DE102011117778B3

DE102011117778B3 - Bauteil mit veränderbarer Nachgiebigkeit und Federkonstante bei einer Biegung

Info

Publication number: DE102011117778B3
Application number: DE201110117778
Authority: DE
Inventors: Jörg Sorber; Gerald Gerlach; Markus Henke
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2031-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit veränderbarer Nachgiebigkeit und Federkonstante bei einer Biegung. Im einfachsten Fall kann es sich dabei um einen Biegebalken handeln. Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für eine effektive, variable Veränderbarkeit der Nachgiebigkeit oder Federkonstanten von auf Biegung beanspruchten Bauteilen anzugeben. Ein erfindungsgemäßes Bauteil umfasst mindestens zwei plattenförmige parallel aufeinander liegende Elemente, die an den äußeren parallel zu ihrer Längsachse ausgerichteten seitlichen Rändern zwei aufeinander zu gerichtete flanschartige Erhebungen aufweisen. Zwischen den Elementen ist mindestens ein eine Zugkraft ausübendes Aktorelement angeordnet, das mit einem Elastomer, welches mit zwei flächigen Elektroden an zwei Seiten eingefasst ist, gebildet ist. Ein Aktorelement ist an zwei Stirnseiten, die parallel zur Längsachse der Elemente ausgerichtet sind, jeweils direkt mit einem Fixierelement oder über jeweils ein Druckfederelement mit einem Fixierelement verbunden. Die Fixierelemente können bei einer an die Elektroden des Aktorelements angelegten elektrischen Spannung, die einen Schwellwert überschreitet, durch eine Reduzierung der Zugkraft des Aktorelements und die Druckkräfte der Druckfederelemente gegen jeweils zwei flanschförmige Erhebungen der plattenförmigen Elemente, zwischen denen das jeweilige Aktorelement angeordnet ist, bewegt werden. Dadurch kann eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den jeweiligen beiden plattenförmigen Elementen hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit veränderbarer Nachgiebigkeit und Federkonstante bei einer Biegung. Im einfachsten Fall kann es sich dabei um einen Biegebalken handeln.
Für viele Anwendungen ist es gewünscht die Nachgiebigkeit und das Federverhalten bei unterschiedlichen Biegebeanspruchungen oder äußeren Anforderungen während des Einsatzes zu variieren. Dabei soll eine Reaktion auf unterschiedliche Beanspruchung u. a. möglich sein. Es besteht auch der Wunsch einen Einfluss auf an Bauteilen wirkende Schwingungen zu nehmen, was z. B. die Dämpfung und die Eigenfrequenz betreffen kann.
Bei monolithisch aufgebauten Bauteilen ist ein solches gewünschtes Verhalten, nicht, nur schwer mit großem Aufwand oder mit begrenzter Wirkung möglich. Dies trifft beispielsweise auf bekannte Blattfedern zu. Deren Nachgiebigkeit oder Federkennlinie lässt sich nur begrenzt variieren.
Aus JP 62255634 A ist ein Justiermechanismus für dünne flache Federn bekannt, mit dem die Federkonstante mit piezoelektrischen Elementen verändert werden kann.
Das US 7,527,253 B2 betrifft einen justierbaren Feder-Aktuator, bei dem eine Spule oberhalb einer Blattfeder angeordnet ist.
In US 6,392,329 B1 ist eine Schwingvorrichtung, die piezoelektrisch betrieben werden kann, beschrieben.
Ein Biegeaktuator mit einem Aktuatorantrieb ist aus DE 10 2004 055 996 A1 bekannt. Dabei der Aktuatorantrieb durch einen in einer Richtung gekrümmten flächigen Träger gebildet ist, an dessen einer flachen Seite ein Piezoelement angeordnet ist.
In DE 10 2008 038 293 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer mechanischen Anregungsüschwingung beschrieben.
