Eine der größten Einschränkung piezokeramischer
Aktoren (sowie anderer aktiven Werkstoffe mit hochdynamischen Eigenschaften)
sind die geringen Werte der maximal erreichbaren Hübe der Aktoren.
Typische Werte der aktiven Dehnung piezokeramischer Werkstoffe liegen
bei maximal 0,15 %, weshalb Hübe
in der Größenordnung
von Millimetern Längen
der Aktoren in der Größenordnung
von Metern erfordern, solange keine Vorrichtung zur Übersetzung
des Hubes eingesetzt wird.
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Aktive
Werkstoffe (auch unter der Bezeichnung intelligente Materialien,
Dehnstoffe, „smart
materials", usw.
bekannt) sind in der Lage, Energie aus einer externen Quelle in
mechanische Energie umzuwandeln und finden breiten Einsatz in der
Antriebstechnik. Kompakte Linearaktoren werden auf Basis piezokeramischer
Materialien von verschiedenen Herstellern angeboten, bspw. Unternehmen
Physik Instrumente (http://www.physikinstrumente.de), Marco (http://www.marco.de)
und CeramTec (http://www.ceramtec.de). Alternativ zu piezokeramischen
Werkstoffe können
zur Erzeugung schneller Bewegungen elektrostriktive sowie magnetostriktive Materialien
eingesetzt werden.
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Weiterhin
sind kumulative Vorrichtungen zur Vergrößerungen des Hubes für Piezoaktoren
aus der Literatur bekannt. Hierbei wird zwischen arbeitserhaltenden
und leistungserhaltenden Maßnahmen
zur Übersetzung
des Hubes unterschieden:
- – Für arbeitserhaltende Maßnahmen,
beispielsweise in Form von Hebelübersetzungen,
wird der Hub des Aktors erhöht,
was mit einer Verringerung der von dem Aktor erzeugten Kraft einhergeht.
- – Für leistungserhaltende
Maßnahmen,
beispielsweise in Form eines Piezowanderwellenmotors, wird der piezoelektrische
Aktor zu einer hochfrequenten Bewegung angeregt. Diese Bewegung wird
mittels einer geeigneten Vorrichtung in eine langsamere Bewegung
umgewandelt. Damit kann bei einer großen verbleibenden Kraft des
Aktors ein praktisch unbegrenzter Hub produziert werden. Die Bandbreite
des Antriebes verringert sich jedoch entsprechend.
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Die
Begriffe arbeitserhaltend und leistungserhaltend beziehen sich hierbei
auf ideale Übersetzungsmechanismen.
Im praktischen Fall treten immer Verluste auf, wie später noch
erläutert
werden wird.
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Arbeitserhaltende
Maßnahmen
zur Übersetzung
des Hubes, die auf dem Prinzip der Hebelübersetzung funktionieren, sind
beispielsweise aus den Druckschriften
DE 196 40 108 C1 ,
DE 198 12 786 A1 ,
DE 198 12 981 C2 ,
DE 103 08 294 A1 und
DE 10 2004 002 249
A1 bekannt. Ein alternatives Konzept zur arbeitserhaltenden Übersetzung
des Hubes basiert auf dem Prinzip der schiefen Ebene und ist in der
Druckschrift
DE 197
14 486 C2 offenbart. Eine hydraulische Übersetzung des Hubes ist aus
der Druckschrift
GB
2 193 386 A bekannt.
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Zu
den leistungserhaltenden Möglichkeiten der Übersetzung
des Hubes gehört
das sogenannte „Inch-Worm"-Prinzip, welches
beispielsweise in den Druckschriften
DE 101 48 267 A1 ,
DE 101 58 920 A1 und
DE 103 01 818 A1 beschrieben
ist. Bei einem nach dem „Inch-Worm"- Prinzip arbeitenden
Piezoschrittmotor erfolgt der Vorschub des Abtriebes durch diskrete
Einzelschritte, die der Ausdehnung oder Kontraktion des eingesetzten
piezoelektrischen Stellelementes entsprechen. Die Vorschubbewegung muss
dabei durch ein abwechselndes Klemmen und Freigeben des bewegten
Abtriebselementes unterstützt
werden.
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Ein
weiteres Prinzip ist das des Schwingungsmotors oder Ultraschallmotors.
Dabei werden in einem geradlinigen oder axialsymmetrischen Resonator
durch die Anregung mittels eines Festkörperaktors Schwingungswellen
hervorgerufen, die sich mittels Reibkräften auf einen Läufer bzw.
Rotor übertragen.
Das Prinzip des Schwingungsmotors ist u. a. aus den Druckschriften
DE 44 45 642 A1 ,
DE 44 08 618 B4 und
DE 196 48 726 C2 bekannt.
Piezoschrittmotoren erzeugen niedrige Schubkräfte, insbesondere mit bis zu
10 N, bei geringen Geschwindigkeiten, insbesondere 1,5 mm/s, vgl.
Burleigh, 2002: Datenblatt zum IW-800 Motor. Ultraschallmotoren
auf piezoelektrischer Basis sind wesentlich schneller, insbesondere
bis 1 m/s (vgl. Hermann, M. 1998. „Entwicklung und Untersuchung
piezoelektrisch erregter Wanderwellenmotoren für lineare Bewegungen", IKKF, Bericht Nr.
14, Universität
Stuttgart), aber liefern noch geringere Kräfte, insbesondere bis 3,75
N (vgl. Kurosawa, M. K. und T. Higuchi, 1999: "Surface acoustic wave linear motor", HNI-Verlagsschriftenreihe,
Vol. 49, pp. 113–118),
als Piezoschrittmotoren.
