Die
Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patenanspruch 1.The
The invention relates to a solid-state actuator drive device
with the above-mentioned features according to claim 1.
EP 1 098 429 A2 beschreibt
einen elektromechanischen Motor mit einer derartigen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung.
Diese besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen Antriebskörper, der eine
Durchgangsöffnung
aufweist, sowie aus einer Welle, welche durch die Durchgangsöffnung hindurchragt
und in einem Umfangsabschnitt mit der Wandung der Durchgangsöffnung in
Reibkontakt steht. Der Außendurchmesser
der Welle ist dabei geringer als der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung.
Mittels zweier elektromechanischer Festkörperaktoren wird der Antriebskörper in
eine umlaufende Verschiebebewegung versetzt, wodurch die Welle auf
Grund des Reibkontakts in eine Rotation versetzt wird. Außerdem bekannt
ist ein ringförmiger
Antriebskörper
mit innenliegenden Festkörperaktoren, wobei
eine Hohl-Welle den Antriebskörper
zylinderförmig
umgibt und in einem Kontaktabschnitt in Reibkontakt steht. EP 1 098 429 A2 describes an electromechanical motor with such a solid-state actuator drive device. This essentially consists of an annular drive body, which has a passage opening, as well as of a shaft, which protrudes through the passage opening and is in frictional contact with the wall of the passage opening in a peripheral portion. The outer diameter of the shaft is less than the inner diameter of the passage opening. By means of two electromechanical solid state actuators, the drive body is set in a circumferential displacement movement, whereby the shaft is caused to rotate due to the frictional contact. Also known is an annular drive body with internal solid-state actuators, wherein a hollow shaft surrounds the drive body in a cylindrical shape and is in frictional contact in a contact section.
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.Next
versions
with purely cylindrical walls and embodiments are shown in
which either the wall of the shaft or the wall of the passage opening a
common section, d. H. obtuse or convex
is trained. This results in a wave circumferential area on the shaft,
the shaft rotates linear or strip-shaped. On an inner wall peripheral area
the passage opening
of the drive body
is a corresponding line or strip-shaped circumferential wall contact portion
educated. The drive body
stands with its Wandungs contact portion according to the
Wave peripheral region
the shaft in circulating rubbing contact. This embodiment
serves to a really unwanted te and faulty light
Tilting the shaft opposite
the drive body
compensate.
Generell
gilt, dass das maximale Drehmoment eines solchen reibschlussbasierten
Antriebs durch die endlichen Normalkräfte im Bereich des Kontaktabschnitts
begrenzt ist.As a general rule
holds that the maximum torque of such frictional-based
Drive through the finite normal forces in the area of the contact section
is limited.
WO
94/29946 A1 beschreibt eine Antriebsvorrichtung auf Basis von linearen
Aktoren, wobei ein mit derartigen Aktoren ausgestatteter Antriebskörper innerhalb
einer anzutreibenden zylindrischen Welle angeordnet ist. Die Aktoren
sind so angeordnet sind, dass bei deren Ansteuerung eine Oberfläche des
Antriebskörpers
an einer einzigen Stelle in Druckkontakt mit einer Oberfläche der
anzutreibenden Welle gelangt, welche um die Achse rotiert, wenn
die Aktoren zylindrisch angetrieben werden.WHERE
94/29946 A1 describes a drive device based on linear
Actuators, wherein a drive body equipped with such actuators within
is arranged to be driven cylindrical shaft. The actors
are arranged so that when they are driven, a surface of the
drive body
at a single point in pressure contact with a surface of the
comes to be driven shaft which rotates about the axis when
the actuators are driven cylindrically.
