-
Die
Erfindung bezieht sich auf Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patenanspruch 1.
-
EP 1 098 429 A2 beschreibt
einen elektromechanischen Motor mit einer 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 unerwünsch te 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.
-
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 Wan dungs-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
hindurchführt.
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 Druckvor spannung 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/μm und bei einer Federrate der
Schlitzrohrfeder 34 mit einer mechanischen Steifigkeit
cFeder = 3 N/μm 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(ωt)
= (Umax/2)·(1 + sin(ωt)) bzw. U2 = Umax/2 + (Umax/2)·sin(ωt + π/2)
= (Umax/2)·(1 + sin(ωt + π/2))mit
U1, U2, als den Spannungen, welche an den Festkörperaktoren 3 angelegt
werden, Umax als der Basisspannung bzw. maximalen Spannung des Verstärkers und ω 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 Ω steht dabei zur elektrischen
Ansteuer-Kreisfrequenz ω der
Festkörperaktoren 3 und
damit der Translationsfrequenz des Antriebskörpers 1 in Beziehung
gemäß Ω = ω2s/d2mit
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 μm 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·μist
die maximale tangentiale Kraft als Reibkraft FR Und
damit das Drehmoment bestimmt. Dabei entspricht μ 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 μm und einer
beispielhaften typischen Blockierkraft FB des
Festkörperaktors 3 von
2200 N folgt ein Kraftwert FR von etwa 550
N (FN)·0,15(μ) = 82,5
N. Bei einem Durchmesser d2 der Welle 2 von 10 Millimetern
folgt daraus ein Drehmoment von 0,41 Nm. Dabei wird idealer weise
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 δ 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 δ 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 α 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 α ungleich
der Senkrechten zur Rotationsachse X der Welle 2 verläuft, wobei
die Antriebskörper-Wandung 12 einen stumpfen
Winkel δ in
Richtung der Wellen-Wandung 22 aufweist. 5 zeigt
eine Ausführungsform,
bei welcher die Antriebskörper-Wandung 12 anstelle
eines stumpfen Winkels δ gemäß 4 einen
konvexen bzw. ge krümmten
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 β in tangentialer
Beziehung gemäß FN = FG·1/tan(β/2)
-
Durch
entsprechend geringe Anstellwinkel β 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 Ω, während der
ringförmige
Antriebskörper 1 mit
einer Antriebskörperfrequenz ω 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. Ra diusverhältnisse
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
Antriebskör perteile 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.