Die WO 02/31378 A1 betrifft einen piezoelektrischen Dehnungsaktuator für d33-Piezoelemente, mit dem sich Vibrationen in Strukturen unterdrücken lassen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine effektive, variable Veränderbarkeit der Nachgiebigkeit oder Federkonstanten von auf Biegung beanspruchten Bauteilen anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Bauteil, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil sind in einfachster Ausführung mindestens zwei plattenförmige parallel aufeinander liegende Elemente, die an den äußeren parallel zu ihrer Längsachse zwei aufeinander zu gerichtete flanschartige Erhebungen aufweisen, vorhanden. Selbstverständlich können auch mehr als zwei plattenförmiger Elemente, in Form eines Stapels übereinander angeordnet, vorhanden sein.
Zwischen zwei unmittelbar übereinander angeordneten plattenförmigen Elementen ist mindestens ein eine Zugkraft ausübendes Aktorelement angeordnet. Ein Aktorelement ist dabei mit einem Elastomer, welches mit zwei flächigen Elektroden an zwei Seiten eingefasst ist, gebildet. Die bei der Erfindung einsetzbaren Aktorelemente können den aus dem Stand der Technik bekannten elektroaktiven Polymeren entsprechen. Es wird aber deren nutzbare Wirkung in anderer Weise ausgenutzt, worauf nachfolgend noch zurück zu kommen sein wird.
An jedem Aktorelement ist an den zwei Stirnseiten, die parallel zur Längsachse der plattenförmigen Elemente ausgerichtet sind, ein Fixierelement mit dem Aktorelement verbunden. Die Verbindung kann direkt oder über jeweils mindestens ein Druckfederelement erfolgen. Die Zugkraftwirkung des/der Aktorelemente(s) wirkt dabei der Druckkraft der Druckfederelemente entgegen.
Die Fixierelemente können aber bei einer an die Elektroden des Aktorelements angelegten elektrischen Spannung, die einen Schwellwert überschreitet, durch eine Reduzierung der Zugkraft des jeweiligen Aktorelements und die Druckkräfte der Druckfederelemente gegen jeweils zwei flanschförmige Erhebungen der plattenförmigen Elemente, zwischen denen das jeweilige Aktorelement angeordnet ist, bewegt werden. Dies ist dann der Fall, wenn die Zugkraft des/der Aktorelemente(s) kleiner als die Druckkraft der Druckfederelemente geworden ist. Es ist eine gute Beeinflussung durch die an die Elektroden eines Aktorelements angelegte elektrische Spannung möglich.
Durch die Druckkräfte können die Fixierelemente in Richtung der flanschförmigen Erhebungen, die an den plattenförmigen Elementen ausgebildet sind, bewegt werden. Sie können dadurch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Fixierelementen und den plattenförmigen Elementen erreichen. Bei entsprechender Konturierung der jeweiligen aufeinander zu gerichteten Oberflächen von Fixierelementen und flanschförmigen Erhebungen kann allein oder zusätzlich auch eine formschlüssige Verbindung erreicht werden.
Die so manipulierten plattenförmigen Elemente liegen dann nicht mehr lose übereinander und können sich auch nicht mehr unabhängig voneinander verbiegen und aneinander entlang gleiten. Vielmehr sind sie an ihren äußeren seitlichen Rändern miteinander verbunden, wodurch sich die Nachgiebigkeit und das Federungsverhalten auch in Folge des sich dadurch verändernden mechanischen Widerstandsmoments verändern lassen. Je nach Zustand eines Aktorelements können die beiden plattenförmigen Elemente zwischen denen ein Aktorelement angeordnet ist, unabhängig voneinander gleiten oder sie sind miteinander verbunden, was bei einem Formschluss eine feste Verbindung bedeutet.
Bei mehr als zwei übereinander angeordneten plattenförmigen Elementen besteht eine erhöhte Variabilität, da dann zwei oder auch mehr plattenförmige Elemente entsprechend miteinander verbunden werden können, je nach dem wie dies gefordert bzw. gewünscht ist.
