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Die
Erfindung betrifft Elemente zur Übertragung
von Kräften,
die bei der Übertragung
von Kräften
durch entsprechende Anordnung eines solche Kräfte auf das erfindungsgemäße Element
ausübenden
Elements weiterleitet und quasi zwischengeschaltet ist.
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Dabei
ist es aus technischen Gründen
in der Regel nicht möglich
einen bestimmten einzigen Kraftvektor bei der Einleitung oder Übertragung
mittels mechanischer Elemente, wie z. B. Hebel oder Stempel, einzuhalten,
so dass ein Querkraft- oder Torsionskrafteinfluss nicht vermieden
werden kann. Dies führt
zumindest zu Verschleiß,
Verlusten in Folge Reibung oder zu Beschädigungen, die bis zur Zerstörung an
mechanischen Systemen führen
können.
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Dies
ist besonders nachteilig bei Elementen, bei denen große Kräfte wirken
und die Kraftübertragung
mit kurzer Zeitkonstante und als Wechselbelastung erfolgen soll.
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So
stellen sich diese Probleme insbesondere im Maschinenbau bei Entkoppelgliedern,
aber auch bei Einspritzsystemen moderner Dieseleinspritzsysteme,
bei denen durch entsprechend hohe Kräfte, Einspritzdrücke auch
oberhalb 200 bar, erreicht werden sollen.
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An
solchen Systemen werden Piezoaktuatoren eingesetzt, die werkstoffbedingt
sehr anfällig
auf Querkraft- und Torsionskrafteinflüsse sind.
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In
der Vergangenheit hat man unter Berücksichtigung der genannten
Probleme überwiegend
auf rein mechanische Systeme zurückgegriffen,
um diese Einflüsse
zu reduzieren. Dabei werden zur Übertragung
von Kräften
Kugeln, die auch zumindest einseitig in einer Kalotte aufgenommen
sein können, eingesetzt, über die
die Kräfte
auf nachfolgend angeordnete Elemente übertragen werden können. Bekanntermaßen tritt
an mechanischen Elementen, die dynamisch und wechselnd beansprucht
werden, ebenfalls Verschleiß auf,
der sich durch daraus resultierendes Spiel weiter vergrößert. Solches
Spiel wird aber beim Betrieb entsprechender Systeme auch dadurch
nachteilig, dass sich die Reaktionszeiten vergrößern und so insbesondere bei
den erwähnten Systemen,
die ja extrem genau gesteuert betrieben werden müssen, negative Auswirkungen
beim Betrieb mit ansteigender Betriebsdauer auftreten.
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Solche Übertragungselemente
mit Kugeln sind aber auch mechanisch sehr hoch beansprucht, da die
Kräfte
nur über
kleine Flächenbereiche übertragen
werden und so die HERTZsche Pressung entsprechend groß ist, so
dass die für
die Übertragung der
Kräfte
eingesetzten Ele mente aus hochfesten Werkstoffen hergestellt werden
müssen.
Dies erhöht, wie
auch die erforderlichen sehr kleinen Fertigungstoleranzen und die
aufwändige
Montage, die Kosten.
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Häufig sind
solche mechanischen Systeme für
die Übertragung
von Kräften
auch sehr groß,
so dass es auch dadurch Probleme geben kann, da in vielen Fällen, das
zur Verfügung
stehende Volumen in eingebautem Zustand nicht ausreicht. Schwierig
ist es auch eine Übertragung
von Kräften
mit sich dabei verändernder
Richtung der Kraftwirkung zu realisieren.
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So
ist aus
US 6,811,133 ein
mikroelektromechanischer Aktuator bekannt, bei dem in einem Raum
eine Flüssigkeit
enthalten ist. Außerdem
sind zwei Membranen vorhanden. An einer Membran ist ein piezoelektrisches
Material befestigt, das bei Aktivierung zu eine Biegung auch der
Membran führt,
so dass auch die zweite Membran verformt wird.