-
Ein
Schrittmotor auf magnetostriktiver Basis, der von dem Unternehmen
Dynamotive kommerziell angeboten wird (vgl. Nanomotion, 2000: Ultrasonic Motor
HR-8, User's Manual),
erreicht sehr hohe Kräfte
(1000N) bei relativ geringen Geschwindigkeiten (20 mm/s).
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Besonders
erfolgreich ist die Verwendung piezoelektrischer Werkstoffe in der
Ventiltechnik. Piezoventile sind beispielsweise Gegenstand der Druckschriften
DE 199 46 828 C1 ,
DE 199 46 838 C1 ,
DE 101 48 603 B4 und
DE 101 29 375 A1 .
Bei den Verwendungen von Piezoaktoren in der Ventiltechnik handelt
es sich überwiegend
um die Steuerung von Einspritzventilen in Brennkraftmaschinen.
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Nicht
von Nockenwellen angetriebene Gaswechselventile, die eine unabhängige und
damit vollvariable Steuerung ermöglichen,
sind beispielsweise aus der Druckschrift
DE 103 18 244 A1 bekannt,
in der ein elastisch abgestütztes
Ventil durch einen elektromagnetisch angetriebenem Anker zwischen zwei
Gleichgewichtspositionen bewegt wird. Ferner sind hydraulische Direktantriebe
für Gaswechselventile
in der Patentliteratur, bspw. in der Druckschrift
EP 0 801 213 B1 , dokumentiert.
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Die
vorgenannten bekannten Ausgestaltungen und Einsatzmöglichkeiten
für Aktoren
führen
auf folgende Nachteile:
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Nachteile
von Einhubaktoren auf Basis aktiver Materialien
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Eine
der Haupteinschränkungen
beim Einsatz aktiver Werkstoffe für einen Aktor besteht in den – im Vergleich
zu einer herkömmlichen
Antriebstechnik – geringen
realisierbaren Hüben.
Bei Festkörperaktoren,
die als Einhubkomponenten realisiert sind (z. B. Piezostapelaktoren
oder Piezoplättchen),
ergibt sich der maximale Hub als Produkt der maximalen aktiven Dehnung
und der Länge
des Aktors. Ist der Bauraum in Aktivierungsrichtung begrenzt, so
ergibt sich eine Begrenzung für
den maximal realisierbaren Hub. Beispielsweise ist mit piezokeramischen Materialien
eine aktive Dehnung von etwa 0,1 % zu erreichen. Bei einem Bauraum
von 100 mm wäre
damit der maximale Hub bei Verwendung eines Einhubaktors 0,1 mm.
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Bei
magnetostriktiven Materialien ist die Dehnung etwas höher, jedoch
immer noch zu gering für
einige Anwendungen, bspw. für
den Antrieb von Gaswechselventilen, die zwar Hubwerte von 1–10 mm erfordern,
dabei jedoch bauraumbedingt eine Aktorlänge von maximal 100–200 Millimeter
zulassen. Andere Aktormaterialien scheiden für solche Anwendungen entweder
aufgrund der begrenzten Dynamik (wie z. B. Formgedächtnislegierungen)
oder der geringen Festigkeitswerte (wie im Fall der so genannten
elektroaktiven Polymere) und dementsprechend geringen maximalen
Kräften
der Aktoren aus.
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Nachteile
von Hebelübersetzungen
und sonstigen arbeitserhaltenden Maßnahmen zur Vergrößerung des Hubes
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Klassische
arbeitserhaltende Mechanismen zur Übersetzung des Hubes haben
den Nachteil, eine zusätzliche
Vorrichtung (z. B. zur Hebelübersetzung) zu
benötigen,
welche nicht frei von Verlusten ist. Werden im Übersetzungsgetriebe klassische
Gelenke eingesetzt, so sind diese weder spiel- noch reibungsfrei.
Das verringert zum einen die Belastbarkeit und die Genauigkeit des
Antriebes, zum anderen dessen Wirkungsgrad. Auch nachgiebige Mechanismen,
die auf Festkörpergelenken
und flexiblen Bauteilen basieren, bieten aufgrund der parasitären Nachgiebigkeit
der Gelenke, d. h. aufgrund der Nachgiebigkeit in anderen als in
den erwünschten
Bewegungsrichtungen, keine ideale Übersetzung des Hubes und sorgen
dafür,
dass ein nicht unerheblicher Anteil der vom Aktor produzierten Arbeit
in die Verformung des Mechanismus eingeht und deshalb für die Verrichtung
externer Arbeit nicht zur Verfügung
steht. Außerdem
begrenzt die verhältnismäßig geringe
Festigkeit der Festkörpergelenke
die maximale Kraft des Aktors. Die mit dem Übersetzungsgetriebe hinzugefügten Massen
und die aus diesen resultierenden Trägheitskräfte verringern darüber hinaus
aufgrund von Schwingungsphänomenen
die Bandbreite des Aktors. Das gilt sowohl für konventionelle als auch für nachgiebige
Mechanismen. Außerdem
erhöht
sich durch die Vorrichtung zur Übersetzung
des Hubes sowohl der Bauraum als auch das Gewicht des Antriebes.
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Hydraulische
Vorrichtung zur Hebelübersetzung
weisen mechanische Verluste, eine höhere Komplexität, eine
wesentlich aufwendigere Wartung sowie ebenfalls eine begrenzte Dynamik
auf.