Bei der alleinigen Kraftschlusswirkung können die zwischen den Fixierelementen und den flanschförmigen Erhebungen wirkenden Reibkräfte beeinflusst und verändert werden, was durch eine gezielte Steuerung der an die Elektroden eines Aktorelements angelegten elektrischen Spannung erreicht werden kann. Dadurch ist eine weitere Variationsmöglichkeit für die Nachgiebigkeit und das Federverhalten eines Bauteils gegeben. Man kann dabei von einem „Feintuning” sprechen. Diese Wirkung kann durch unterschiedliche elektrische Spannungen, die an Elektroden mehrerer Aktorelemente angelegt werden, noch erweitert werden.
Wie bereits angesprochen, können für die Herstellbarkeit einer formschlüssigen Verbindung von plattenförmigen Elementen an Fixierelementen in Richtung auf die flanschförmige Erhebungen Konturelemente und an den flanschförmigen Erhebungen komplementäre Konturelemente ausgebildet sein. Diese können beispielsweise mäanderförmig, in Form von Dreiecken, sägezahnförmig, halbrund, rechteckig oder wellenförmig ausgebildet sein.
In einer Alternative können Druckfederelemente gelenkig mit einem an einem Aktorelement verbundenen Rahmen verbunden sein. Dies kann vorteilhaft über Festkörpergelenke erreicht werden.
In einer weiteren Alternative können jeweils zwei Druckfederelemente direkt an den Fixierelementen eines Aktorelements angreifen. In diesem Fall können an einem Aktorelement zwei Druckfederelemente parallel zueinander ausgerichtet und an den äußeren Stirnseiten senkrecht zur Längsachse der plattenförmigen Elemente angeordnet sein.
Die Druckfederelemente, die an einem Rahmen befestigt sind, können bevorzugt eine lineare Federkennlinie und die Druckfederelemente, die unmittelbar an Fixierelementen befestigt sind, eine unstetige Federkennlinie aufweisen. Letztgenannte Druckfederelemente können vorteilhaft als Knickfedern ausgebildet und besonders vorteilhaft so dimensioniert sein, dass sie nach Überschreiten eines Schwellwertes, der zu einer ausreichenden Reduzierung der Zugkraftwirkung des Aktorelements geführt hat, völlig gestreckt und geradlinig sind. Dadurch kann eine sichere formschlüssige Verbindung mit ineinander greifenden Konturelementen von flanschförmigen Erhebungen und Fixierelementen und zusätzlich eine einfache und sichere Trennung der formschlüssigen Verbindung erreicht werden, wenn die an die Elektroden eines Aktorelements angelegte elektrische Spannung entsprechend reduziert oder gar vollständig abgeschaltet worden ist.
Die Variabilität der Beeinflussung des Biegeverhaltens eines erfindungsgemäßen Bauteils kann durch eine gezielte einzelne Ansteuerung von Aktorelementen erhöht werden. So können Aktorelemente, die in einer Ebene zwischen zwei plattenförmigen Elementen genauso einzeln angesteuert werden, wie dies bei Aktorelementen, die in unterschiedlichen Ebenen zwischen unterschiedlichen plattenförmigen Elementen angeordnet sind, der Fall sein kann.
Es besteht auch die Möglichkeit, plattenförmige Elemente. an einem erfindungsgemäßen Bauteil einzusetzen, die voneinander abweichende mechanische Widerstandsmomente in der jeweiligen Biegerichtung aufweisen. im einfachsten Fall können dies unterschiedliche Dicken, bei ansonsten gleichen äußeren Abmessungen sein.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil kann zumindest an einer Seite fest eingespannt sein, wodurch eine einfache Biegefeder gebildet ist. Ein erfindungsgemäßes Bauteil kann aber auch als Träger ausgebildet sein, der auf Stützen angeordnet werden kann. Es kann aber auch in andere Bauteile integriert werden und dort lokal wirken.
Insbesondere bei längeren plattenförmigen Elementen können zwischen zwei übereinander angeordneten plattenförmigen Elementen in ihrer Längsachsrichtung mindestens zwei Aktorelemente angeordnet sein.
