-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft einen Schwingungsantrieb, insbesondere für
Kraftfahrzeuganwendungen, bevorzugt zum Verstellen eines Kraftfahrzeugfensters,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Aus
der
EP 01 55 694 A2 ist
ein als Linearantrieb ausgebildeter Schwingungsantrieb bekannt. Der
als Stößelantrieb ausgeführte Schwingungsantrieb
umfasst zwei winkelig zueinander angeordnete, piezoelektrische Aktuatoren,
mit denen ein Antriebselement (Stößel) zu Schwingungen
anregbar ist, um eine Schiene (Abtriebselement) translatorisch anzutreiben.
Das Antriebselement wird mittels einer Feder in eine Anpressrichtung
gegen das Abtriebselement gepresst, um eine ausreichende Kraftübertragung durch
Reibschluss zu garantieren.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungsantrieb mit
einem verbesserten Wirkungsgrad anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird mit einem Schwingungsantrieb mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der
Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den
Figuren offenbarten Merkmalen.
-
Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dem von mindestens einem Aktuator,
vorzugsweise einem Piezoaktuator, zu Schwingungen anregbaren Abtriebselement
eine Gegenmasse zuzuordnen und diese federnd zu lagern, derart,
dass diese das von dem Antriebselement angetriebene Abtriebselement in
Richtung des Abtriebselementes kraftbeaufschlagt. Anders ausgedrückt
wird eine, vorzugsweise indirekt über das Abtriebselement,
zu Schwingungen anregbare Gegenmasse vorgesehen, die dafür
sorgt, dass das Abtriebselement gegen das Antriebselement gepresst
wird, dass also Anpresskräfte zwischen dem Antriebselement
und dem Abtriebselement wirken. Bei Bedarf kann dabei auf eine separate Federkraftbeaufschlagung
des Antriebselementes in Richtung Abtriebselement, wie diese im
Stand der Technik vorgesehen ist, verzichtet werden. Es ist jedoch
auch möglich, eine derartige federnde Lagerung des Abtriebselementes
zusätzlich zu der mindestens einen federnd gelagerten Gegenmasse
vorzusehen. Durch das Vorsehen einer schwingend bzw. schwingbar
angeordneten Gegenmasse wird die Kraftbilanz dynamisch auf das Abtriebselement um
die Kontaktkräfte der Gegenmasse erhöht. Hierdurch
kann eine Reduzierung der Kraftamplitude des Antriebselementes bei
gleichbleibenden effektiven Abtriebskräften erreicht werden,
was zu einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Schwingungsantriebes
führt.
-
Ganz
besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform des
Schwingungsantriebs, bei der die Gegenmasse zum Antriebselement
eine gegenphasige Schwingung vollführt. Anders ausgedrückt schwingt
die Gegenmasse in Weiterbildung der Erfindung in Gegenresonanz zum
Antriebselement, um hierdurch die Kraftbilanz auf dem Abtriebselement weiter
zu erhöhen.
-
In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
mindestens eine Antriebselement und die mindestens eine Gegenmasse
auf zwei voneinander abgewandten Seiten des Abtriebselementes angeordnet
sind, sodass das Antriebselement eine erste Seite des Abtriebselementes
und die Gegenmasse die von dieser ersten Seite abgewandte zweite
Seite kraftbeaufschlagt.
-
Idealerweise
ist der mit der schwingenden Gegenmasse versehene Schwingungsantrieb
als Linearantrieb ausgebildet, wobei hierbei das Abtriebselement
vorzugsweise als Schiene ausgebildet ist, mit der ein translatorisch
anzutreibendes Objekt, vorzugsweise eine Kraftfahrzeugfensterscheibe,
gekoppelt ist. Dabei greift beispielsweise das Antriebselement an
einer Oberseite der Schiene und die Gegenmasse an der Unterseite
der Schiene an.
-
Ganz
besonders bevorzugt liegen sich Gegenmasse und Antriebselement unmittelbar
gegenüber, d. h. eine gedachte, senkrecht auf dem Abtriebselement
stehende Achse schneidet sowohl das Abtriebselement als auch die
Gegenmasse.
-
Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform des Schwingungsantriebs,
bei der die die Gegenmasse federnd lagernde Feder derart ausgebildet
ist, dass diese in Normalrichtung bezogen auf das Abtriebselement
eine höhere Steifigkeit aufweist als in tangentialer Richtung,
d. h. als in Bewegungsrichtung des Abtriebselementes. Hierdurch
kann erreicht werden, dass auf ein fakultativ vorzusehendes, später
noch zu erläuterndes Lager zum rotierbaren Lagern der Gegenmasse
kaum tangentiale Kräfte resultieren und dadurch eine Verkippung
der Gegenmasse vermieden wird.