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Nachteile
von Piezomotoren und sonstigen auf leistungserhaltenden Wegübersetzungsmechanismen basierenden
Antrieben
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Leistungserhaltende
Mechanismen zur Übersetzung
des Hubes haben einen ihrer Hauptnachteile in der Reduzierung der
Systembandbreite. Da das Prinzip auf dem Umwandeln einer hochfrequenten
Bewegung des Aktorelements in eine niederfrequente Bewegung des
Abtriebes basiert, reduziert sich die maximale Betriebsfrequenz
des Antriebes erheblich gegenüber
dem Fall, dass das Aktorelement direkt als Antrieb verwendet wird.
Eine weitere Reduzierung der Bandbreite kann durch Schwingungsphänomene der
Bauteile auftreten, die zur Bewegungsübertragung zwischen Aktorelement
und Abtrieb dienen, u. a. durch konventionelle Mechanismen zur Vergrößerung des
Hubes, die ergänzend zum
motorischen (leistungserhaltenden) Prinzip im Antrieb vorhanden
sein können.
Ein weiterer Hauptnachteil von Piezomotoren und ähnlichen Antrieben ist deren
Komplexität,
deren begrenzter Wirkungsgrad und deren im Bezug zu als Direktantriebe
eingesetzten Festkörperaktoren
deutlich geringere volumenspezifische oder gewichtsspezifische Leistung. Außerdem weisen
die meisten Piezomotoren und ähnliche
Antriebskonzepte aufgrund der reibungsbasierten Bewegungsübertragung
einen hohen Verschleiß auf.
Ferner sind solche Motoren – ebenfalls aufgrund
der reibungsbasierten Schnittstelle – ungenauer als Festkörperaktoren.
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Herkömmliche
Steuerung der Gaswechselventile
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Der
Hauptnachteil der herkömmlichen
Steuerung der Gaswechselventile besteht darin, dass aufgrund der
antriebsfesten Kopplung der Nockenwellen mit der Kurbelwelle die
Ventilbewegung fest vorgegeben ist und fest mit dem Kurbelwellenwinkel
korreliert, was zur Folge hat, dass der gesamte Ventilsteuerungsprozess
nur auf einen Betriebspunkt optimiert werden kann. Demzufolge sind
die gewählte
Nockenkontur, der Ventilquerschnitt, der Ventilhub und die sonstigen
Parameter der Ventilsteuerung nur bei einer bestimmten Kombination
von Drehzahl und Lastzustand besonders günstig. Da viele Verbrennungsmotoren
(fast alle Motoren zur Personen- und Güterbeförderung im Straßenverkehr)
unter stark veränderlichen
Betriebsbedingungen betrieben werden, befindet sich der Motor meist
in einem ungünstigeren Betriebspunkt
mit den entsprechenden Nachteilen wie schlechterem Wirkungsgrad
und hohen Abgas- bzw. Geräuschemissionen.
Die herkömmliche
Ventilsteuerung lässt
beispielsweise die Abschaltung einzelner Zylinder oder deren individuellen
Anpassung an die Betriebsbedingungen nicht zu. Der feste Öffnungszyklus
der Gaswechselventile ermöglicht
weiterhin keine Steuerung der Motorleistung bzw. Drehgeschwindigkeit
mittels der Ventile selbst. Darüber hinaus
verursacht die herkömmliche
Leistungssteuerung durch die Drosselklappe Energieverluste, die sich
negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirken.
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Variable Steuerung
der Gaswechselventile mittels Elektro- oder Hydraulikmotoren
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Die
bereits erwähnten
Vorrichtungen zur entkoppelten Ventilbewegung auf elektromechanischer Basis
erfordern sehr hohe elektrische Spannungen und Leistungen. Dabei
ist aufgrund des Betriebes zwischen zwei Gleichgewichtszuständen keine
volle Variabilität
der Ventilsteuerung gegeben.
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Bei
hydraulischen Systemen ist sowohl die begrenzte Dynamik des Ventils
als auch der apparative Aufwand, der dafür notwendig ist, hydraulische Energie
für die
Ventilbetätigung
bereitzustellen, von Nachteil.
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AUFGABE DER
ERFINDUNG
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten
Aktor vorzuschlagen, der die vorgenannten Nachteile zumindest teilweise beseitigt.
Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Aktor
auf piezoelektrischer Basis vorzuschlagen, der sich durch besonders
hohe Werte des Hub-Längenverhältnisses
auszeichnet. Darüber hinaus
beschäftigt
sich die Erfindung mit Verwendungsmöglichkeiten eines verbesserten
Aktors.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit einem Aktor entsprechend
den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere
Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Aktors sind den abhängigen Patentansprüchen 2–10 zu entnehmen.
Eine Verwendungsmöglichkeit
eines Aktors ergibt sich aus dem unabhängigen Patentanspruch 11.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Der
erfindungsgemäße Aktor
weist ein erstes Anschlusselement sowie ein zweites Anschlusselement
auf, über
welche der Aktor in Wirkverbindung mit weiteren Bauteilen steht
zur Ausübung
einer Kraft und/oder zur Erzeugung einer Stellbewegung oder eines
Hubes. Zwischen die Anschlusselemente sind zwei oder mehr aktive
Elemente zwischengeschaltet. Bei den aktiven Elementen handelt es
sich um gleiche oder unterschiedliche, hinsichtlich ihres physikalischen
Aufbaus an sich bekannte Elemente, wie sich diese auch aus den eingangs
genannten Druckschriften ergeben, beispielsweise um ein piezokeramisches
Element, ein elektrostriktives Element, ein magnetostriktives Element,
einen Piezostapelaktor, ein Piezoplättchen, eine Formgedächtnislegierung,
ein elektroaktives Polymerelement oder eine faserförmige oder
streifenförmige
Keramikkomponente.