US 5,079,471 A beschreibt
einen Antrieb, bei welchem von einem zu einem Gehäuse relativ
zur anzutreibenden welle achsparallel festen Basiskörper zwei
Lagerelemente sich in Richtung der Welle erstrecken, wobei die beiden
Lagerelemente Durchgangsöffnungen
zum Durchführen
der Welle aufweisen. Zwischen diesen beiden zueinander parallelen und
beabstandeten Lagerelementen ist ein einziger eigentlicher Antriebskörper eingesetzt,
welcher über mehrere
Linearaktoren in eine Verschiebebewegung versetzbar ist, so dass
die durch eine Antriebskörperöffnung hindurchgeführte Welle
in Rotation versetzbar ist. US 5,079,471 A describes a drive in which two bearing elements extend from one to a housing relative to the shaft to be driven axially parallel fixed base body in the direction of the shaft, wherein the two bearing elements have through holes for passing the shaft. Between these two mutually parallel and spaced bearing elements, a single actual drive body is used, which is displaceable over a plurality of linear actuators in a sliding movement, so that the passed through a drive body opening shaft is set in rotation.
DE 199 09 913 B4 beschreibt
eine elektromechanische Antriebsvorrichtung mit zwei Lagerelementen,
welche eine durch Öffnungen
in den Lagerelementen führende
Welle in Rotation versetzen. Eines der Lagerelemente weist einen
integrierten Antriebskörper
auf, welcher über
einen Linearaktor in eine Schwingung relativ zu dem umgebenden Material
des Lagerelements bzw. einem Gehäuse
versetzt wird. Zwischen diesem Antriebskörper und der Welle besteht
nur eine einzige umlaufende Berührungslinie. DE 199 09 913 B4 describes an electromechanical drive device with two bearing elements, which set a leading through openings in the bearing elements shaft in rotation. One of the bearing elements has an integrated drive body, which is offset via a linear actuator into a vibration relative to the surrounding material of the bearing element or a housing. Between this drive body and the shaft, there is only a single circumferential contact line.
US 4,814,660 A offenbart
ebenfalls nur einen Antriebskörper
andersartiger Konstruktion, welcher in einem abgeschrägten Bereich
an einem anzutreibenden Element einer Welle bzw. einem eine Welle antreibenden
Element anliegt. Die aneinander anliegenden Wandflächen, welche
eine Kraftübertragung vorsehen,
verlaufen unter demselben Winkel parallel zueinander. US 4,814,660 A also discloses only a drive body of a different construction, which abuts in a bevelled area on a driven element of a shaft or a shaft driving element. The adjoining wall surfaces, which provide a power transmission, run parallel to each other at the same angle.
EP 1 075 079 A1 zeigt
einen piezoelektrischen Aktor, bei dem ein Linearaktor über einen
Vorsprung an einer in Rotation zu versetzenden Welle anliegt. Es
handelt sich somit um eine gänzlich
andersartige Konstruktion einer Antriebsvorrichtung. EP 1 075 079 A1 shows a piezoelectric actuator in which a linear actuator rests on a projection on a shaft to be rotated. It is thus a completely different construction of a drive device.
EP 0 923 144 A2 beschreibt
einen gänzlich andersartig
aufgebauten Festkörperaktorantrieb.
Bei diesem sind auf einem Sockel drei oder mehr säulenförmige Elemente
aufgesetzt, welche in ihren dem Sockel zugewandten Abschnitten Festkörperaktoren aufweisen.
Dadurch werden die dem Sockel beabstandeten Enden der säulenförmigen Elemente
in eine Vibration versetzt, welche eine auf diesen aufliegende Kugel
zu einer Rotation veranlasst. Den mindestens drei Antriebskörpern ist
jeweils nur ein einzelner Berührungsbereich
zu der Kugel zugeordnet. EP 0 923 144 A2 describes a completely differently designed solid-state actuator drive. In this three or more columnar elements are placed on a pedestal, which have in their socket-facing sections solid state actuators. As a result, the ends of the columnar elements which are at a distance from the base are vibrated, which causes a ball resting thereon to rotate. The at least three drive bodies are each associated with only a single contact area to the ball.
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
bereitzustellen, welche eine effektivere Kraftübertragung und damit höhere Drehmomente
im Abtrieb ermöglicht.The object of the invention is to provide a solid-state actuator drive device provide, which allows a more effective power transmission and thus higher torque in the output.
Diese
Aufgabe wird durch die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These
Task is by the solid-state actuator drive device
solved with the features of claim 1.
Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.advantageous
Embodiments are the subject of dependent claims.