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Das
US 6,932,278 betrifft ein
Einspritzventil mit einem Kompensationselement, das ebenfalls mit einer
Flüssigkeit
gefüllt
ist. An einem topfförmigen starren
Teil ist an einer Seite ein flexibler Wandbereich vorhanden.
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Das
DE 44 07 962 C2 beschreibt
ein Stell- oder Antriebselement mit elektro- oder magnetostriktivem
Aktuator und einem an den Aktuator gekoppelten Stellwegvergrößerer.
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In
JP 2005-5054602 ist
ein Einspritzventil mit zwei Kolben beschrieben, zwischen denen
ein mit Öl gefüllter Behälter angeordnet
ist.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung einfach aufgebaute Elemente zur Übertragung
von Kräften zur
Verfügung
zu stellen, die eine Krafteinleitung und/oder Kraftübertragung,
die zumindest nahezu frei von Quer- und Torsionskräften ist,
ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem Element, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist,
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit
in untergeordneten Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Die
erfindungsgemäßen Elemente
sind dabei so ausgebildet, dass in einem Gehäuse ein inkompressibles Fluid
eingeschlossen ist, am Gehäuse mindestens
zwei diskret zueinander angeordnete flexible, elastisch verformbare
Gehäusewandbereiche ausgebildet
und mit einem Element in Form bzw. mit Funktionalität eines
Stempels, der an einem ersten Gehäusewandbereich angreift oder
an diesem ausgebildet ist eine Druckkraft auf diesen ausübt. Dieser Gehäusewandbereich
verformt sich in Richtung auf das Innere des Gehäuses und der Druck des Fluides erhöht sich,
was wiederum zu einer Verformung des mindestens einen weiteren elastisch
verformbaren Gehäusewandbereiches
führt,
wenn ein ausreichend hoher Innendruck erreicht worden ist.
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Durch
diese Verformung kann ein Element zur Übertragung von Kräften, das
mit dem nach außen
verformbaren Gehäusewandbereich
in berührendem
Kontakt steht oder mit ihm verbunden ist, ausgelenkt und so die
eingeleitete Druckkraft übertragen
werden.
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Bei
der Einleitung der Druckkraft des als Stempel ausgebildeten Elementes
durch entsprechende Bewegung bzw. nicht in der eigentlichen Arbeitsachse
wirkenden Kräften
kann eine Verkippung in einem von der Bewegungsrichtung des Stempels abweichenden
Winkel ohne weiteres auftreten, ohne dass sich der daraus resultierende
Querkrafteinfluss, wie beim Stand der Technik nachteilig auswirkt.
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Eine
hochgenaue gegenseitige Ausrichtung der verformbaren Gehäusewandbereiche
zueinander ist ebenfalls nicht unbedingt erforderlich. Es ist sogar möglich die
Richtung der Kraftübertragung
durch entsprechende Anordnung der elastisch verformbaren Gehäusewandbereiche
zueinander in weiten Grenzen zu verändern, was im Extremfall bis
zur Umkehrung der Kraftrichtung um 180° möglich ist.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit
mit mehr als zwei elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen die Kraftübertragung
in mindestens zwei voneinander abweichenden Richtungen zu realisieren.
Dabei können
unterschiedlich hohe Kräfte
auch in verschiedenen Richtungen übertragen werden.
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Es
kann aber auch eine Kraftübersetzung
mit mindestens zwei elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen realisiert
werden, indem die sich verformbare Fläche der Gehäusewandbereiche unterschiedlich
groß ist
und dadurch in Folge des Drucks des Fluides entsprechend unterschiedlich
große
Verformungen auftreten und/oder Kräfte wirken können.
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So
können
auch unterschiedliche Dicken und/oder Werkstoffe mit unterschiedlichen
E-Modulen bei den vorhandenen elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen
gewählt
werden. Dadurch können
unterschiedliche Auslenkungen von verformbaren Gehäusewandbereichen
realisiert werden.