Bei den bei der Erfindung einsetzbaren Aktorelementen können als Elastomer geeignete Polymerfolien, beispielsweise aus Silikon, Acrylaten oder Polyurethan eingesetzt werden. An beiden Oberflächen einer solchen Folie können die flächigen Elektroden mit einer Metall- oder Graphitschicht ausgebildet sein. Die Elektroden können dabei zumindest nahezu die gesamte Oberfläche der Polymerfolie überdecken. Elektroden können auch mit einer Metallisierung gebildet sein, die beispielsweise durch Vakuumbeschichtung oder galvanisch aufgebracht worden ist. Die Elektroden können mit aus dem Stand der Technik bekannten Kontaktelementen elektrisch kontaktiert sein.
Ein durch mehrere übereinander angeordnete plattenförmige Elemente gebildeter Stapel eines erfindungsgemäßen Bauteils kann durch von außen angreifende Klemmelemente stabilisiert werden, so dass ein auseinander fallen verhindert und gleichzeitig gesichert werden kann, dass durch die Klemmelemente die freie Beweglichkeit der plattenförmigen Elemente nicht oder nur geringfügig behindert wird.
Die Nachgiebigkeit n eines Bauteils mit einer Anzahl von N plattenförmigen Elementen kann wie folgt bestimmt werden: n = 1/N·w₀/F; wobei w₀ die Durchbiegung und F die Biegekraft sind.
Für die maximale Nachgiebigkeit, bei der mehrere plattenförmige Elemente, wie vorab beschrieben miteinander verbunden sind, kann mit n₁ = w₁F = w₀/F·G bestimmt werden, wobei G ein Geometriefaktor ist, der durch die Anzahl der plattenförmigen Elemente und deren Abmessungen bestimmt wird.
Dabei können alle Elemente eines erfindungsgemäßen Bauteils, bis auf die Polymerfolie mit den Elektroden, aus einem geeigneten ausreichend festen und steifen Werkstoff hergestellt werden. Dies kann/können beispielsweise ein oder mehrere Kunststoffe, Verbundwerkstoffe aber auch Metall sein. Bei Metallen ist auf eine elektrische Isolation zu den Elektroden der Aktorelemente zu achten.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Beispiel eines bei der Erfindung einsetzbaren Aktorelements;
2 ein weiteres Beispiel eines bei der Erfindung einsetzbaren Aktorelements mit formschlüssiger Verbindung;
3 das Beispiel eines Aktorelements nach 2 bei getrennter formschlüssiger Verbindung;
4 eine Schnittdarstellung durch zwei plattenförmige Elemente;
5 eine Draufsicht auf ein plattenförmiges Element;
6 eine Detaildarstellung von an einer flanschartigen Erhebung und einem Fixierelement ausgebildeten Konturelementen;
7 ein weiteres Beispiel eines bei der Erfindung einsetzbaren Aktorelements;
8 eine Schnittdarstellung durch mehrere plattenförmige Elemente im Bereich flanschartiger Erhebungen;
9 eine lineare Federkennlinie 1, bei konstanter Federkonstante, wie sie mit einem Aktorelement nach 1 erreichbar ist und die Federkennlinie 2 entspricht einer unstetigen Federkennlinie, wie sie bei Knickstäben gemäß dem Beispiel nach den 2 und 3 auftritt;
10A u. 10B in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils mit fünf plattenförmigen Elementen, das bei gleicher Kraftwirkung durch eine Verbindung der plattenförmigen Elemente mittels der Aktorelemente biegesteifer und bei gelöster Verbindung weniger biegesteif ist.
In 1 ist ein Beispiel eines Aktorelements, wie es bei einem erfindungsgemäßen Bauteil eingesetzt werden kann, gezeigt. Dabei ist ein Aktorelement 2 mit einer Polymerfolie gebildet, die an beiden gegenüberliegenden Oberflächen mit einer dünnen Metallschicht aus Silber versehen worden ist. Die Polymerfolie aus Silikon hatte eine Dicke von 60 nm und die beiden Elektroden, von denen lediglich die Elektrode 2.2 in der 1 erkennbar ist, eine Dicke von 500 nm.