-
Im
Hinblick auf die konkrete Ausbildung der mindestens einen, vorzugsweise
ausschließlich einen, Feder zur federnden Lagerung der
Gegenmasse gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Gemäß einer
ersten Alternative wird zur Lagerung der Gegenmasse eine Tellerfeder
eingesetzt, die weiter bevorzugt mit mehreren über den
Innenumfang verteilten radialen Schlitzen versehen ist. Durch den
Einsatz einer Tellerfeder ist auf einfache Weise die Realisierung
einer hohen normalen Steifigkeit möglich. Die benötigte
(geringe) tangentiale Steifigkeit kann mittels einer Führung
des eigentlichen Lagers zum rotierbaren Lagern der Gegenmasse realisiert
werden. Bevorzugt erfolgt die Montage im ungespannten Zustand der
Tellerfeder, wobei die Vorspannung am Ende der Montage beispielsweise
durch Anziehen einer Einstellschraube (Spannschraube) eingestellt wird.
Bevorzugt wird die Tellerfeder derart ausgelegt, dass ein Plateau,
d. h. ein horizontaler Flachabschnitt in der Kennlinie entsteht,
wodurch die Montage weiter vereinfacht wird und die Federkraft vereinfacht eingestellt
werden kann, da das System mit nur wenigen Schraubenumdrehungen
auf eine hohe Vorspannkraft gebracht werden kann. Ab Erreichen des Federkennlinienplateaus
erfolgt bei weiterer Umdrehung der Schraube nur noch ein geringer
Anstieg der Vorspannkraft, was eine Feinjustage ermöglicht.
Auf diese Weise lassen sich Bauraum einsparen und der Montage- bzw.
Einstellprozess vereinfachen.
-
Gemäß einer
zweiten Alternative kann die Feder zum federnden Lagern der Gegenmasse
als zumindest näherungsweise C- oder U-förmig
konturierte, insbesondere aus einem Federblech federnde Feder ausgebildet
werden. Mit einer derartig ausgebildeten Feder kann eine besonders
hohe normale Steifigkeit und gleichzeitig eine geringe tangentiale Steifigkeit
realisiert werden.
-
In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
Anpresskraft, mit der die Gegenmasse gegen das Abtriebselement presst,
einstellbar ist. Dies geschieht bevorzugt durch Einstellen der Federkraft
der die Gegenmasse lagernden Feder, welches wiederum ganz besonders
bevorzugt über mindestens ein Federspannelement erreicht werden
kann, was im Falle der Ausführung der Feder als Tellerfeder
beispielsweise mit einer die Feder durchsetzende Spannschraube erzielbar
ist. Im Falle der Realisierung einer C- oder U-förmigen
Feder können die beiden zumindest näherungsweise
parallelen Schenkel der Feder quer zu ihrer Längserstreckung, d.
h. aufeinander zu, mittels eines geeigneten Federspannelementes
gespannt werden, bis die gewünschte Federkraft und damit
die gewünschte Anpresskraft eingestellt ist.
-
Wie
zuvor bereits angedeutet, ist es besonders bevorzugt, jedoch nicht
zwingend, die Gegenmasse rotierbar zu lagern, besonders bevorzugt
mittels eines Wälzlagers, zur weiteren Optimierung des Wirkungsgrades
des Schwingungsantriebs. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die
Gegenmasse als Hohlzylinder ausgebildet ist, der von einer entsprechenden
Lagerachse durchsetzt ist.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen.
-
Diese
zeigen in:
-
1:
eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Schwingungsantriebs mit schwingend gelagerter Gegenmasse,
wobei zur federnden Lagerung der Gegenmasse eine im Wesentlichen
C-förmig konturierte Bandfeder vorgesehen ist,
-
2a und 2b:
unterschiedliche Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels
eines Schwingungsantriebs, wobei im Unterschied zu dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel ein Federspannelement zum Einstellen
der Anpresskraft des Gegenelementes vorgesehen ist,
-
3a und 3b:
unterschiedliche Ansichten eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels
eines Schwingungsantriebs, wobei zur federnden Lagerung der Gegenmasse
eine Tellerfeder vorgesehen ist,
-
4:
eine bevorzugte Federkennlinie einer zum federnden Lagern des Gegenelementes
vorgesehenen Feder,
-
5a bis 5f:
einen ersten Schwingungszyklus bei einer Ausführungsform,
bei der die Gegenmasse von dem Abtriebselement bei ihrer Schwingung
abhebt, und
-
6a bis 6f:
einen alternativen Schwingungszyklus mit dauerhaft am Abtriebselement
anliegender Gegenmasse.
