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Dokumentenidentifikation DE102006012917B4 19.03.2009
Titel Element zur Übertragung von Kräften
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Brückner, Bent, Dipl.-Ing., 01109 Dresden, DE;
Freytag, Christian, Dipl.-Ing., 01097 Dresden, DE;
Schönecker, Andreas, Dr., 01705 Freital, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 01067 Dresden
DE-Anmeldedatum 13.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006012917
Offenlegungstag 20.09.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.03.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.03.2009
IPC-Hauptklasse F15B 15/00  (2006.01)  A,  F,  I,  20060313,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse F16F 1/00  (2006.01)  A,  L,  I,  20060313,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Elemente zur Übertragung von Kräften, die bei der Übertragung von Kräften durch entsprechende Anordnung eines solche Kräfte auf das erfindungsgemäße Element ausübenden Elements weiterleitet und quasi zwischengeschaltet ist.

Dabei ist es aus technischen Gründen in der Regel nicht möglich einen bestimmten einzigen Kraftvektor bei der Einleitung oder Übertragung mittels mechanischer Elemente, wie z. B. Hebel oder Stempel, einzuhalten, so dass ein Querkraft- oder Torsionskrafteinfluss nicht vermieden werden kann. Dies führt zumindest zu Verschleiß, Verlusten in Folge Reibung oder zu Beschädigungen, die bis zur Zerstörung an mechanischen Systemen führen können.

Dies ist besonders nachteilig bei Elementen, bei denen große Kräfte wirken und die Kraftübertragung mit kurzer Zeitkonstante und als Wechselbelastung erfolgen soll.

So stellen sich diese Probleme insbesondere im Maschinenbau bei Entkoppelgliedern, aber auch bei Einspritzsystemen moderner Dieseleinspritzsysteme, bei denen durch entsprechend hohe Kräfte, Einspritzdrücke auch oberhalb 200 bar, erreicht werden sollen.

An solchen Systemen werden Piezoaktuatoren eingesetzt, die werkstoffbedingt sehr anfällig auf Querkraft- und Torsionskrafteinflüsse sind.

In der Vergangenheit hat man unter Berücksichtigung der genannten Probleme überwiegend auf rein mechanische Systeme zurückgegriffen, um diese Einflüsse zu reduzieren. Dabei werden zur Übertragung von Kräften Kugeln, die auch zumindest einseitig in einer Kalotte aufgenommen sein können, eingesetzt, über die die Kräfte auf nachfolgend angeordnete Elemente übertragen werden können. Bekanntermaßen tritt an mechanischen Elementen, die dynamisch und wechselnd beansprucht werden, ebenfalls Verschleiß auf, der sich durch daraus resultierendes Spiel weiter vergrößert. Solches Spiel wird aber beim Betrieb entsprechender Systeme auch dadurch nachteilig, dass sich die Reaktionszeiten vergrößern und so insbesondere bei den erwähnten Systemen, die ja extrem genau gesteuert betrieben werden müssen, negative Auswirkungen beim Betrieb mit ansteigender Betriebsdauer auftreten.

Solche Übertragungselemente mit Kugeln sind aber auch mechanisch sehr hoch beansprucht, da die Kräfte nur über kleine Flächenbereiche übertragen werden und so die HERTZsche Pressung entsprechend groß ist, so dass die für die Übertragung der Kräfte eingesetzten Elemente aus hochfesten Werkstoffen hergestellt werden müssen. Dies erhöht, wie auch die erforderlichen sehr kleinen Fertigungstoleranzen und die aufwändige Montage, die Kosten.

Häufig sind solche mechanischen Systeme für die Übertragung von Kräften auch sehr groß, so dass es auch dadurch Probleme geben kann, da in vielen Fällen, das zur Verfügung stehende Volumen in eingebautem Zustand nicht ausreicht. Schwierig ist es auch eine Übertragung von Kräften mit sich dabei verändernder Richtung der Kraftwirkung zu realisieren.

So ist aus US 6,811,133 ein mikroelektromechanischer Aktuator bekannt, bei dem in einem Raum eine Flüssigkeit enthalten ist. Außerdem sind zwei Membranen vorhanden. An einer Membran ist ein piezoelektrisches Material befestigt, das bei Aktivierung zu eine Biegung auch der Membran führt, so dass auch die zweite Membran verformt wird.

Das US 6,932,278 betrifft ein Einspritzventil mit einem Kompensationselement, das ebenfalls mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. An einem topfförmigen starren Teil ist an einer Seite ein flexibler Wandbereich vorhanden.