Das Aktorelement 2 ist im Rahmen 2.1 gehalten und dabei sind vier Druckfederelemente 4 in Form von Biegefedern am Rahmen 2.1 und zwei Fixierelementen 3 gelenkig befestigt. Die Biegefedern können dabei Bestandteil des Rahmens 2.1 und dabei auch mit Festkörpergelenken daran befestigt sein. Die Fixierelemente 3 sind an zwei Stirnseiten des Aktorelements 2 angeordnet, die parallel zur Längsachse eines in 1 nicht dargestellten plattenförmigen Elements 1 ausgerichtet sind. Dieses würde sich in die Zeichnungsebene hinein und wieder heraus verbiegen können. Die Längsachse würde in der Zeichnung horizontal ausgerichtet sein.
Das Aktorelement 2 ist durch Klemmen und/oder Kleben bei diesem Beispiel mit zwei stegförmigen Elementen 2.3 verbunden. Diese sind wieder gelenkig mit dem jeweiligen Fixierelement 3 verbunden, was in diesem Fall mit den Gelenken 2.4 realisiert worden ist.
In einem nicht aktivierten Zustand wirkt durch die Polymerfolie des Aktorelements 2 eine Zugkraft, die größer als die Summe der durch die Druckfederelemente 4 aufgebrachten Druckkräfte ist. Dabei liegt das Aktorelement 2 lose zwischen zwei plattenförmigen Elementen 1 (nicht dargestellt), so dass diese ebenfalls lose übereinander liegen. Wird jedoch an die beiden Elektroden eine ausreichend große elektrische Spannung angelegt, reduziert sich die wirkende Zugkraft des Aktorelements 2. Dadurch kommt es zu dem Zustand, dass die Druckkräfte der Druckfederelemente 4 größer als diese Zugkraft wird, wodurch sich die Fixierelemente 3 nach außen bewegen. Dadurch vergrößert sich die Länge des Aktorelements 2 in vertikaler Richtung. Die Fixierelemente 3 bewegen sich dabei in Richtung auf flanschförmige Erhebungen 1.1, die an den zwei entsprechenden Stirnseiten zweier plattenförmiger Elemente 1, die übereinander angeordnet sind, zu. Dabei sind bei diesem Beispiel an den nach außen weisenden Stirnflächen der Fixierelemente 3 mäanderförmige Konturelemente 3.1 ausgebildet, die dabei in an den flanschförmigen Erhebungen 1.1 ausgebildete komplementär ausgebildete Konturelemente 1.2 eingreifen und dabei eine formschlüssige Verbindung, die zu einer Verbindung der beiden übereinander angeordneten plattenförmigen Elemente 1 an den beide Stirnseiten führt, hergestellt werden kann. Diese beiden plattenförmigen Elemente 1 können dann nur noch gemeinsam bei wirkenden Druckkräften verbogen werden, wodurch sich die Nachgiebigkeit und die Federkonstante bei einer Biegebeanspruchung gegenüber den nicht so miteinander verbundenen plattenförmigen Elementen 1 verändert.
Dieser Sachverhalt trifft sinngemäß auch auf ein erfindungsgemäßes Bauteil, bei dem Aktorelemente 2, wie sie beispielhaft in 2 und 3 gezeigt sind, zu.
In 2 ist ein weiteres Beispiel eines bei der Erfindung einsetzbaren Aktorelements 2 in aktiviertem Zustand gezeigt. Dabei ist eine elektrische Spannung an Kontaktelementen 2.3 und 2.4 der beiden Elektroden des Aktorelements 2, von denen in der Darstellung lediglich die Elektrode 2.2 erkennbar ist, angelegt. Dadurch ist die wirksame Zugkraft der Polymerfolie des Aktorelements 2 soweit reduziert worden, dass sie kleiner als die mit den beiden Druckfederelementen 4.1 aufgebrachte Druckkraft geworden ist. Mit den jetzt gestreckten Druckfederelementen 4.1 sind die am Aktorelement 2 befestigten Fixierelemente 3 nach außen bewegt worden. Dadurch wurden die Konturelemente 3.1 der beiden Fixierelemente 3 in formschlüssigen Eingriff mit den komplementären Konturelementen 1.2, die an den flanschförmigen Erhebungen 1.1 von übereinander angeordneten plattenförmigen Elementen 1 ausgebildet sind, gebracht, von denen in 2 und 3 lediglich die flanschförmigen Erhebungen 1.1 mit den daran ausgebildeten Konturelementen 1.2 erkennbar sind.
