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Dokumentenidentifikation DE10127444A1 25.04.2002
Titel Piezoelektrischer Mechanismus, insbesondere zur Bremskrafterzeugung
Anmelder Richter, Hans, 86163 Augsburg, DE
Erfinder Richter, Hans, 86163 Augsburg, DE
Vertreter Fleuchaus & Gallo, 86152 Augsburg
DE-Anmeldedatum 07.06.2001
DE-Aktenzeichen 10127444
Offenlegungstag 25.04.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.04.2002
IPC-Hauptklasse H02N 2/00
IPC-Nebenklasse F16D 65/16   B60T 13/74   F16D 65/21   
Zusammenfassung Piezoelektrischer Mechanismus, insbesondere zur Bremskrafterzeugung, mit einer Anzahl von piezoelektrischen Schrittantriebselementen (4, 5), die auf den Umfang eines als Gewindespindel (2) ausgebildeten Abtriebsteils (2) einwirken.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Mechanismus, der insbesondere zur Bremskrafterzeugung bzw. zur Betätigung von Kraftfahrzeugbremsen, aber auch als Stellantrieb für andere Anwendungen in solchen Fällen einsetzbar ist, wo kurze Verstellwege und große Verstellkräfte notwendig sind.

Die bekannten Kraftfahrzeugbremsen arbeiten hydraulisch. Durch den Fußdruck des Fahrers auf das Bremspedal wird ein kraftverstärkendes Hydraulikzylinderpaar betätigt, das den 1 Druck im Bremsleitungssystem so erhöht, daß Hydraulikaktoren in den Sätteln der Scheibenbremsen ausfahren und mit ihrem Stößel den Bremsdruck auf die Bremsklötze ausüben, deren Belag dadurch die Reibung auf den Bremsscheiben einleitet.

Nachteilig ist bei diesen herkömmlichen hydraulischen Bremssystemen das hohe Gewicht, die Baugröße und die Belastung der Umwelt durch Hydrauliköl.

Seit geraumer Zeit wird daher versucht, das Problem durch herkömmliche elektromechanische Getriebetechnik zu lösen. Die bisherigen Versuche bauen aber zu groß, zu teuer und erfüllen nicht die Forderung der Reibungsaufhebung bei Stromausfall. Autos mit solchen Bremsen könnten daher nicht abgeschleppt werden.

Das Grundkonzept eines piezoelektrischen Antriebs in Gestalt eines mit hoher Frequenz von beispielsweise 25 kHz arbeitenden Schrittmotors ist beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchsmuster 94 19 802 bekannt.

Der Grundaufbau eines solchen piezoelektrischen Antriebs umfaßt eine Reihe von jeweils als Piezoelementenstapel ausgebildeten Piezopaketen, die zwischen einem drehfesten Bezugsteil und einem relativ dazu drehbaren Abtriebsteil angeordnet sind, und zwar so, daß die Stapelhöhe der Piezoelemente in jedem Piezopaket senkrecht zur Oberfläche des Abtriebsteils und zur Richtung der Relativbewegung zwischen Bezugsteil und Abtriebsteil verläuft. Diese Piezostapel dienen zum selektiven Erzeugen einer Klemmkraft zwischen Bezugsteil und Abtriebsteil und werden daher im folgenden als Klemmpiezos bezeichnet. Diese Klemmpiezos sind jeweils mit einem Ende (wobei der Begriff Ende sich jeweils auf die Piezoelementenstapelanordnung bezieht) am Bezugsteil festgelegt und stützen sich mit dem anderen Ende auf dem Abtriebsteil ab, ohne daran festgelegt zu sein. Die Orientierung der Reihe, in welcher diese Klemmpiezos nebeneinander angeordnet sind, verläuft quer zur Richtung der Relativdrehbewegung zwischen Abtriebsteil und Bezugsteil.

Weitere, ebenfalls jeweils als Piezoelementenstapel ausgebildete Piezopakete, die wegen ihrer Funktion nachstehend als Schrittpiezos bezeichnet werden, sind mit ihrer Stapelhöhenrichtung etwa senkrecht zur Stapelhöhenrichtung der Klemmpiezos und in Richtung der Relativdrehbewegung zwischen Bezugsteil und Abtriebsteil orientiert. Diese Schrittpiezos sind jeweils mit einem Ende wiederum am Bezugsteil festgelegt und mit dem anderen Ende mit dem sich auf dem Abtriebsteil abstützenden Ende jeweils eines Klemmpiezos (oder einer Untergruppe von Klemmpiezos) verbunden.