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Die
aktiven Elemente sind in mechanischer Reihenschaltung angeordnet,
was bedeutet, dass diese im Kraftfluss der Reihenschaltung gleichen Kräften ausgesetzt
sind, aber unterschiedliche Stellbewegungen erfahren können. Mindestens
ein erstes aktives Element und mindestens ein zweiten aktives Element
weisen eine ungefähr
gleiche oder parallele Wirkachse auf. Diese Wirkachse korreliert
vorzugsweise mit der Wirkachse des Aktors, die durch die Richtung
der ausgeübten
Kräfte
und die Stellbewegungen definiert ist.
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Die
aktiven Elemente sind derart miteinander verbunden, dass der Kraftfluss über mindestens
ein erstes Element und mindestens ein zweites Element mit zueinander
ungefähr
entgegengesetztem Richtungssinn verläuft. Insbesondere ist der Kraftfluss
damit "hin- und
hergehend verlaufend" oder "schlangenlinienförmig" ausgebildet, wobei
eine Kraftübertragung
in eine Richtung durch das erste Element und in die andere Richtung
durch das zweite Element erfolgt. Diese Ausgestaltung hat zur Folge,
dass – obwohl
sich die aktiven Elemente in mechanischer Reihenschaltung befinden – eine Verlängerung
der aktiven Elemente nicht zu einer Vergrößerung des gesamten Stellwegs
des Aktors führt,
sondern vielmehr sich die Verlängerungen
der einzelnen Elemente gegenseitig (teilweise) aufheben.
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Um
dennoch eine geeignete Superposition der Stellwege der einzelnen
Elemente zu erzielen, sind daher erfindungsgemäß das erste Element und das
zweite Element derart, beispielsweise elektrisch, beaufschlagbar,
dass eine erste Stellbewegung eines ersten Elements entgegengesetzt
zu einer zweiten Stellbewegung eines zweiten Elements ist. Dieses
bedeutet, dass für
eine Betätigung
des Aktors beispielsweise das erste Element verlängert wird, während das
zweite Element eine Verkürzung
erfährt (oder
umgekehrt). In Verbindung mit der "hin- und hergehenden Anordnung" der Elemente zueinander korreliert
erfindungsgemäß der erzielte
gesamte Stellweg oder Hub des Aktors mit der Summe der Beträge der ersten
Stellbewegung und der zweiten Stellbewegung. Anders gesagt bedeutet
dies, dass die Elemente Beiträge
gleichen Vorzeichens (gleichen oder unterschiedlichen Betrags) zum
gesamten Hub des Aktors liefern.
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Bei
den Wirkrichtungen der Aktoren und den erzielten Stellbewegungen
kann es sich beispielsweise um eine verschwenkende Bewegung und
Kraftausübung
um eine Achse handeln, so dass es sich um einen Aktor mit rotierender
Stellbewegung handelt. Vorzugsweise handelt es sich allerdings bei
dem Aktor um einen Linear-Aktor, bei dem der Aktor eine Längsbewegung
erzeugt und die Stellbewegungen Längenveränderungen der Elemente sind.
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Durch
die beschriebene Anordnung wird (im speziellen Fall von N Elementen
mit einheitlicher Querschnittsfläche
und Länge)
im Bezug auf einen herkömmlichen
Einhub-Aktor der gleichen Geometrie (Querschnitt und Länge) der
mögliche
Hub um den Faktor N erhöht,
während
der wirksame Querschnitt virtuell um den Faktor N reduziert. Das
entspricht somit einer arbeitserhaltenden Wegübersetzung, die jedoch ohne
die meisten Nachteile dieser Maßnahme realisiert
wird. Es sind weder komplexe anfällige
und platzraubende Mechanismen, noch sonstige passive Vorrichtungen
zur nachträglichen
Verstärkung
des Aktorhubes notwendig. Dadurch werden auch die damit zusammenhängenden
Nachteile vermieden, wie z. B.
- • Dissipationseffekte
(Verringerung des Wirkungsgrades),
- • unerwünschte Verformungen
der passiven Vorrichtung, mit entsprechender ungünstiger Nutzung des Arbeitsvermögens des
aktiven Materials,
- • zusätzliche
mitbewegte Massen und entsprechende Einschränkung der dynamischen Antwort,
- • aufwendige
Wartung.
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Der
erfindungsgemäße Aktor
behält
die kompakte und mechanisch hochbelastbare Ausführung eines Einhubaktors und
dessen hochgenaues Verhalten bei einem wesentlich günstigeren
Verhältnis zwischen
Aktorhub und Aktorlänge.
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Verglichen
mit Piezomotoren zeichnet sich der erfindungsgemäße Aktor durch die unverändert hohe
Dynamik aus und ist deshalb bestens geeignet für Anwendungen, die eine hohe
Dynamik mit einem relativ großen
maximalen Hub erfordern, wie im Falle der Steuerung der Gaswechselventile
bei Verbrennungsmotoren. Bei dieser Anwendung wären erhebliche Vorteile im
Bezug zu der herkömmlichen
Art der Ventilsteuerung zu verzeichnen. Durch die vollvariable Ventilsteuerung
können
einzelne Zylinder oder einzelne Zylinderreihen individuell den Betriebsbedingungen
angepasst werden: Beispielsweise ist dadurch das Abschalten einzelner
Zylinder zum Zweck der Anpassung an den Leistungsbedarf oder der
Verbrauchsoptimierung realisierbar, bzw. – bei sich ankündigenden
Motorschäden
wie Defekt am Kolben, Ventil oder Lager – die Gewährleistung eines nahezu belastungsfreien
Betriebs für
die gefährdeten
Motorbereiche. Ferner kann durch die individuelle Steuerung eine
definierte zusätzliche
Bremswirkung des Motors erzeugt werden. Ferner kann bei vollvariabler Ventilsteuerung
die Drosselklappe entfallen und die Last mittels der Ventilsteuerzeiten
eingestellt werden. Durch das Wegfallen der Drosselverluste ist
mit einer erheblichen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zu rechnen.