In 3 ist der Zustand gezeigt, bei dem die elektrische Spannung an den Kontakten 2.3 und 2.4 abgeschaltet oder zumindest soweit reduziert worden ist, dass die mit dem Aufbau aus Polymerfolie und den beiden Elektroden erreichbare Zugkraft größer als die Druckkräfte der Druckfederelemente 4.1 ist. Dadurch werden die Konturelemente 3.1 und 1.2 außer Eingriff gebracht und die Druckfederelemente 4.1 entsprechend verbogen. Die mechanische Verbindung der beiden über und unter dem Aktorelement 2 angeordneten plattenförmigen Elemente 1 wird dadurch getrennt, so dass sie wieder lose übereinander liegen und dadurch unabhängig voneinander verbogen werden können.
In 4 sind zwei übereinander angeordnete plattenförmige Elemente 1 in einer Schnittdarstellung gezeigt. An beiden plattenförmigen Elementen 1 sind an zwei sich gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine flanschförmige Erhebung 1 ausgebildet. In diesem Bereich liegen die plattenförmigen Elemente 1 aneinander und es ist zwischen beiden ein Hohlraum für die Aufnahme eines Aktorelements 2 vorhanden. In der Darstellung von 4 ist es nicht erkennbar, dass an den flanschförmigen Erhebungen 1.1 Konturelemente 1.2 ausgebildet sind. Die Bewegung eines Aktorelements 2 mit den beiden Fixierelementen 3 erfolgt bei reduzierter Zugkraft, in Folge der in ausreichender Höhe angelegten elektrischen Spannung dann in der Zeichnung in horizontaler Richtung, so dass die nach außen weisenden Stirnflächen der beiden Fixierelemente 3 gegen die nach innen weisenden und vertikal ausgerichteten Flächen der flanschförmigen Erhebungen 1.1 bewegt werden und dabei eine Reibkraftwirkung zwischen diesen Flächen und/oder ein Formschluss der Konturelemente 1.2 mit 3.1 für die mechanische Verbindung der beiden plattenförmigen Elemente 1 an diesen beiden Stirnseiten erreicht werden kann.
In 5 ist eine Draufsicht auf ein plattenförmiges Element 1 gezeigt. Bei dem an den beiden parallel zur Längsachse, die mit der Linie A-A nahezu übereinstimmt, ausgerichteten Stirnseiten wieder Konturelemente 1.2 an den beiden flanschförmigen Erhebungen 1.1 ausgebildet sind. Dabei weist das plattenförmige Element 1 eine relativ große Länge in seiner Längsachsrichtung auf. Dadurch besteht die Möglichkeit zwei Aktorelemente 2 einzusetzen, wie dies mit der gestrichelten Linie angedeutet ist. Beide Aktorelemente 2 können gemeinsam aber auch unabhängig voneinander gesteuert betrieben werden, so dass sich eine lokal differenzierte mechanische Verbindung der zwei übereinander angeordneten plattenförmigen Elemente 1 zwischen denen die beiden Aktorelemente 2 angeordnet sind, erreichen lässt.
Die 6 zeigt in vergrößerter Darstellung die an den Fixierelementen 3 und an den flanschförmigen Erhebungen 1.1 ausgebildeten Konturelemente 3.1 und 1.2. Dabei wird deutlich, dass die Konturelemente 3.1 in ihrer Tiefe kleiner sein können, als dies bei den Konturelementen 1.2 der Fall ist. Dadurch kann ein sicherer vollständiger Eingriff der Konturelemente 3.1 in die komplementären Konturelemente 1.2 ermöglicht werden und dadurch immer gleiche Bedingungen bei der mechanischen Verbindung durch Formschluss eingehalten werden können, da die Konturelemente 3.1 immer mit der gleichen Tiefe in Konturelemente 1.2 eingeführt werden können.