Es sind zwei Gruppen von Klemmpiezos und zwei Gruppen von Schrittpiezos vorhanden. Diese werden elektrisch so angesteuert, daß jeweils die eine Gruppe von Klemmpiezos aktiviert, d. h. im Sinne einer Expansion elektrisch beaufschlagt wird und diese Klemmpiezos sich klemmend an das Abtriebsteil anlegen, während die andere Gruppe von Klemmpiezos deaktiviert, also in Lösestellung, d. h. nicht mit dem Abtriebsteil klemmend, geschaltet ist. Dann wird die der klemmend geschalteten Klemmpiezogruppe zugeordnete Gruppe von Schrittpiezos aktiviert, so daß die betreffenden Schrittpiezos sich dehnen und dadurch die auf dem Abtriebsteil klemmenden Enden der Klemmpiezos um eine entsprechende Distanz in Bewegungsrichtung des Abtriebsteils auslenken. Dadurch bewegt sich das Abtriebsteil um eine entsprechende Distanz unter den in Lösestellung gestalteten Klemmpiezos der anderen Klemmpiezogruppe hinweg. Danach wird die Ansteuerung umgeschaltet, d. h. die zuvor klemmenden Klemmpiezos werden in Lösestellung geschaltet, ebenso die zugehörigen Schrittpiezos, so daß die zuvor klemmenden Klemmpiezos sich aus der Klemmstellung lösen und in ihre Ausgangslage zurückkehren, während gleichzeitig die andere Gruppe von Klemmpiezos, die vorher in der Lösestellung waren, durch Aktivierung in die klemmende Position geschaltet und danach auch deren Schrittpiezos aktiviert werden. Auf diese Weise erzeugen die beiden Gruppen von Klemmpiezos mit jeweils zugeordneten Schrittpiezos durch ihren alternierenden Einsatz eine fortlaufende Schrittfolge, wodurch das Abtriebsteil schrittweise gedreht wird. Da diese Ansteuerung der Piezos im Frequenzbereich von einigen Kilohertz, z. B. 25 kHz, erfolgt, erhält man eine quasi-kontinuierliche Bewegung des Abtriebsteils relativ zum Bezugsteil.

Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Grundprinzip eines Piezoantriebs zu einer praxistauglichen, für den Einsatz als Bremsantrieb oder Stellantrieb für hohe Stellkraft bei kurzem Stellweg optimierten Konstruktion weiter zu bilden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebene Anordnung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungswesentlich ist also die Ausbildung des Abtriebsteils als Gewindespindel mit entsprechender Anpassung des Wirkungszusammenhangs zwischen dem Abtriebsteil und den Klemmpiezos.

Die Einzelheiten der Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in denen zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen piezoelektrischen Stellantrieb nach der Erfindung, und

Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1.

Der in den Zeichnungen dargestellte piezoelektrische Mechanismus weist ein Gehäuse 1 auf, das zugleich das feststehende Bezugsteil des Mechanismus bildet, gegenüber welchem sich die darin enthaltenen beweglichen Teile des Mechanismus bewegen.

In dem Gehäuse 1 ist eine Gewindespindel 2 gelagert, die an ihrem vorderen Ende (in Fig. 2 links) einen Druckstößel 3 trägt.

Weiter ist in dem Gehäuse 1 eine Piezoanordnung eingebaut, die eine Reihe von Klemmpiezostapeln 4 und dazu rechtwinklig orientiert eine Reihe von Schrittpiezostapeln 5 umfaßt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß beim Ausführungsbeispiel jeweils vier Piezopakete vorgesehen sind. Fig. 1 zeigt die Konfiguration der Anordnung aus den Klemmpiezopaketen 4 und den Schrittpiezopaketen 5. Die Klemmpiezopakete 4 sind jeweils in einem Vorspannkäfig 6 eingesetzt, dessen der Gewindespindel 2 zugewandtes Ende mit einem Fuß 7 verbunden ist. Der Fuß 7 greift jeweils, wie in Fig. 2 sichtbar ist, in die Gewindespindel 2 ein.