Das DE 44 07 962 C2 beschreibt ein Stell- oder Antriebselement mit elektro- oder magnetostriktivem Aktuator und einem an den Aktuator gekoppelten Stellwegvergrößerer.

In JP 2005-5054602 ist ein Einspritzventil mit zwei Kolben beschrieben, zwischen denen ein mit Öl gefüllter Behälter angeordnet ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einfach aufgebaute Elemente zur Übertragung von Kräften zur Verfügung zu stellen, die eine Krafteinleitung und/oder Kraftübertragung, die zumindest nahezu frei von Quer- und Torsionskräften ist, ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Element, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Die erfindungsgemäßen Elemente sind dabei so ausgebildet, dass in einem Gehäuse ein inkompressibles Fluid eingeschlossen ist, am Gehäuse mindestens zwei diskret zueinander angeordnete flexible, elastisch verformbare Gehäusewandbereiche ausgebildet und mit einem Element in Form bzw. mit Funktionalität eines Stempels, der an einem ersten Gehäusewandbereich angreift oder an diesem ausgebildet ist eine Druckkraft auf diesen ausübt. Dieser Gehäusewandbereich verformt sich in Richtung auf das Innere des Gehäuses und der Druck des Fluides erhöht sich, was wiederum zu einer Verformung des mindestens einen weiteren elastisch verformbaren Gehäusewandbereiches führt, wenn ein ausreichend hoher Innendruck erreicht worden ist.

Durch diese Verformung kann ein Element zur Übertragung von Kräften, das mit dem nach außen verformbaren Gehäusewandbereich in berührendem Kontakt steht oder mit ihm verbunden ist, ausgelenkt und so die eingeleitete Druckkraft übertragen werden.

Bei der Einleitung der Druckkraft des als Stempel ausgebildeten Elementes durch entsprechende Bewegung bzw. nicht in der eigentlichen Arbeitsachse wirkenden Kräften kann eine Verkippung in einem von der Bewegungsrichtung des Stempels abweichenden Winkel ohne weiteres auftreten, ohne dass sich der daraus resultierende Querkrafteinfluss, wie beim Stand der Technik nachteilig auswirkt.

Eine hochgenaue gegenseitige Ausrichtung der verformbaren Gehäusewandbereiche zueinander ist ebenfalls nicht unbedingt erforderlich. Es ist sogar möglich die Richtung der Kraftübertragung durch entsprechende Anordnung der elastisch verformbaren Gehäusewandbereiche zueinander in weiten Grenzen zu verändern, was im Extremfall bis zur Umkehrung der Kraftrichtung um 180° möglich ist.

Es besteht aber auch die Möglichkeit mit mehr als zwei elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen die Kraftübertragung in mindestens zwei voneinander abweichenden Richtungen zu realisieren. Dabei können unterschiedlich hohe Kräfte auch in verschiedenen Richtungen übertragen werden.

Es kann aber auch eine Kraftübersetzung mit mindestens zwei elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen realisiert werden, indem die sich verformbare Fläche der Gehäusewandbereiche unterschiedlich groß ist und dadurch in Folge des Drucks des Fluides entsprechend unterschiedlich große Verformungen auftreten und/oder Kräfte wirken können.

So können auch unterschiedliche Dicken und/oder Werkstoffe mit unterschiedlichen E-Modulen bei den vorhandenen elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen gewählt werden. Dadurch können unterschiedliche Auslenkungen von verformbaren Gehäusewandbereichen realisiert werden.

Gehäusewandbereiche können auch so ausgebildet sein, dass Elemente, z. B. Stempel zur Einleitung von Kräften darin integriert sind. In bzw. an verformbaren Gehäusewandbereichen können auch Versteifungen ausgebildet sein. Dies kann mit Bereichen, die eine erhöhte Dicke aufweisen und/oder mittels einer Faserstruktur aus z. B. Kohlenstofffasern erreicht werden.

Es liegt auf der Hand, dass das Gehäuse eine ausreichende Festigkeit aufweist und sich nicht verformt. Für die zu übertragenden hohen Kräfte sollten aber auch die elastisch verformbaren Gehäusewandbereiche eine dementsprechende Festigkeit mit einhergehender Elastizität aufweisen, was mit geeigneten Metallen oder Metalllegierungen, beispielsweise Federstahl, möglich ist.