Weitere Fortschritte sind in Verbindung mit der zunehmenden Verbreitung
direkteinspritzender Motoren denkbar, bei denen der Einspritzvorgang frei
gestaltet werden kann. Wird dies mit variablen Ventilöffnungsverläufen kombiniert,
sind neue Möglichkeiten
zur Leistungs- und Verbrauchsoptimierung vorhanden.
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Selbstverständlich sind
viele andere Einsatzgebiete für
einen Aktor der erfindungsgemäßen Art denkbar,
z. B. in der Medizintechnik, in der Fertigungstechnik usw.
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Entsprechend
einer Weiterbildung der Erfindung sind die ersten und zweiten Elemente
hin- und hergehend verlaufend sowie quer zur Wirkrichtung des Aktors
nebeneinander liegend angeordnet. Ein erstes Element ist in einem
Endbereich mit einem Endbereich eines zweiten Elements verbunden
sowie in seinem gegenüberliegenden
Endbereich mit einem Endbereich eines weiteren zweiten Elements verbunden.
Das erste Element kann hierbei quer zur Wirkachse zwischen zwei
zweiten Elementen liegen. Im Gegensatz zu einem Linear-Aktor, bei
dem mehrere Elemente zwar in Reihenschaltung hintereinander geschaltet
sind, aber diese zur Erzielung einer Stellbewegung gleiche Verformungsrichtungen
aufweisen, ergibt sich erfindungsgemäß ein besonders kompakter Aktor,
da die einzelnen Elemente nicht in Längsrichtung mit großer Gesamtbaulänge hintereinander
geschaltet werden müssen,
sondern vielmehr quer zur Wirkachse des Aktors nebeneinander liegend
angeordnet sein können.
Dieses bedeutet, dass für
einen Aktor mit vorgegebener Länge
der erzielbare Stellweg SGES als Summe der
N Stellwege der N einzelnen Elemente herbeigeführt wird, wobei die Länge des
Aktors von der Zahl N weitestgehend unabhängig ist, während sich die Erstreckung
des Aktors quer zur Wirkrichtung mit einer Erhöhung von N vergrößert.
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Insbesondere
wird die Reihenschaltung der Elemente dadurch realisiert, dass von
N Elementen jedes der inneren Elemente (Ordnungszahlen i = 2 bis
N – 1)
an jedem Ende jeweils mit einem der Nachbarelemente fest verbunden
wird. So ist beispielsweise das i-te Element an dem einen Ende mit
dem Element der Ordnungsnummer i – 1, am anderen Ende mit dem
Element der Ordnungsnummer i + 1 verbunden. Das freie Ende des ersten
und das freie Ende des N-ten Elements stehen dabei in Wirkverbindung mit
den Anschlusselementen des Aktors. Infolge des hin- und hergehenden
Verlaufs der Elemente sind die Elemente abwechselnd zug- und druckbelastet.
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Bei
Ausbildung der ersten und zweiten Elemente mit zueinander entgegengesetzten
Kennlinien kann eine gleiche elektrische Ansteuerung der Elemente
bei den ersten Elementen zu einer positiven Stellbewegung führen und
bei den zweiten Elementen zu einer negativen Stellbewegung. Gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung sind allerdings die ersten und zweiten Elemente hinsichtlich
des physikalischen Grundaufbaus entsprechend ausgebildet. In diesem
Fall ist eine elektrische Versorgung vorgesehen, welche derart ausgebildet
und mit Elementen verbunden ist, dass das erste Element und das
zweite Element gegenphasig ansteuerbar sind, woraus die entgegengesetzten
Stellbewegungen des ersten und zweiten Elements resultieren.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Aktor
weisen die Elemente ein gegenüber
einem vergleichbaren Rechteckquerschnitt vergrößertes Flächenträgheitsmoment auf. Dieser Ausge staltung
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei weitestgehend parallelen
einzelnen Elemente eine auf den Aktor wirkende oder von diesem erzeugte
Kraft nicht nur eine Normalkraft erzeugt, sondern u. U. auch ein
Biegemoment, welches mit dem durch den Abstand der Wirkachsen der
einzelnen Elemente übereinstimmenden
Hebelarm korreliert. Um Verformung infolge dieses Biegemoments und
einen möglichst
starren Aktor zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn die Elemente
gegen ein Knicken, Beulen oder eine Verformung infolge von Druck-
und/oder Zuglasten ausgelegt sind. In diesem Fall können die
Elemente nicht plattenförmig,
also mit einer ebenen Mittellinie, sondern schalenförmig oder
mit beliebiger komplexer Geometrie mit hohem Flächenträgheitsmoment ausgebildet sein.
Alternativ können
die Querschnitte der Elemente krummlinig oder polygonal ausgebildet sein.
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Als
ergänzende
oder alternative Maßnahme gegen
eine Belastung in Querrichtung und ein Ausknicken kann das erste
und/oder das zweite Anschlusselement quer zur Wirkrichtung geführt sein, beispielsweise
gegenüber
benachbarten Bauteilen oder einem Gehäuse, wobei eine derartige Führung beispielsweise
in Form einer Gleitlagerung oder einer Wälzlagerung ausgeführt sein
kann.