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 Verschiebe bewegung
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.Prefers
Accordingly, a solid-state actuator drive device
for driving a shaft in rotation about its shaft axis with a
drive body
and with at least two solid state actuators,
the on the drive body
are arranged to move the drive body in a circumferential displacement movement
to power the shaft. It is a line or strip-shaped circumferential
Shaft circumferential portion of the shaft in a along the circumferential circumferential shaft area
wandering contact portion in frictional contact with a wall contact portion,
the longitudinal
a line or strip shape
wraparound circumferential wall area of the drive body moves.
Another, second line or strip-shaped circumferential wave area
the wave is in a longitudinal direction of the
circumferential peripheral portion migrating contact portion in frictional contact
with another along
a further line-shaped or strip-shaped circumferential wall region
hiking wall contact section. In other words, am
outer periphery
the wave two line or strip-shaped circumferential circumferential areas formed.
Furthermore
are on the drive body
two corresponding line or strip circumferential peripheral wall areas
educated. Each of the two shaft peripheral areas of the shaft is in
Frictional contact with the corresponding opposite wall peripheral area
of the drive body.
This results in each case at the two wave circumferential regions
Contact section and at the two wall peripheral areas arises respectively
a wall contact section. The two contact sections of
Shaft are in frictional contact with the corresponding opposite
the two wall contact portions of the drive body.
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.Prefers
In particular, a solid-state actuator drive device is disclosed.
at which between the two contact portions on a wave wall
no frictional contact, in particular no contact with an opposite one
Drive body-wall
of the drive body
consists.
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.Prefers
In particular, a solid-state actuator drive device is disclosed.
in which a wave contour of the shaft between the wave circumferential regions
convex and / or bulging away from the shaft axis running
is formed and one of the wave contour opposite wall contour
of the drive body
concaved between the wall peripheral regions concave and / or in the drive body
is formed running.
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.Prefers
In particular, a solid-state actuator drive device is disclosed.
in which a wave contour of the shaft between the wave circumferential regions
one outwards
projecting obtuse angle whose angled tip with a
opposite
Drive body-wall
of the drive body
gets in frictional contact at the peripheral wall region. Prefers
In this case, a drive device in which a wave contour of the
Wave between the wave circumferential areas concave and / or to the shaft axis
recessed out running formed and one of the wave contour opposite
Drive body-wall
of the drive body
between the Wan training circumferential areas convex and / or bulge out of the drive body
is formed running.
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.Prefers
In particular, a solid-state actuator drive device is disclosed.
in which a wall contour of the drive body between the peripheral wall areas
one outwards
projecting obtuse angle whose angled apex with the opposite
Shaft wall of the shaft at the shaft peripheral portions comes into frictional contact.
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.Prefers
In particular, a solid-state actuator drive device is disclosed.
in which in a wave contour region at a first angle
not parallel and not perpendicular to the shaft axis, the wave perimeter areas
do not run in a wall contour area at a second angle
parallel and not perpendicular to the shaft axis and not parallel to the
Drive body axis
the peripheral wall portions of the drive body run and the first
Angle is not equal to the second angle.
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.Prefers
In particular, a solid-state actuator drive device is disclosed.
at which acting in the contact portions friction with
a force component not perpendicular to the axis of rotation of the shaft
and the drive body
Act.
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.Prefers
In particular, a solid-state actuator drive device is disclosed.
in which the first frictional force of the first of the two contact portions of
each two peripheral regions at an angle smaller than 90 ° to the axis of rotation
and the second friction force of the second of the two contact sections below
an angle greater than 90 ° to the axis of rotation acts.
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.In particular, a solid is preferred peraktoren drive device, wherein the shaft has an axial passage opening, wherein the drive body is inserted in the axial passage opening and the round outer periphery of the drive body is in frictional contact with an inner periphery of the passage opening at the contact portions.
Bevorzugt
wird alternativ insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei welcher der Antriebskörper eine
Durchgangsöffnung
aufweist, in welche die Welle hineinragt oder durch welche die Welle
hindurchfährt.