Die Schrittpiezopakete 5 sind jeweils in einem Vorspannkäfig 8 eingesetzt, dessen eines Ende ebenfalls mit dem Fuß 7 verbunden ist, um die jeweilige Schrittbewegung auf den Fuß 7 zu übertragen.

Diametral gegenüber dem Fuß 7 ist eine Anordnung von komplementär zur Gewindespindel 2 profilierten Gegendruckrollen 9 angeordnet, die in Gehäuse 1 gelagert sind.

Wie in Fig. 2 angedeutet ist, kann das vordere Ende der Gewindespindel 1 über einen Faltenbalg 10 mit dem Gehäuse 1 verbunden sein, um einen dichten Abschluß des Gehäuseinneren zu gewährleisten.

Nach dem einleitend schon erläuterten Funktionsmechanismus werden die Klemmpiezopakete 4 und die Schrittpiezopakete 5 über eine außerdem im Gehäuse 1 eingebaute Elektronik 11 angesteuert und versetzen so die Gewindespindel 2 in drehende Bewegung, und deren Drehbewegung wird in eine axiale Verschiebebewegung umgesetzt, so daß der Druckstößel 3, wie in Fig. 2 dargestellt, ausgefahren wird und beispielsweise die Bremsklötze einer Scheibenbremse betätigen kann.

In den Zeichnungen sind die Gewindegänge der Gewindespindel 2 mit normalen symmetrischem Dreiecksprofil dargestellt. Es versteht sich, daß andere Gewindeprofilformen Anwendung finden können wie beispielsweise andere Ausführungsformen von Dreiecksprofilen oder auch Rundprofile. Bei der Anwendung zur Bremsenbetätigung, wo in der einen Richtung der axialen Gewindespindelverschiebung (Ausfahrbewegung) hohe Druckkräfte zu Erzeugen sind, bei der Rückstellbewegung hingegen geringere Kräfte zu bewältigen sind, ist ein asymmetrisches Dreiecksprofil des Gewindes vorteilhaft, mit steiler Flanke auf der in Richtung des auszuübenden Drucks weisenden Gewindegangseite und mit flacherer Flanke auf der entgegengesetzten, den Stützdruck aufnehmenden Seite des Gewindeprofils.

Des weiteren ist es möglich, den Fuß 7 jeweils mit einem Keramikschuh auszubilden, der sich auf der Gewindespindel abstützt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Gewindespindel 2 vorzugsweise in einer Gewindebuchse 12 gelagert, die drehfest, aber axial schwimmend im Gehäuse 1 angeordnet ist. Dies hat Fenster zur Aufnahme der Füße 7 und der Gegendruckrollen 9. Dies ermöglicht die Anordnung eines Kraftsensors 13 zwischen dem rückwärtigen Ende der Gewindebuchse 12 und der entsprechenden Wand des Gehäuses 1, mit welchem die ausgeübte axiale Druckkraft gemessen werden kann. Auf diese Weise ist der Bremsdruck bei der Anwendung zur Bremsenbetätigung meßbar und regelbar.

Für den Fall eines Stromausfalls bei angezogener Bremse, also bei ausgefahrener Gewindespindel 2, ist eine Freischaltung vorgesehen. Wie man aus den Fig. 1 und 2 sieht, sind zwischen der in den Zeichnungen oberen Wand des Gehäuses 1 und dem Piezomechanismus Tellerfedern 14 als Vorspannorgane eingebaut, welche die Druckvorspannung auf die Klemmpiezopakete erzeugen. Eine nicht in den Einzelheiten dargestellte elektromagnetische Anordnung hält im stromdurchflossenen Zustand ein ankerartiges Bauteil in einer Position, in welcher die Vorspannkraft der Tellerfedern 14 auf die Spannkäfiganordnung der Klemmpiezopakete übertragen wird, und bei Unterbrechung der Stromzufuhr bewegt sich das ankerartige Bauteil in eine Position, in welcher die Vorspannkraft der Tellerfedern 14 auf gehäusefeste Böcke verlagert wird. Dadurch tritt eine Entlastung der Gewindespindel 2 vom Druck der Füße 7 des Piezomechanismus ein, und eine im Inneren der Gewindespindel 2 eingebaute vorgespannte Torsionswendelfeder 15 zieht die Gewindespindel 2 drehend in ihre Ausgangslage (Fig. 2) zurück. Die Bremse ist damit entlastet und das Auto kann abgeschleppt werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gewindespindel 2 mittels der Gegendruckrollen 9 gegenüber dem Angriffsbereich der Füße 7 der Klemmpiezopakete 4 abgestützt.