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Gehäusewandbereiche
können
auch so ausgebildet sein, dass Elemente, z. B. Stempel zur Einleitung
von Kräften
darin integriert sind. In bzw. an verformbaren Gehäusewandbereichen
können
auch Versteifungen ausgebildet sein. Dies kann mit Bereichen, die
eine erhöhte
Dicke aufweisen und/oder mittels einer Faserstruktur aus z. B. Kohlenstofffasern erreicht
werden.
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Es
liegt auf der Hand, dass das Gehäuse eine
ausreichende Festigkeit aufweist und sich nicht verformt. Für die zu übertragenden
hohen Kräfte
sollten aber auch die elastisch verformbaren Gehäusewandbereiche eine dementsprechende
Festigkeit mit einhergehender Elastizität aufweisen, was mit geeigneten
Metallen oder Metalllegierungen, beispielsweise Federstahl, möglich ist.
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Gehäusewandbereiche
können
aber auch so ausgebildet sein, dass sich ihre Dicke kontinuierlich oder
nicht kontinuierlich ändert.
So kann, z. B. bei einem kreisförmig
oder elliptisch ausgebildeten Gehäusewandbe reich die Dicke ausgehend
von einem radial äußeren Rand
kontinuierlich vergrößert sein. Es
kann aber auch mindestens eine ring- oder ellipsenförmige Vertiefung
ausgebildet sein. Dadurch können
bei einer Auslenkung bestimmte Federparameter bzw. eine bestimmte
Federcharakteristik/Federkennlinie eingehalten werden.
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Als
inkompressible Fluide können
sowohl passive Fluide, wie beispielsweise Hydrauliköle, als auch
aktive Fluide, wie z. B. magnetorheologische Flüssigkeiten eingesetzt werden.
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So
kann beispielsweise bei magnetorheologischen Flüssigkeiten zusätzlich Einfluss
mit elektromagnetischen Feldern oder Magnetfeldern auf die Kraftübertragung
genommen werden. Hierzu kann mit mindestens einem Elektromagneten
ein solches Magnetfeld ausgebildet werden, in dessen Einflussbereich
das Gehäuse
mit Fluid angeordnet sind. Dabei kann auch die jeweilige Feldstärke ein
die Kraftübertragung
beeinflussender Parameter sein.
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Wird
ein Magnetfeld mit einem oder mehreren Permanentmagneten ausgebildet,
in dessen Einflussbereich Gehäuse
mit Fluid angeordnet sind, kann ein Einfluss durch Ortsveränderung
des/der Permanentmagnete(n) genommen werden, da bekanntermaßen die
Feldstärke
innerhalb eines Magnetfeldes lokal verändert ist. Hierfür kann mindestens ein
Permanentmagnet seinen Abstand zum Gehäuse verändern.
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Für eine Überwachung,
Steuerung bzw. Regelung der Kraftübertragung kann es günstig sein, mindestens
einen Drucksensor vorzusehen, mit dem der jeweilige Druck des Fluides
bestimmt werden kann, da dieser ein Maß für die jeweils übertragende bzw.
wirkende Kraft am Element sein kann.
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Mit
erfindungsgemäßen Elementen
können multiaxial
auf dieses wirkende Kräfte
so übertragen werden,
als wären
es uniaxial wirkende Kräfte
und es kann eine Entkopplung von Quer- oder Torsionskräften erreicht
und am Element Schub- und Scherspannungen vermieden werden.
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Es
treten keine bzw. stark reduzierte Verluste auf. Es kann eine Optimierung,
die Baugröße, die Höhe der zu übertragenden
Kräfte
und das jeweils erforderliche Fluidvolumen berücksichtigend, vorgenommen werden.
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Nachfolgend
soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.
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Dabei
zeigen:
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1 in
schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Elementes
mit zwei gegenüberliegend
angeordneten elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen;
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2 in
schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Elementes
mit zwei in einem Winkel von 90° zueinander
angeordneten elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen;
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3 in
schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Elementes
mit drei unterschiedlich zueinander angeordneten elastisch verformbaren
Gehäusewandbereichen;
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4 ein
Beispiel mit einem Piezoaktuator und
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5 ein
Beispiel mit einem Stempel zur Einleitung von zu übertragen
Kräften.