Bevorzugt wird dabei insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher der Antriebskörper
aus zumindest zwei Antriebskörperteilen
ausgebildet ist, wobei die beiden Antriebskörperteile im zusammenmontierten
Zustand in einem Bereich benachbart aneinander liegen, welcher die
Antriebskörper-Umfangsbereiche zur
Montage voneinander trennt. Bevorzugt wird insbesondere ein Verfahren
zur Montage einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei dem die Welle in der Durchgangsöffnung eines der Antriebskörperteile eingesetzt
wird und danach das zweite Antriebskörperteil mit dessen Durchgangsöffnung über die
Welle geschoben und an dem ersten Antriebskörperteil oder in axialer Richtung
relativ zu diesem festgelegt wird.Prefers
Alternatively, a solid-state actuator drive device, in which the drive body a
Through opening
in which projects the shaft or through which the shaft
shall pass through.
In particular, a solid-state actuator drive device is preferred here,
in which the drive body
from at least two drive body parts
is formed, wherein the two drive body parts in the assembled
Condition adjacent to each other in an area, which the
Drive body circumferential areas for
Assembly separates from each other. In particular, a method is preferred
for mounting such a solid-state actuator drive device,
in which the shaft is inserted in the passage opening of one of the drive body parts
is and then the second drive body part with its passage opening over the
Shaft pushed and on the first drive body part or in the axial direction
is set relative to this.
Ein
Ausführungsbeispiel
wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:One
embodiment
will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
1 eine
seitliche Ausschnittansicht einer bevorzugten Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, 1 a side cutaway view of a preferred solid-state actuator drive device,
2 eine
teilweise geschnittene Draufsicht auf eine solche Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, 2 a partially sectioned plan view of such a solid-state actuator drive device,
3 eine
seitliche Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, 3 a side sectional view of an alternative embodiment of the solid-state actuator drive device,
4, 5 Schnittansichten
von Ausschnitten weiterer alternativer Ausführungsformen, 4 . 5 Sectional views of sections of further alternative embodiments,
6 schematisch
einen Kraftfluss in einem Kontaktbereich einer solchen Anordnung, 6 schematically a force flow in a contact region of such an arrangement,
7 einen
vergrößerten Ausschnitt
zur Veranschaulichung eines auszuschließenden Winkelverhältnisses
und 7 an enlarged section illustrating an exclusion angle ratio and
8A-8C Ansichten
eines zweiteiligen Antriebskörpers
zum Ermöglichen
einer Montage einer solchen Festkörperaktoren-Antriebsvorrichtung. 8A - 8C View of a two-piece drive body to allow mounting of such a solid-state actuator drive device.
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.How out 1 and 2 As can be seen, a preferred solid-state actuator drive device consists of a drive body 1 with a central passage opening 10 , a wave 2 passing through the passage opening 10 passes, and at least two solid state actuators 3 , which with the drive body 1 in operative connection to the drive body 1 to put in a circumferential displacement movement. The wave 2 has a smaller outer diameter than an inner diameter of the through hole 10 on. The arrangement of the drive body 1 to the wave 2 is in the operating state of the solid state actuators 3 such that the wave 2 with its outer periphery preferably always in a contact section 4 with the inner circumference or the wall of the passage opening 10 of the drive body 1 is in frictional contact.
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.The solid state actuators are on the outer circumference of the drive body 1 preferably firmly attached, z. B welded, and in a plane x, y perpendicular to the shaft axis X of the shaft 2 arranged such that it the drive body 1 can put in the circumferential displacement movement. The rotation or shaft axis X of the shaft 2 preferably extends along a coordinate z perpendicular to the plane spanned 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.Driving the rotatably mounted shaft 2 Thus, by rolling on the inside of the periodically circularly displaced by the solid state actuators drive ring or drive body 1 , For generating the circular displacement movement of the drive body 1 become the two solid-state factors 3 z. B. driven by two phase-shifted by 90 ° sinusoidal voltage signals the same peak amplitude, so that the voltage signals are similar to Lissajous figures mapped. On the contact section 4 opposite side is located between the shaft 2 and the inner circumference of the drive body 1 a gap s. The gap of the gap s between the shaft 2 and the inner surface of the drive body 1 In combination with the properties of the solid-state actuators and the design and dimensioning of the drive, it is designed so that during each phase of the rolling movement a strong frictional engagement between the shaft 2 and the drive body 1 consists. In particular, this preferably also applies to the state of the switched-off drive, in which both solid-state actuators are discharged. Ideally, the drive body axis Y is always arranged to run parallel to the shaft axis X and, during operation, moves around the shaft axis X in a circle-like manner.