Statt der Gegendruckrollen 9 kann auch eine zweite drehsymmetrisch angeordnete Anordnung aus Klemmpiezopaketen und Schrittpiezopaketen vorgesehen sein, wobei die Füße 7 der beiden Anordnungen von Klemmpiezopaketen 4 diametral gegenüberliegend auf die Gewindespindel 2 einwirken.


Anspruch[de]
  1. 1. Piezoelektrischer Mechanismus zur Verwendung als Stellorgan mit hoher Stellkraft, insbesondere zur Betätigung einer Kraftfahrzeugbremse, mit einem Bezugsteil (1) und einem relativ dazu drehbaren Abtriebsteil (2), weiter mit einer Anzahl von in Achsrichtung des Abtriebsteils (2) benachbarten Klemmpiezostapeln (4), die jeweils mit einem Ende unter Druckvorspannung (14) am Bezugsteil (1) abgestützt sind und sich mit ihrem anderen Ende über einen Fuß (7) an der Mantelfläche des Abtriebsteils (2) abstützen, um bei elektrischer Aktivierung eine Klemmkraft auf das Abtriebsteil (2) auszuüben, und mit einer gleichen Anzahl von Schrittpiezostapeln (5), die jeweils einem der Klemmpiezopakete (4) zugeordnet und etwa tangential zur Mantelfläche des Abtriebsteils (2) orientiert sind und mit einem Ende mit dem Bezugsteil (1) und mit dem anderen Ende mit dem Fuß (7) des betreffenden Klemmpiezopakets (4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsteil (2) als Gewindespindel ausgebildet ist und der jedem Klemmpiezopaket (4) zugeordnete Fuß (7) mit einem zum Gewindeprofil der Gewindespindel komplementären Gegenprofil ausgebildet ist und mit dem Gewinde der Gewindespindel zusammenwirkt.
  2. 2. Piezoelektrischer Mechanismus nach Anspruch 1, wobei zwei Anordnungen von Klemmpiezopaketen mit jeweils zugeordneten Schrittpiezopaketen vorgesehen sind und an diametral gegenüberliegenden Stellen auf den Umfang der Gewindespindel (2) einwirken.
  3. 3. Piezoelektrischer Mechanismus nach Anspruch 1, wobei die Gewindespindel (2) diametral gegenüber dem Angriffsbereich der Füße (7) der Klemmpiezopakete (4) durch eine Anordnung von Gegendruckrollen (9) abgestützt ist, die mit einem zum Gewindeprofil der Gewindespindel komplementären Mantelprofil ausgebildet sind.
  4. 4. Piezoelektrischer Mechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gewindespindel (2) in einer drehfest aber axial schwimmend im Bezugsteil (1) gelagerten Innengewindehülse (12) mit Fenstern für die Füße (F) der Klemmpiezopakete (4) geführt ist, deren hinteres Ende an einem im Bezugsteil (1) festgelegten Drucksensor (13) abgestützt ist.
  5. 5. Piezoelektrischer Mechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Druckvorspannung zwischen dem Bezugsteil (1) und den Klemmpiezopaketen (4) mittels eines elektromagnetischen Mechanismus wirksam und unwirksam schaltbar ist, und wobei im Inneren der Gewindespindel (2) eine einerseits am Bezugsteil (1) und andererseits an der Gewindespindel (2) festgelegte, mit Torsionsvorspannung ausgestattete Rückholfeder (15) angeordnet ist, welche bei Entlastung der Gewindespindel vom Klemmdruck der Füße (7) der Klemmpiezopakete (4) die Gewindespindel schraubend in ihre Ruhestellung zurückholt.






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