-
In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion und den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
In 1 ist
ein als Linearantrieb zum Verstellen einer nicht gezeigten Kraftfahrzeugscheibe
ausgebildeter Schwingungsantrieb 1 gezeigt. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Piezomotor,
der alternativ beispielsweise auch als Ultraschallmotor realisierbar
ist. Der Schwingungsantrieb 1 ist als so genannter Stößelantrieb ausgebildet
und umfasst ein stößelförmiges Antriebselement 2,
welches mit Hilfe zweier, als piezoelektrische Aktuatoren ausgebildeten,
Aktuatoren 3, 4 zu einer ein als Schiene ausgebildetes
Abtriebselement 5 (Läufer) antreibenden Schwingung
anregbar ist. An dem in den Pfeilrich tungen 6 translatorisch
verstellbaren Abtriebselement 5 ist die vorerwähnte
Kraftfahrzeugfensterscheibe in geeigneter Weise festgelegt.
-
Wie
sich weiter aus 1 ergibt, sind die piezoelektrischen
Aktuatoren 3, 4 über ein metallisches
Brückenteil 7 mit dem Antriebselement 2 gekoppelt.
Bei Bedarf kann eine das Antriebselement 2 bzw. die von
den Aktuatoren 3, 4, dem Brückenteil 7 und
dem Antriebselement 2 gebildeten Antriebsmittel 8 in
Richtung auf das Abtriebselement 5 federkraftbeaufschlagende
Feder 12 vorgesehen werden.
-
Wie
sich aus 1 weiter ergibt, befindet sich
das Antriebselement 2 auf einer ersten Seite 9 des
Abtriebselementes 5, sodass die erste Seite 9 von
dem Antriebselement 2 bei seiner schwingenden Bewegung
kraftbeaufschlagt wird, woraus die translatorische Verstellbewegung
des Abtriebselementes 5 mit daran festgelegtem Objekt,
hier einer Kraftfahrzeugfensterscheibe (nicht gezeigt), resultiert.
Auf der von der ersten Seite 9 abgewandten zweiten Seite 10 des
Abtriebselementes 5, die parallel zur ersten Seite 9 verläuft,
ist eine schwingend gelagerte Gegenmasse 11 angeordnet.
Damit die Gegenmasse 11 horizontal zur Flächenerstreckung
bzw. zur Bewegungsrichtung des Abtriebselementes 5 schwingen
kann, ist diese federnd gelagert – in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
mit einer im Wesentlichen U-förmigen Feder 12,
die im Bereich eines dem Abtriebselement 5 zugewandten
Scheitels 13 eine eine Lagerachse 14 aufnehmende
Delle bzw. Eindellung 15 aufweist. Die Lagerachse 14 durchsetzt
die hohlzylindrische Gegenmasse 11 quer zu den mittels
der Pfeile 6 gekennzeichneten möglichen Verstellrichtungen
des Abtriebselements 5 und dient zur rotierbaren Lagerung
der Gegenmasse 11. Die Feder 12 erlaubt ein Schwingen
der Gegenmasse 11 in eine Normalrichtung relativ zum Abtriebselement 5.
-
Wie
sich weiter aus 1 ergibt, befinden sich das
Antriebselement 2 sowie die Gegenmasse 11 auf
einer gedachten Achse 16, die die Flächenerstreckung
des Abtriebselementes 5 senkrecht schneidet. Auch die Achse 16 zum
rotierbaren Lagern der Gegenmasse 11 befindet sich auf
dieser Achse 16. Die Gegenmasse 11 ist mit Hilfe
eines nicht dargestellten Wälzlagers relativ zu der Achse 16 rotierbar
gelagert.
-
Die
Lagerung der Gegenmasse 11 ist derart ausgelegt, dass die
Gegenmasse 11 im Betrieb, d. h. während der Betriebsfrequenz,
des Schwingungsantriebs 1, ge nauer der Antriebsmittel 8,
in Gegenphase zu den Antriebsmitteln 8 bzw. zum Antriebselement 2 schwingt,
wodurch sich die Kraftbilanz auf dem Abtriebselement 5 und
die Kontaktkräfte der Gegenmasse 11 – im
Vergleich zum Stand der Technik – erhöht.