In 7 ist ein weiteres Beispiel eines bei der Erfindung einsetzbaren Aktorelements 2 gezeigt. Dabei sind Druckfederelemente innerhalb des Rahmens 2.1 angeordnet. Diese sind in der Darstellung nicht erkennbar, da sie vom Rahmen 2.1 überdeckt sind. Die Druckfederelemente können dabei als Stabfedern oder Schraubenfedern mit linearer oder nichtlinearer Federkennlinie ausgebildet sein. Der Rahmen 2.1 ist bei diesem Beispiel zweigeteilt, so dass eine Verschiebung bei einer Bewegung der Fixierelemente 3 in Richtung auf flanschförmige Erhebungen 1.1 (nicht dargestellt), also hier in vertikaler Richtung nach oben und unten möglich ist. Ansonsten entsprechen die Ausbildung und Funktion dieses Aktorelements 2 dem, wie es bereits bei den anderen Beispielen erläutert worden ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit seitlich neben dem Rahmen 2.1 jeweils zwei Knickfedern einzusetzen, die mit ihren Stirnseiten an den Fixierelementen 3 befestigt sind und dort angreifen.
Die 8 zeigt einen Aufbau eines Beispiels für ein erfindungsgemäßes Bauteil mit drei plattenförmigen Elementen 1, die übereinander angeordnet sind und zwischen denen zwei Aktorelemente 2 für deren mechanische Verbindung mittels Formschluss vorhanden sind. Dabei sind am oberen und unteren plattenförmigen Element 1 jeweils zwei sich gegenüberliegend angeordnete flanschförmige Erhebungen 1.1 mit Konturelementen 1.2 vorhanden. Am mittleren plattenförmigen Element 1 sind jeweils nach oben und nach unten gerichtete flanschförmige Erhebungen 1.1 mit Konturelementen 1.2 ausgebildet. Dadurch kann eine mechanische Verbindung aller drei plattenförmiger Elemente 1 aber auch lediglich eine mechanische Verbindung des unteren mit dem mittleren oder dem oberen mit dem mittleren plattenförmigen Element 1 bei entsprechender Aktivierung der beiden Aktorelemente 2 erreicht werden.
Soll ein Bauteil mit mehr als drei plattenförmigen Elementen 1 zur Verfügung gestellt werden, können mehrere solcher mittleren plattenförmigen Elemente 1 eingesetzt werden, die jeweils an zwei Seiten flanschförmige Erhebungen 1.1 aufweisen, an denen auch Konturelemente 1.2 ausgebildet sein können.
In 9 ist ein Diagramm für Federkennlinien 1 und 2 gezeigt. Darin liegt bei 2 die kritische Kraft, die im Schnittpunkt mit der Federkennlinie überwunden werden muss, um eine kraft- und/oder formschlüssige mechanische Verbindung mittels mindestens eines Aktorelements 2 zwischen zwei über und unter dem Aktorelement 2 angeordneten plattenförmigen Elementen 1 zu erreichen. Nach dem Überschreiten einer kritischen Kraft knicken die Federelemente aus. Ab diesem Schwellwert können bereits durch kleine Veränderungen der an die Elektroden eines Aktorelements 2 angelegten elektrischen Spannung größere Veränderungen des Weges, den die Fixierelemente 3 zurück legen können, möglich. Es kann so vorteilhaft ein sicherer Kraft- und/oder Formschluss erreicht werden.
In den 10A und 10B ist ein Bauteil gezeigt, das mit jeweils vier übereinander gestapelten plattenförmigen Elementen 1 gebildet und einseitig fest eingespannt ist. Dabei sind die plattenförmigen Elemente 1 mittels der Aktorelemente 2 miteinander verbunden (10A) und wie in 10B dargestellt, nicht miteinander verbunden. Der Zustand gemäß 10A ist dabei biegesteifer als der in 10B gezeigte, so dass bei gleicher wirkender Kraft einmal keine und einmal eine Verbiegung des Bauteils auftreten kann.