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.As is known per se, an exemplary piezoelectric motor as such a solid state actuator drive device consists of at least one mechanical base plate 5 in which the wave 2 , which forms a motor shaft, is guided as free of play as possible by means of a bearing. The solid state actuators serve as drive elements 3 , Which preferably by low-voltage piezoelectric multilayer actuators (PMA: piezoelectric multilayer actuators) are formed in low-voltage technology. These PMA are powered by an electrical amplifier via electrical leads 30 driven. Alternatively, however, any other solid state actuators can be used as drive elements, for. As electromagnetic, electrodynamic, electrostrictive or magnetostrictive actuators. The electrical activation causes the solid-state actuators to expand 3 according to the behavior of a piezoelectric longitudinal actuator approximately proportional to the applied electric voltage in the axial direction thereof.
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%.The solid-state factors 3 are between a headstock 31 , the outside a pestle 32 has, a bearing block 33 and a mechanically as soft as possible, in particular slotted Bourdon tube 34 clamped under high mechanical Druckvor voltage. The mechanical compression bias of each of the solid state actuators 3 serves on the one hand to avoid damage to the solid state actuators 3 by tensile forces, which can occur from certain frequencies in continuous operation, and on the other hand to return the solid-state actuators 3 when they are being discharged electrically. Because the stroke of the solid-state actuator 3 through the bourdon tube 34 is reduced, the bourdon tube should 3 in terms of stiffness of the solid state actuator 3 have the smallest possible spring constant. For example, in the case of a piezo actuator 3 with 7 × 7 × 30 mm, the mechanical stiffness cPiezo = 50 N / μm and at a spring rate of the slot tube spring 34 with a mechanical stiffness cFeder = 3 N / μm of the stroke loss caused by the tube spring (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.A permanent solid connection of the solid state actuators 3 or the front-side plunger 32 on the drive body 1 For example, by a welded joint. Also, the connection of the individual components bearing block 33 , Bourdon tube 34 , Headstock 31 and pestles 32 can be done by welded joints. The bearing block 33 can with the base plate 5 for example, via a slot 35 be screwed aligned. In principle, this connection can also be made by other means, for example by welding the bearing blocks to the base plate 5 be formed.
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.The drive body 1 is formed as a central component of the piezoelectric motor preferably by a stiff as possible and low-mass concentric drive ring, which has a slightly larger diameter than the shaft 2 having. The drive body 1 is with the pestles 32 so firmly connected that he to the base plate 5 has a sufficient distance, so that the drive body 1 above the base plate 5 is arranged freely movable. The with the base plate 5 over the bearing blocks 33 firmly connected solid state actuators 3 are in the plane x, y parallel to the base plate 5 arranged at an angle of 90 ° to each other, but preferably their Hauptwirkrichtung not necessary to the center of the drive body 1 is directed.
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.Typically, the solid-state actuator drive device is adjusted such that upon application of a DC voltage U = Umax / 2 of the drive body 1 and the wave 2 are concentric with each other. In operation, the two solid-state actuators 3 modulated with 90 ° phase shift according to U1 = Umax / 2 + (Umax / 2) · sin (ωt) = (Umax / 2) · (1 + sin (ωt)) or U2 = Umax / 2 + (Umax / 2) · sin (ωt + π / 2) = (Umax / 2) · (1 + sin (ωt + π / 2)) with U1, U2, as the stresses, which on the solid state actuators 3 applied, Umax as the base voltage or maximum voltage of the amplifier and ω as the translation frequency of the drive body axis Y. This leads to a translational movement of the drive body 1 on a circular path. At the same time, the shaft is rolling 2 due to friction or due to the frictional contact in the contact section 4 on the wall of the passage opening 10 of the drive body 1 from.