Gehäusewandbereiche können aber auch so ausgebildet sein, dass sich ihre Dicke kontinuierlich oder nicht kontinuierlich ändert. So kann, z. B. bei einem kreisförmig oder elliptisch ausgebildeten Gehäusewandbereich die Dicke ausgehend von einem radial äußeren Rand kontinuierlich vergrößert sein. Es kann aber auch mindestens eine ring- oder ellipsenförmige Vertiefung ausgebildet sein. Dadurch können bei einer Auslenkung bestimmte Federparameter bzw. eine bestimmte Federcharakteristik/Federkennlinie eingehalten werden.

Als inkompressible Fluide können sowohl passive Fluide, wie beispielsweise Hydrauliköle, als auch aktive Fluide, wie z. B. magnetorheologische Flüssigkeiten eingesetzt werden.

So kann beispielsweise bei magnetorheologischen Flüssigkeiten zusätzlich Einfluss mit elektromagnetischen Feldern oder Magnetfeldern auf die Kraftübertragung genommen werden. Hierzu kann mit mindestens einem Elektromagneten ein solches Magnetfeld ausgebildet werden, in dessen Einflussbereich das Gehäuse mit Fluid angeordnet sind. Dabei kann auch die jeweilige Feldstärke ein die Kraftübertragung beeinflussender Parameter sein.

Wird ein Magnetfeld mit einem oder mehreren Permanentmagneten ausgebildet, in dessen Einflussbereich Gehäuse mit Fluid angeordnet sind, kann ein Einfluss durch Ortsveränderung des/der Permanentmagnete(n) genommen werden, da bekanntermaßen die Feldstärke innerhalb eines Magnetfeldes lokal verändert ist. Hierfür kann mindestens ein Permanentmagnet seinen Abstand zum Gehäuse verändern.

Für eine Überwachung, Steuerung bzw. Regelung der Kraftübertragung kann es günstig sein, mindestens einen Drucksensor vorzusehen, mit dem der jeweilige Druck des Fluides bestimmt werden kann, da dieser ein Maß für die jeweils übertragende bzw. wirkende Kraft am Element sein kann.

Mit erfindungsgemäßen Elementen können multiaxial auf dieses wirkende Kräfte so übertragen werden, als wären es uniaxial wirkende Kräfte und es kann eine Entkopplung von Quer- oder Torsionskräften erreicht und am Element Schub- und Scherspannungen vermieden werden.

Es treten keine bzw. stark reduzierte Verluste auf. Es kann eine Optimierung, die Baugröße, die Höhe der zu übertragenden Kräfte und das jeweils erforderliche Fluidvolumen berücksichtigend, vorgenommen werden.

Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

1 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Elementes mit zwei gegenüberliegend angeordneten elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen;

2 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Elementes mit zwei in einem Winkel von 90° zueinander angeordneten elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen;

3 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Elementes mit drei unterschiedlich zueinander angeordneten elastisch verformbaren Gehäusewandbereichen;

4 ein Beispiel mit einem Piezoaktuator und

5 ein Beispiel mit einem Stempel zur Einleitung von zu übertragen Kräften.

In den 1 bis 3 sind in schematischer Form drei Beispiele für erfindungsgemäße Elemente zur Übertragung von Kräften dargestellt.

Dabei ist jeweils in einem zylinderförmigen Gehäuse 2 Hydrauliköl als Fluid 6 enthalten.

Die hier obere Stirnseite ist jeweils mit einem elastisch verformbaren Gehäusewandbereich 1 versehen. Dieser kann über die gesamte Fläche der oberen Stirnseite oder nur in einem Teilbereich als solcher ausgebildet sein, was auch auf noch nachfolgend zu beschreibende weitere solcher Gehäusewandbereiche 3 bzw. 4 sinngemäß zutrifft.

Auf diesen Gehäusewandbereich 1 kann mit einem hier nicht dargestellten oder funktional im Gehäusewandbereichl integrierten Stempel 8 eine Druckkraft auch in multiaxialer Form, also auch in einem in Bezug zur Vertikalen schräg geneigten Winkel ausgeübt werden.

Infolge der wirkenden Druckkraft verformt sich der Gehäusewandbereich 1 in Richtung des Gehäuseinneren. Der Druck des Fluids 6 steigt an, was zu einer Verformung eines anderen Gehäusewandbereichs 3 und/oder 4 und einer Auslenkung dieser/dieses führt. Mit einer solchen Auslenkung und dem entsprechend zurück legbaren Weg kann eine Kraft auf ein Element 7, wie es beispielsweise in 4 und 5 dargestellt ist, ausgeübt oder übertragen werden. Bei der Auslenkung wölbt sich ein solcher Gehäusewandbereich 3 und/oder 4 nach außen und die Kraft kann über das im Gehäuse 2eingeschlossene Fluid übertragen werden.