Die Nachgiebigkeit, die Federkennlinie und/oder die Federkonstante können dabei beeinflusst werden, in dem alle plattenförmigen Elemente 1 mittels Aktorelementen 2 mechanisch an ihren äußeren seitlichen Rändern miteinander verbunden werden. Dies kann aber auch dadurch erreicht werden, dass nur einige plattenförmige Elemente 1 so miteinander oder plattenförmige Elemente 1 nur lokal differenziert mit entsprechend mehreren zwischen zwei über- und untereinander angeordneten plattenförmigen Elementen 1 angeordneten und entsprechend aktivierten oder nichtaktivierten Aktorelementen 2 verbunden werden.

Claims

Bauteil mit veränderbarer Nachgiebigkeit und Federkonstante bei einer Biegung, umfassend mindestens zwei plattenförmige parallel aufeinander liegende Elemente (1), die an den äußeren parallel zu ihrer Längsachse ausgerichteten seitlichen Rändern zwei aufeinander zu gerichtete flanschartige Erhebungen (1.1) aufweisen und zwischen den Elementen (1) mindestens ein eine Zugkraft ausübendes Aktorelement (2) angeordnet ist, das mit einem Elastomer, welches mit zwei flächigen Elektroden an zwei Seiten eingefasst ist, gebildet ist, wobei Druckfederelemente (4) vorgesehen sind und die Zugkraftwirkung des jeweiligen Aktorelements (2) der Druckkraft der Druckfederelemente (4) entgegenwirkt, wobei das jeweilige Aktorelement (2) an zwei Stirnseiten, die parallel zur Längsachse der Elemente (1) ausgerichtet sind, jeweils direkt mit einem Fixierelement (3) oder über jeweils ein Druckfederelement (4) mit einem Fixierelement (3) verbunden ist; dabei die Fixierelemente (3) bei einer an die Elektroden des jeweiligen Aktorelements (2) angelegten elektrischen Spannung, die einen Schwellwert überschreitet, durch eine Reduzierung der Zugkraft des jeweiligen Aktorelements (2) und die Druckkräfte der Druckfederelemente (4) gegen jeweils zwei flanschförmige Erhebungen (1.1) der plattenförmigen Elemente (1), zwischen denen das jeweilige Aktorelement (2) angeordnet ist, bewegbar sind und dadurch eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den jeweiligen beiden plattenförmigen Elementen (1) herstellbar ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an Fixierelementen (3) in Richtung auf die flanschförmige Erhebung (1.1) Konturelemente (3.1) und an den flanschförmigen Erhebungen (1.1) komplementäre Konturelemente (1.2) für eine formschlüssige Verbindung ausgebildet sind.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Druckfederelemente (4) gelenkig mit einem an einem Aktorelement (2) verbundenen Rahmen (2.1) verbunden sind oder jeweils zwei Druckfederelemente (4.1) direkt an den Fixierelementen (3) eines Aktorelements (2) angreifen; wobei die Druckfederelemente (4), die mit dem Rahmen (2.1) verbunden sind, bevorzugt eine lineare Federkennlinie und die Druckfederelemente (4.1), die unmittelbar an den Fixierelementen (4) angreifen, bevorzugt eine unstetige Federkennlinie aufweisen.
Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Druckfederelemente (4.1), die unmittelbar an den Fixierelementen (3) angreifen, Knickfedern sind.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aktorelemente (2) einzeln ansteuerbar sind.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass plattenförmige Elemente (1) mit voneinander abweichendem mechanischen Widerstandsmoment in Biegerichtung vorhanden sind.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil an mindestens einer Seite fest eingespannt ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei plattenförmigen Elementen (1) in ihrer Längsachsrichtung mindestens zwei Aktorelemente (2) angeordnet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturelemente (1.2 u. 3.1) mäanderförmig, in Form von Dreiecken, sägezahnförmig, halbrund, rechteckig oder wellenförmig ausgebildet sind.