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Eine
weiter verbesserte oder alternative Führungsmöglichkeit ist gegeben, wenn
nebeneinander liegende aktive Elemente für sich oder gegeneinander quer
zur Wirkrichtung geführt
sind, beispielsweise durch geeignete Gleitflächen zwischen den Elementen,
Gleitlager, Gleitlagerbuchsen oder Wälzlager, die zusätzlich oder
alternativ auch gegenüber
einem Gehäuse
oder benachbarten Bauteilen abgestützt sein können. Auf diese Weise kann
mit geringem Bauaufwand und ohne bedeutende Vergrößerung der
Baugröße des Aktors
die Funktionsfähigkeit und
die Präzision
des Aktors verbessert werden.
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Gemäß einem
weiteren Vorschlag der Erfindung besitzt der Aktor eine erste Aktorbaugruppe
und eine zweite Aktorbaugruppe, die im Wesentlichen symmetrisch
zueinander und in Parallelschaltung zwischen die Anschlusselemente
zwischengeschaltet sind. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis
zugrunde, dass bei Verwendung lediglich einer Aktorbaugruppe mit
ersten und zweiten Elementen infolge eines Parallelversatzes der
Wirklinien der einzelnen Elemente ein Biegemoment zwischen den Anschlusselementen
entsteht, welches auch die Elemente unnötig belastet. Bei symmetrischer
Anordnung in Parallelschaltung heben sich etwaige Beanspruchungen der
ersten und zweiten Aktorbaugruppe gegeneinander auf. Gleichzeitig
ergibt sich auch eine symmetrische Gestalt des Aktors selbst.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Vorschlag der Erfindung weist der Aktor eine
mechanische Vorspannung auf, damit die einzelnen Elemente unter
Druckbelastung keine Instabilitätsphänomene wie
beispielsweise ein Beulen oder Knicken aufweisen.
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Eine
verbesserte Anpassung der Leistungskennwerte des Aktors an eine
jeweilige Anwendung kann dadurch erfolgen, dass das erste Anschlusselement
und/oder das zweite Anschlusselement in Antriebsverbindung mit einem
Mittel zur Übersetzung der
Stellbewegung steht. Auch die Art der Stellbewegung (Rotation, Translation
und/oder die verallgemeinerten Stellkräfte) kann ebenfalls durch ein
derartiges Mittel geeignet angepasst werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und
der gesamten Beschreibung. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere
den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer
Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche abweichend
von den gewählten
Rückbeziehungen
ist ebenfalls möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die
in separaten Zeichnungsfiguren dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter
bevorzugter Ausführungsbeispiele
weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Aktors im Längsschnitt.
-
2 zeigt
den Aktor gemäß 1 in
verformtem Zustand, wobei lediglich erste Elemente verformt sind.
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3 zeigt
den Aktor gemäß 1 und 2,
wobei erste und zweite Elemente in entgegengesetzte Richtungen verformt
sind, für
eine erste Stellbewegung.
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4 zeigt
den erfindungsgemäßen Aktor gemäß 1-3 mit
gegenüber 3 umgekehrter
Stellbewegung.
-
5 zeigt
die Verwendung eines erfindungsgemäßen Aktors als Antrieb eines
Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine im Längsschnitt.
-
6 zeigt
einen erfindungsgemäßen Aktor in
perspektivischer Darstellung a) mit kreisringförmigem Querschnitt der Elemente
und b) mit polygonalem Querschnitt der Elemente.
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7 zeigt
einen erfindungsgemäßen Aktor im
Längsschnitt
in Antriebsverbindung mit einem Mittel zur Übersetzung der Stellbewegung.
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8 zeigt
einen erfindungsgemäßen Aktor im
Längsschnitt,
der im Zusammenhang mit einem Kniehebel – Mechanismus eingesetzt ist.
-
9 zeigt
einen erfindungsgemäßen Aktor in
einem Gehäuse
mit mechanischer Vorspannung.
-
FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau eines Aktors 1, bei dem zwischen
einem ersten Anschlusselement 2 und einem zweiten Anschlusselement 3 aktive
Elemente 4, 5, 6, 7, 8 zwischengeschaltet
sind. Durch Aktivierung der aktiven Elemente 4, 5, 6, 7, 8 kann
ein insbesondere geradliniger Hub in eine Wirkrichtung erzeugt werden,
wobei die Wirkrichtung in dem dargestellten Fall mit der Längsachse 9 des
Aktors übereinstimmt.
Wird der Hub durch die mechanischen Randbedingungen der Anschlusselemente 2, 3 teilweise
oder ganz behindert, so entwickelt der Aktor eine Betätigungskraft.
Der Aktor 1 ist u. U. auch dafür konzipiert, dass dieser entlang
der Wirkrichtung unabhängig
von seiner Aktivierung Lasten aufnehmen kann. Hierzu ist es ergänzend zu
den dargestellten Ausführungsbeispielen möglich, dass
der Aktor 1 in diskreten Stellungen oder kontinuierlich
veränderbaren
Stellungen arretierbar oder festsetzbar ist.
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Für das in 1 dargestellte
Ausführungsbeispiel
sind die aktiven Elemente ungefähr
hohlzylinderförmig
ausgebildet mit kreisringförmigem
Querschnitt, gleichen Längen
und derart koaxial zueinander ineinander geschachtelt, dass die
Stirnseiten der Elemente 4–8 bündig miteinander
abschließen
und sich zwischen den Elementen 4–8 jeweils ein geringfügiger radialer
Spalt 10 ausbildet. Die aktiven Elemente 4, 6 und 8 bilden
erste Elemente 11, während die
Elemente 5 und 7 zweite Elemente 12 bilden.