-
In
den 5a bis 5f ist
ein Schwingungszyklus eines ersten Ausführungsbeispiels
gezeigt, wobei die federnde Lagerung der Gegenmasse 11,
die aus Übersichtlichkeitsgründen in den 5a bis 5f nicht
dargestellt wurde, derart ausgelegt ist, dass die Gegenmasse in
Normalrichtung von dem Abtriebselement 5 anheben und wieder
gegen dieses anschlagen kann.
-
Bei
einem alternativen Schwingungszyklus eines alternativen Schwingungsantriebs 1 ist
die Federkraft für die Gegenmasse 11 derart eingestellt, dass
die Gegenmasse bei ihrer Schwingung nicht, oder nur unwesentlich,
von dem Abtriebselement 5 in Normalrichtung abhebt.
-
In
den 5a bis 6f sind
mit Hohlpfeilen 17 Druck- bzw. Anpresskräfte dargestellt,
mit denen das Antriebselement 2 und/oder die Gegenmasse 11 gegen
das Abtriebselement 5 drücken. Ein Hohlkreis 21 kennzeichnet
die Situationen bzw. Schwingungszustände, bei der/denen
diese Kraft/Kräfte null ist/sind.
-
Die
Vollpfeile 18 kennzeichnen die Verstellgeschwindigkeit
bzw. die Verstellrichtung, in der das Antriebselement 2 und/oder
die Gegenmasse 11 sich zum entsprechenden Zeitpunkt bewegt/bewegen. Die
Vollkreise 20 symbolisieren dabei eine Verstellgeschwindigkeit
null. Auf dem Abtriebselement 5 ist eine rechteckige Streckenmarkierung 19 dargestellt, um
die Relativbewegung des Abtriebelementes 5 relativ zum
Antriebselement 2 zur Gegenmasse 11 zu visualisieren.
-
Das
in den 2a und 2b dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen
im Folgenden im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen wird. In
Bezug auf die Gemeinsamkeiten wird auf die vorangegangene Figurenbeschreibung
verwiesen. Wie sich aus einer Zusammenschau der 2a und 2b ergibt,
ist die C-förmige Feder 12 spannbar. Hierzu ist
ein Federspannelement 22 vorgesehen, mit der die beiden
zumindest näherungsweise parallelen Schenkel 23, 24 aufeinander
zu kraftbeaufschlagbar sind, um somit die Federkraft einzustellen.
Bevorzugt umfasst das Federspannelement 22 eine Schraube 25 zum
Einstellen der Federkraft und damit der Anpresskraft, mit der die
Gegenmasse 11 das Abtriebselement 5 kraftbeaufschlagt.
Aus 2b ist ein im Wesentlichen U-förmig konturierter Profilrahmen 26 gezeigt,
an dem die Aktuatoren 3, 4 sowie die Feder 12 festgelegt
sind.
-
In
den 3a und 3b ist
ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Schwingungsantriebs 1 gezeigt.
Anstelle einer C-förmig konturierten Bandfeder (Feder 12)
ist eine als Tellerfeder ausgebildete Feder 12 vorgesehen.
Die Tellerfeder 12 ist dabei derart angeordnet, dass die
sich konisch öffnende Seite der Tellerfeder 12 in
Richtung schienenförmigem Abtriebselement 5 zeigt.
Auf der Feder 12 ist wiederum ein Lagerhalter 28 montiert,
der die Lagerachse 14 zum rotierbaren Lagern der Gegenmasse 11 trägt.
Wie sich aus 3b ergibt, wird die Federkraft
der Feder 12 und damit die Anpresskraft, mit der die schwingende
Gegenmasse 11 gegen das Abtriebselement 5 gedrückt
wird, eingestellt mittels eines eine Schraube 25 (Spannschraube)
umfassenden Federspannelements 22, welches die Feder 12 in
Normalrichtung bezogen auf das Abtriebselement 5 durchsetzt
und mit der die mit einem Innengewinde versehene Lagerhalterung 28 in
Richtung auf einen Schraubenkopf 27 der Schraube 25 bewegbar
ist, um somit die als Tellerfeder ausgebildete Feder 12 zu spannen.
-
Auch
die in den 3a und 3b gezeigte Ausführungsform
ist in den unterschiedlichen Betriebsformen, die abhängig
sind von der Federspannung und in den 5a bis 5f bzw. 6a bis 6f dargestellt
sind, betreibbar.
-
In 4 ist
schematisch in einem Diagramm eine Federkennlinie einer bevorzugten,
zum Einsatz kommenden Feder 12 gezeigt. Diese umfasst einen (mittlere)
Plateauabschnitt 29, in dem die Federkraft FF nicht
oder nur geringfügig mit dem Federweg s zunimmt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-