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 = ω 2s/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.The mechanical rotational angular frequency Ω stands for the electrical driving angular frequency ω of the solid state actuators 3 and thus the translation frequency of the drive body 1 in relationship according to Ω = ω 2s / d2 with d2 as a diameter of the shaft 2 in a plane of the contact portion between the shaft 2 and the drive body 1 , The effective gap or gap clearance 2s follows from the diameter difference of the outer diameter d2 of the shaft 2 and an inner diameter d1 of the drive body 1 in the plane of the contact section 4 according to 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.A load moment for the solid-state actuator drive device would try to rotate the shaft 2 to turn against the actual direction. This is done by pressing the drive body 1 to the wave 2 prevented during the deflection. The maximum tangential counterforce, and thus the maximum motor torque M, is due to friction between the shaft 2 and the drive body 1 certainly. To estimate the contact force, for example, the first of the solid state actuators 3 With Umax / 2 driven to a central position and the second solid-state actuator 3 with a maximum voltage Umax, which corresponds to a zero setting of the time t = 0 in the formulas to U1, U2. After overcoming the gap s, the second solid-state actuator 3 use its remaining force as normal force F N. Depending on the deflection applies to the normal force F N (s) = F B (U = Umax) (0.5 - s / s0) with s0 as idle deflection of the solid state actuator 3 with z. B. 40 - 50 microns and F B as a blocking force, which of the solid state actuator 3 as in the voltage maximum transmittable force acts with z. B. 1.000,00 - 2,500.00 N at approx. 2 kV / mm field strength depending on the design. About the relationship F R = F N · μ is the maximum tangential force as frictional force F R And thus determines the torque. Here μ corresponds to the coefficient of friction between the materials of the shaft 2 and the drive body 1 , for steel on steel z. B. 0.15. For example, a gap of 10 microns and an exemplary typical blocking force F B of the solid state actuator 3 from 2200 N follows a force value F R of about 550 N (F N ) x 0.15 (μ) = 82.5 N. For a diameter d2 of the shaft 2 of 10 millimeters, this results in a torque of 0.41 Nm. Ideally, a stiff bearing of the shaft 2 and a rigid drive body 1 preferably provided.
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.From the examples it follows that the effective diameter difference of the drive body 1 and the wave 2 , which can be specified via the gap s or the gap play, determines the performance of the solid-state actuator drive device to a decisive extent. The maximum torque of such a frictionally-based piezoelectric motor is limited by the finite normal forces F N in the range of typically 500 N. In order to achieve higher torques, in particular to increase the achievable normal force and thus the maximum transmittable tangential force to possibly a multiple, the structure of the shaft 2 and the drive body 1 designed, as for example in 1 as well as the sketched enlargement to enlarge is illustrated.
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.According to the illustrated preferred embodiment according to 1 shows the wave 2 a circumferential lateral projection 21 on, which in a circumferential recess 11 in the wall of the passage opening 10 of the drive body 1 protrudes. In the contact section 4 in which a wave wall 22 the wave 2 and a drive body wall 12 of the drive body 1 in frictional contact, one of the two walls runs 12 . 22 on the other of the two walls 22 . 12 arched or at an angle, so that only a punctiform or as narrow as possible wave and wall contact portion is formed with frictional contact. At the in 1 illustrated embodiment, the outer circumference of the wave wall 22 the wave 2 in this area an obtuse angle δ, while the drive body wall 12 is formed straight.
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.Due to the arrangement of the circumferential projection 21 the wave 2 , which in the circumferential recess 11 of the drive body 1 protruding, in particular a symmetrical structure about the plane x, y perpendicular to the axis of rotation X is preferred forms in addition to a top in the drawing representation of such contact portion 4 a lower second such contact portion 4 out.