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Das
Element 4 ist in einem Endbereich an das erste Anschlusselement 2 fest
angebunden, während
der gegenüberliegende
Endbereich über ein
Verbindungselement 13 fest mit dem benachbarten Endbereich
des Elements 5 verbunden ist. Das Verbindungselement 13 besitzt
eine radial außenliegende
Mantelfläche,
im Bereich welcher dieses an das aktive Element 4 angebunden
ist, sowie eine radial innenliegende Mantelfläche, im Bereich welcher dieses
an dem Element 5 befestigt ist. Abweichend zu der dargestellten
Verbindung über
ein Verbindungselement 13 kann die Verbindung zwischen
den Elementen 4 und 5 im Bereich der Stirnflächen, über Zusatz-Bauteile,
eine stoffschlüssige
Verbindung o. ä.
erfolgen. In entsprechender Weise sind, dem Kraftfluss zwischen
den Anschlusselementen 2 und 3 folgend, die Endbereiche
der Elemente 5, 6, 7, 8 über weitere
Verbindungselemente 130. ä. miteinander verbunden. Ein
verbleibender freier Endbereich des Elements 8 trägt radial
innenliegend das Anschlusselement 3. Von dem Anschlusselement 2 erfolgt
der Kraftfluss damit in Richtung des Anschlusselements 3 hin-
und hergehend oder schlangenlinienförmig über die Elemente 4–8,
wobei der Kraftfluss über
die ersten Elemente 11 mit einem Richtungssinn erfolgt, während der
Kraftfluss über
die zweiten Elemente 12 mit entgegengesetztem Richtungssinn
erfolgt. Die Elemente 4–8 befinden sich in
mechanischer Reihenschaltung.
-
2 zeigt
den Aktor 1, für
den (abweichend zur vorliegenden Erfindung) die Elemente 4–8 derart beaufschlagt
werden, dass diese dieselbe Stellbewegung 14 erfahren.
Die Stellbewegung von zwei ersten Elementen 11 wird infolge
des hin- und hergehenden Kraftflusses durch die Stellbewegung von
zwei zweiten Elementen 12 ausgeglichen. Der gesamte Hub 15 des
Aktors 1 entspricht damit der Stellbewegung 14 und
damit dem Hub, der auch lediglich mit einem Element 4 erzielt
worden wäre.
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3 zeigt
den erfindungsgemäßen Einsatz des
Aktors 1 zur Herbeiführung
eines erfindungsgemäßen Hubs 15a im
Wege einer Kontraktion des Aktors 1. In diesem Fall wird
der Aktor 1 derart angesteuert, dass die ersten Elemente 11 und
die zweiten Elemente 12 entgegengesetzte Stellbewegungen
erfahren. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im Folgenden davon
ausgegangen, dass die Stellbewegungen der ersten Elemente 11 und
der zweiten Elemente 12 gleiche Beträge aufweisen. Demgemäß verkürzt sich
das Element 4 um die Stellbewegung 14a, was mit
einer Verschiebung der zugeordneten Stirnseite des Elements 5 einhergeht.
Die gegenüberliegende
Stirnseite des Elements 5 erfährt infolge der Expansion des
Elements 5 eine Verschiebung um die doppelte Stellbewegung 14a,
welche über
das Verbindungselement 13 auf die zugeordnete Stirnseite
des Elements 6 übertragen
wird usw. Der gesamte Hub 15a entspricht damit dem Fünffachen
der Stellbewegung 14a.
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Entsprechend
zeigt 4 den Aktor 1 für einen expandierenden Hub 15b.
In diesem Fall werden die ersten Elemente 11 für eine Expansion
beaufschlagt, während
die zweiten Elemente 12 für eine Kontraktion beaufschlagt
werden. Das Element 4 vergrößert sich um die Stellbewegung 14b,
die über das
Verbindungselement 13 auf den zugeordneten Endbereich des
Elements 5 übertragen
wird. Infolge der Kontraktion des Elements 5 erfährt der
gegenüberliegende
Endbereich des Elements 5 eine Verschiebung um das Doppelte
der Stellbewegung 14b usw. Der gesamte Hub 15b beträgt damit
das Fünffache
der Stellbewegung 14b.
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Selbstverständlich ist
es ebenfalls möglich, dass
die ersten Elemente 11 und zweiten Elemente 12 unterschiedlich
dimensioniert oder beaufschlagt werden, so dass die Stellbewegungen 14 der
Elemente 11, 12 unterschiedlich ist. Alternativ
oder zusätzlich
ist es möglich,
dass die Elemente 4–8 unter einem
Winkel zueinander angeordnet sind, wobei in diesem Fall die Überlagerung
der einzelnen Stellbewegungen unter Berücksichtigung der trigonometrischen
Funktionen in Abhängigkeit
von dem Winkel der Elemente 4 bis 8 zueinander
zu dem gesamten Hub erfolgt.
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5 zeigt
einen Einsatzfall des Aktors 1 für ein Gaswechselventil 16 einer
Brennkraftmaschine, welches im Bereich eines Ventilschafts 17 fest
an das zweite Anschlusselement 3 angebunden ist. In diesem
Fall korrespondiert die Längsachse 9 des
Aktors 1 mit der Stellrichtung des Gaswechselventils 16.
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6a)
zeigt den Aktor gemäß den 1–4 in
einer Neutralstellung in räumlicher Darstellung,
wobei die hohlzylinderförmige
Ausbildung der Elemente 4–8 zu erkennen ist.
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6b)
zeigt eine Ausbildung des Aktors 1 mit Elementen 4–8,
die einen quadratischen, rechteckförmigen, trapezförmigen oder
rhombenförmigen Querschnitt
(mit konstanter Wandstärke)
aufweisen. Lediglich beispielhaft sind für die Ausgestaltung gemäß 6b)
nicht nur fünf
aktive Elemente 4–8 gewählt, sondern
zusätzlich
vier weitere aktive Elemente 18–21.