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In
den 1 bis 3 sind in schematischer Form
drei Beispiele für
erfindungsgemäße Elemente zur Übertragung
von Kräften
dargestellt.
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Dabei
ist jeweils in einem zylinderförmigen Gehäuse 2 Hydrauliköl als Fluid 6 enthalten.
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Die
hier obere Stirnseite ist jeweils mit einem elastisch verformbaren
Gehäusewandbereich 1 versehen.
Dieser kann über
die gesamte Fläche
der oberen Stirnseite oder nur in einem Teilbereich als solcher
ausgebildet sein, was auch auf noch nachfolgend zu beschreibende
weitere solcher Gehäusewandbereiche 3 bzw. 4 sinngemäß zutrifft.
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Auf
diesen Gehäusewandbereich 1 kann
mit einem hier nicht dargestellten oder funktional im Gehäusewandbereichl
integrierten Stempel 8 eine Druckkraft auch in multiaxialer
Form, also auch in einem in Bezug zur Vertikalen schräg geneigten
Winkel ausgeübt
werden.
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Infolge
der wirkenden Druckkraft verformt sich der Gehäusewandbereich 1 in
Richtung des Gehäuseinneren.
Der Druck des Fluids 6 steigt an, was zu einer Verformung
eines anderen Gehäusewandbereichs 3 und/oder 4 und
einer Auslenkung dieser/dieses führt.
Mit einer solchen Auslenkung und dem entsprechend zurück legbaren
Weg kann eine Kraft auf ein Element 7, wie es beispielsweise
in 4 und 5 dargestellt ist, ausgeübt oder übertragen
werden. Bei der Auslenkung wölbt
sich ein solcher Gehäusewandbereich 3 und/oder 4 nach
außen und
die Kraft kann über
das im Gehäuse 2 eingeschlossene
Fluid übertragen
werden.
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So
kann eine Kraftübertragung
beim in 1 gezeigten Beispiel in vertikaler
Richtung von oben nach unten oder umgekehrt, bei dem in 2 gezeigten
Beispiel in eine jeweils um 90° geneigte
Richtung und beim in 3 gezeigten Beispiel mit den beiden
vorab erklärten
Richtungen gemeinsam erreicht werden.
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Bei
dem Beispiel nach 4 ist ebenfalls auf einen Stempel 8,
der eine Druckkraft auf den Gehäusewandbereich 1 ausübt verzichtet
worden. Im Fall, dass ein Stempel 8 eine Druckkraft auf
den Gehäusewandbereich 1 ausübt verformen
sich dieser und der hier unterhalb davon angeordnete Gehäusewandbereich 3 in
analoger Form mit gleicher Richtung. Dadurch werden Druckkräfte eines
Stempels 8 auf ein Piezoelement 7 ausgeübt, das
fest gelagert ist.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit
das Element 7 als Piezoaktuator auszubilden. Dieser vergrößert bei
angelegter elektrischer Spannung seine Länge. Da er aber vertikal unten
fest gelagert ist, tritt eine Verformung des Gehäusewandbereichs 3 in Richtung
des Gehäuseinneren
ein, was wiederum zu einer Verformung des oben angeordneten Gehäusewandbereichs 1 führt und
die resultierende Auslenkung zur Übertragung einer proportional
zur Längenänderung
eines solchen in Form eines Piezoaktuators ausgebildeten Elements 7 ausfallenden
Kraft führt.
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Mit 5 soll
nochmals verdeutlicht werden, dass eine Krafteinleitung mittels
eines Stempels 8 und die entsprechende Kraftübertragung
an einem erfindungsgemäßen Element
ohne weiteres auch in einem gekippten Zustand des Stempels 8,
was normalerweise einen uner wünschten
Querkrafteinfluss bei der Kraftübertragung
hervorrufen würde,
erfolgen kann. Das Element 7 auf das die Kraft übertragen werden
soll ist davon entkoppelt und kann die Kraft in vertikaler Richtung
nach unten infolge der Auslenkung des Gehäusewandbereichs 3 übertragen
oder aufnehmen.