So kann eine Kraftübertragung beim in 1 gezeigten Beispiel in vertikaler Richtung von oben nach unten oder umgekehrt, bei dem in 2 gezeigten Beispiel in eine jeweils um 90° geneigte Richtung und beim in 3 gezeigten Beispiel mit den beiden vorab erklärten Richtungen gemeinsam erreicht werden.

Bei dem Beispiel nach 4 ist ebenfalls auf einen Stempel 8, der eine Druckkraft auf den Gehäusewandbereich 1 ausübt verzichtet worden. Im Fall, dass ein Stempel 8 eine Druckkraft auf den Gehäusewandbereich 1 ausübt verformen sich dieser und der hier unterhalb davon angeordnete Gehäusewandbereich 3 in analoger Form mit gleicher Richtung. Dadurch werden Druckkräfte eines Stempels 8 auf ein Piezoelement 7 ausgeübt, das fest gelagert ist.

Es besteht aber auch die Möglichkeit das Element 7 als Piezoaktuator auszubilden. Dieser vergrößert bei angelegter elektrischer Spannung seine Länge. Da er aber vertikal unten fest gelagert ist, tritt eine Verformung des Gehäusewandbereichs 3 in Richtung des Gehäuseinneren ein, was wiederum zu einer Verformung des oben angeordneten Gehäusewandbereichs 1 führt und die resultierende Auslenkung zur Übertragung einer proportional zur Längenänderung eines solchen in Form eines Piezoaktuators ausgebildeten Elements 7 ausfallenden Kraft führt.

Mit 5 soll nochmals verdeutlicht werden, dass eine Krafteinleitung mittels eines Stempels 8 und die entsprechende Kraftübertragung an einem erfindungsgemäßen Element ohne weiteres auch in einem gekippten Zustand des Stempels 8, was normalerweise einen unerwünschten Querkrafteinfluss bei der Kraftübertragung hervorrufen würde, erfolgen kann. Das Element 7 auf das die Kraft übertragen werden soll ist davon entkoppelt und kann die Kraft in vertikaler Richtung nach unten infolge der Auslenkung des Gehäusewandbereichs 3 übertragen oder aufnehmen.


Anspruch[de]
Element zur Übertragung von Kräften, bei dem in einem Gehäuse (2) ein inkompressibles Fluid (6) eingeschlossen ist; und am Gehäuse (2) zwei diskret zueinander angeordnete, elastisch verformbare Gehäusewandbereiche (1, 3) ausgebildet sind, dabei an einem ersten Gehäusewandbereich (1) ein Kräfte einleitender Stempel (8) angreift, so dass bei Wirken von Kräften eine Verformung des ersten Gehäusewandbereichs (1) erfolgt und ein mit dem zweiten Gehäusewandbereich (3) in berührendem Kontakt stehendes oder daran verbundenes Element (7) vorhanden ist, das zur Übertragung von Kräften in Folge einer Verformung des zweiten Gehäusewandbereichs (3) auslenkbar ist. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer elastisch verformbarer dritter Gehäusewandbereich (4) vorhanden ist. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die elastisch verformbaren Gehäusewandbereiche (1, 3, 4) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sind. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem verformbaren Gehäusewandbereich (1, 3, 4) eine Faserverbundstruktur vorhanden ist. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das inkompressible Fluid (6) ein Hydrauliköl oder eine magnetorheologische Flüssigkeit ist. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem konstanten Druck im Inneren des Gehäuses (2) die elastische Verformung der Gehäusewandbereiche (1, 3, 4) unterschiedlich groß ist. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des ersten Gehäusewandbereichs (1) größer oder kleiner, als die Fläche eines weiteren Gehäusewandbereichs (3 und/oder 4) ist. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbaren Gehäusewandbereiche (1, 3, 4) eine unterschiedliche Dicke und/oder aus einem Werkstoff mit unterschiedlichem E-Modul gebildet sind. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Gehäusewandbereich (1, 3 oder 4) eine sich kontinuierlich oder nicht kontinuierlich verändernde Dicke aufweist. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (2) ein Sensor zur Bestimmung des Druckes im Inneren des Gehäuses vorhanden ist. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Elektro- oder Permanentmagnet vorhanden ist. Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des/der Permanentmagnets/magnete zum Gehäuse (2) veränderbar ist. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein auslenkbares Element (7) ein Piezoaktuator ist, an einem Piezoaktuator (8) angreift oder mit dem Piezoaktuator (8) verbunden ist. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stempel (8) in einem verformbaren Gehäusewandbereich (1, 3, 4) integriert ist.






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