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.Because the wave 2 in rotation, along the wall of the drive body 1 moved along, arise at the height of the two contact sections 4 two line or strip-shaped circumferential wave circumferential areas 23 on the wave wall 22 and two corresponding opposite line or strip-shaped circumferential drive body peripheral areas 13 along the drive body wall 12 , The contact sections 4 move as shaft contact portions along the shaft peripheral portions 23 and as wall contact portions along the drive body peripheral portions 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.The 1 and 3 to 5 show four different exemplary embodiments of the design of the wave wall 22 and the corresponding drive body wall 12 , According to 1 has the wave wall 22 the obtuse angle δ, which on the example rectilinear drive body wall 12 is applied. In order to enable a force transmission F N in the obliquely-lateral direction on the upper side and underside of the plane of rotation x, y, the drive body wall runs 12 while at an angle α unequal to the perpendicular to the shaft axis X of the shaft 2 and not parallel to the shaft axis 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. 3 shows an embodiment in which opposite 1 the wave wall 22 has an outwardly curved or convex course with a radius of curvature r. 4 shows an embodiment in which the wave wall 22 rectilinear and at an angle α unequal to the perpendicular to the axis of rotation X of the shaft 2 runs, wherein the drive body wall 12 an obtuse angle δ in the direction of the wave wall 22 having. 5 shows an embodiment in which the drive body wall 12 instead of an obtuse angle δ according to FIG 4 a convex or ge curved course with a radius of curvature r in the direction of the wave wall 22 having. According to further embodiments, both the wave wall 22 as well as the drive body wall 12 at angles unequal to the perpendicular to the axis of rotation X of the shaft 2 extend and both be formed with obtuse angles or convex or concave curvatures, as long as the symmetry two parallel to the rotation axis X superposed contact portions 4 forms, inter alia, an axial force on the shaft 2 to avoid.
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). 6 shows the principle of power transmission using a prism guide. An example of the wave 2 representing specimen with a weight F G is supported by a prism guide, which the inside wall of the drive body 1 represents. The normal forces F N1 , F N2 acting on the prism are in tangential relationship with the opening angle β F N = F G · 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.By
correspondingly small angle of attack β can be a strong increase in
normal forces
be effected. The normal forces
try the guide trough
to broaden or aufzubiegen why the guide body built according to stiff
should be.
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.The principle can be transferred to the solid-state actuator drive device by correspondingly higher friction tangential forces F N can be transmitted by increasing the normal forces F N1 , F N2 . This is due to the frictional force F N acting in the detail enlargements of the 1 and 3 to 5 shown.
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.According to a simple embodiment thus has the wave 2 in the longitudinal center of a thickening, which in the radial direction two symmetrical, in particular mirror image symmetrically arranged and inclined contact surfaces as the wave walls 22 has, as in 1 outlined. To the shaft 2 around is the stiffest possible drive body 1 built, which by the preferably also inclined drive body wall 12 having corresponding mating contact surfaces.
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.Important for the arrangement of the two contact portions is that these on an axis-parallel line to the axis of rotation X of the shaft 2 or the longitudinal or virtual axis of rotation Y of the drive body 1 To be as accurate as possible and extend as far as possible laterally to this axis-parallel line to prevent disturbing friction or even a blockage. In such an arrangement, the drive body 1 circularly translated according to the ring-motor principle. This results in the formation of a contact zone between the drive body 1 and the wave 2 at the corresponding contact surfaces or contact portions on the shaft peripheral region 23 the wave 2 or the peripheral wall area 13 of the drive body 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.In order to keep the surface pressure low, if possible in the elastic region, it would be favorable to design the two contact surfaces or contact sections exactly parallel. However, due to the kinematic boundary condition of the rolling of the drive body on the shaft, this is not possible or this would lead to a distortion of the drive body 1 and wave 2 lead, like this 7 is apparent. In 7 run the wave wall 22 the wave 2 and the drive body wall 12 of the drive body 1 parallel to each other. The wave 2 rotates with a mechanical frequency Ω, while the annular drive body 1 with a drive body frequency ω does not rotate on a circular path but translates. 7 shows two arbitrary contact points k1, k2, which in the radial direction at different distances from the axis of rotation X of the shaft 2 are spaced. In such an arrangement, unrolling would only be possible if an identical transmission ratio is present in both contact points k1, k2. Obviously, however, the two contact points k1, k2 have different transmission ratios or Ra diusverhältnisse. This leads to tension and hinders or blocks the rolling of the shaft 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.To avoid this problem become the wave wall 22 and the drive body wall 12 formed with a wave contour or a drive body contour that these above and below a plane of symmetry x, y perpendicular to the axis of rotation X of the shaft 2 only one contact portion along the corresponding shaft peripheral region 23 the wave 2 or along the wall peripheral area 13 of the drive body 1 exhibit. In addition, in the case of two such contact portions, the two contact portion axially parallel one above the other, as for example in the 1 and 3 is shown. The actual contact surfaces are reduced by a curved configuration of the wave contour or the drive body contour or by the formation of a corresponding wave contour or drive body contour with an obtuse angle to a small area. With such an arrangement, there is a nearly identical transmission ratio of the two contact sections in this small area.