-
7 zeigt
den Einsatz des Aktors 1 in Verbindung mit einem Mittel 22 zur Übersetzung
des Hubs, welches für
das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel als Hebel ausgebildet
ist, wobei die Längsachse 9 ungefähr vertikal
zur Längsachse
des Hebels 23 angeordnet ist und entsprechend den Hebelverhältnissen
eine Übersetzung
des Hubs 15c des Aktors 1 zu dem angepassten Hub 24 erfolgt.
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8 zeigt
einen weiteren Einsatzfall von Aktoren für einen Kniehebel – Übertragungsmechanismus 25,
bei dem zwei Aktoren 1d und 1e zum Einsatz kommen,
die bei fluchtenden Längsachsen
spiegelsymmetrisch derart miteinander verbunden werden, dass die
jeweiligen Anschlusselemente 2d, 2e starr miteinander
verbunden werden können.
Die Anschlusselemente 3d und 3e sind fest mit
auf gegenüberliegenden
Seiten nach außen
weisenden T-förmigen Trägern 26, 27 im
Bereich von Schenkeln 28, 29 der Träger 26, 27 verbunden.
Für einen
Hub jedes Aktors 1d und 1e gemäß 4 bewegen
sich damit die Träger 26, 27 um
den doppelten Hub 15b auseinander. Die quer zu den Schenkeln 28, 29 orientierten Schenkel 30, 31 der
Träger 26, 27 sind
in ihren Endbereichen gelenkig mit Kniehebeln 32–35 verbunden, wobei
die Kniehebel 32, 33 sowie die Kniehebel 34, 35 jeweils
separate, in entgegengesetzte Richtungen wirkende Kniehebelmechanismen
bilden, die jeweils einen Hub 36, 37 erfahren.
Für eine
Vergrößerung des
Abstands der Träger 26, 27 bewegen
sich die Kniehebel 32–35 aufeinander
zu. Die Kniehebel 32–35 sowie
die Träger 26, 27 bilden
Mittel 22a, welche der Übersetzung
der Stellbewegung und der Stellkräfte dienen.
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9 zeigt
die Anordnung eines erfindungsgemäßen Aktors 1 in einem
Gehäuse 38,
wobei das erste Anschlusselement 2 fest an das Gehäuse angebunden
ist, während
das zweite Anschlusselement 3 im Bereich einer Führung 39 aus
dem Gehäuse 38 herausragt.
Weiterhin stützt
sich das zweite Anschlusselement 3 innenliegend von dem
Gehäuse 38 über ein
Federelement 40 gegenüber
dem Gehäuse ab,
so dass der Aktor 1 vorgespannt ist.
-
Die
Elemente 4–8, 18–21 sind
vorzugsweise konzentrisch oder in Bezug zu den Anschlusselementen 2, 3 symmetrisch
angeordnet, damit bei axialer Belastung des gesamten Aktors 1 keine
Biegebelastung der Elemente 4–8, 18–21 entsteht.
Die einzelnen Elemente 4–8, 18–21 des
Aktors 1 können aufgrund
ihrer Anordnung gleiche Geometrie, aber unterschiedliche Größen aufweisen
(beispielsweise konzentrische Kreisringquerschnitte). Insbesondere können die
einzelnen Elemente trotz der unterschiedlichen Durchmesser die gleichen
Querschnittsflächen
aufweisen, so dass sich für
die unterschiedlichen Elemente ungefähr gleiche Normalspannungen
und damit eine gleichmäßige Belastung ergibt.
Alternativ können
die Elemente mit unterschiedlichen Querschnittsflächen ausgeführt sein,
so dass im dynamischen Betrieb eine gleichmäßigere Belastung der Elemente
gewährleistet
ist. Beispielsweise können
zu dem freistehenden Ende hin die Elemente einer steigenden Belastung
durch die Trägheitskräfte ausgesetzt
sein, die sich durch die Beschleunigung der bewegten Elemente ergeben.
In einem derartigen Fall ist es vorteilhaft, wenn die Elemente vom
freien zu dem feststehenden Ende mit einem zunehmenden Querschnitt
ausgeführt
sind.
-
Abweichend
zu den dargestellten Ausführungsformen
können
die Elemente 4–8, 18–21 einen beliebigen
Querschnitt aufweisen und beispielsweise als geschlossen oder offene,
ineinander geschachtelte Hohlkörper
oder als stab-, platten- oder schalenförmige, nebeneinander liegende
Körper
ausgebildet sein.
-
- 1
- Aktor
- 2
- erstes
Anschlusselement
- 3
- zweites
Anschlusselement
- 4
- aktives
Element
- 5
- aktives
Element
- 6
- aktives
Element
- 7
- aktives
Element
- 8
- aktives
Element
- 9
- Längsachse
- 10
- Spalt
- 21
- aktives
Element
- 22
- Mittel
- 23
- Hebel
- 24
- angepasster
Hub
- 25
- Kniehebel – Übertragungsmittel
- 26
- Träger
- 27
- Träger
- 28
- Schenkel
- 29
- Schenkel
- 30
- Schenkel
- 11
- erstes
Element
- 12
- zweites
Element
- 13
- Verbindungselement
- 14
- Stellbewegung
- 15
- Hub
- 16
- Gaswechselventil
- 17
- Ventilschaft
- 18
- aktives
Element
- 19
- aktives
Element
- 20
- aktives
Element
- 31
- Schenkel
- 32
- Kniehebel
- 33
- Kniehebel
- 34
- Kniehebel
- 35
- Kniehebel
- 36
- Hub
- 37
- Hub
- 38
- Gehäuse
- 39
- Führung
- 40
- Federelement