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.Advantageously, the surface pressure which is increased by a contact surface which is kept as small as possible in the contact sections is compensated by case hardening or edge zone hardening or by carbonitriding or by other suitable measures for surface hardening in order to achieve ei To counteract increased wear when reducing the effective surfaces.
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.Due to the symmetrical arrangement of the two contact surfaces on both the drive body 1 as well as the wave 2 No high resulting axial forces are generated. However, the forces try to widen the drive body, so that as a countermeasure advantageously a rigid construction is chosen. Due to the use of solid state actuators with a correspondingly very small stroke, the shaft must 2 and the drive body 1 however, effectively not considering large expansions, but preferably only expansions of a few tens of a millimeter, which reduces the corresponding design requirements.
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.Like this 1 and 3 is apparent, the laterally outwardly extending portion of the shaft 2 completely from the walls of the drive body 1 enclosed. For mounting, therefore, a preferably two-part drive body is provided or a drive body provided in two parts.
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. 8A shows an exemplary drive body of a first and a second drive body part 16 between which an insert part 17 is arranged. 8B shows a plan view of the lower of the drive body parts 16 and the wave shown in section 2 , In addition, holes or through holes 15 shown, which for receiving bolts or screws for the final screwing of the drive body parts 16 and optionally the interposed insert 17 serve. 8C shows a side sectional view through such a composite drive body, wherein additionally attached to one of the sides Festkörperaktor 3 outlined. Since no shaft inserted is sketched in this illustration, also the wall peripheral areas 13 of the drive body 1 recognizable, along which the contact portion to a corresponding portion of the opposite wave circumferential region 23 the wave 2 emigrated.
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.For mounting two particularly preferred manufacturing methods are proposed. According to the first method, the two drive body parts 16 manufactured and provided as independent components. In the first of the two drive body parts 16 then the shaft is inserted, whereupon the second drive body part 16 with its passage opening 10 is pushed over the shaft. Finally, the two drive body parts 16 fixed against rotation against each other. For the positive fixing of the two Antriebskör parts 16 one another preferably serves a welding and / or screw connection. For adapting to differently dimensioned waves in the axial direction advantageously insert parts, in particular annular inserts 17 during assembly between the two drive body parts 16 be used. The inserts 17 can be provided as correspondingly suitable fitting elements or adjustment elements. Alternatively, the use of a so-called "fracture splitting" can be used, whereby parts are defined on predetermined breaking surfaces and the resulting surface structures then fit into one another with micrometer precision.
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.According to a further manufacturing method for mounting such a solid-state actuator drive device, the production of the drive body parts takes place 16 by clamping on a lathe with the aid of internal turning tools and subsequent separation into the two drive body parts. The separation can be carried out preferably in the axis-parallel direction or in a plane perpendicular to the axis of rotation X, Y. A separation perpendicular to the axis of rotation X, Y offers stiffness advantages over a separation in the axial direction. Prior to the separation advantageously alignment pins can be introduced. Additionally or alternatively, spacers or inserts can subsequently be in the form of one or more insert parts 17 be installed for adjustment. As a result, a production of the in two drive body parts 16 be avoided under loss of material to be separated drive body with previous excess.