Stellvorrichtung mit einem Stellelement, auf das eine mit dem Stellweg zunehmende Rückstellkraft einwirkt |
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| 申请号 | EP99103665.8 | 申请日 | 1999-02-25 | 公开(公告)号 | EP0940601B1 | 公开(公告)日 | 2005-10-19 |
| 申请人 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.; | 发明人 | Büter, Andreas, Dipl.-Ing.; Breitbach, Elmar, Prof. Dr.-Ing.; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | Die Erfindung bezieht sich auf eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei der Verwendung von Stellvorrichtungen mit beliebigen Stellelementen, die auch als Translatoren bezeichnet werden, treten wegabhängige Rückstellkräfte auf, die die Effizienz des Stellelements der Stellvorrichtung gegenüber theoretisch erreichbaren Werten mindern. Die wegabhängigen Rückstellkräfte basieren typischerweise auf der positiven Steifigkeit einer zu verstellenden Struktur, an der die Stellvorrichtung angreift, aber beispielsweise auch auf der Steifigkeit von elastischen Mitteln, mit denen eine Druckvorspannung auf ein Stellelement mit einem Piezokristall ausgeübt wird, um Zugbelastungen des Piezokristalls sicher zu vermeiden. Insbesondere die Progressivität der Rückstellkräfte mit dem Stellweg der Stellvorrichtung reduziert die wirksame Längenänderung Aus der EP 0 127 741 A1 ist eine Feder mit negativer Steifigkeit in einem Nulldurchgang ihres Federwegs für den technischen Bereich der Federung von Kraftfahrzeugen bekannt. Dabei kann der Nulldurchgang der Federkennlinie der Feder mit negativer Steifigkeit relativ zu dem Federweg einer parallel geschalteten Tragfeder mit positiver Steifigkeit verstellt werden. Die bekannte Feder mit negativer Steifigkeit ist zweiteilig. Beide Teile weisen jeweils mehrere, in Richtung des Federwegs hintereinander geschaltete Permanentmagnete auf, wobei zwischen den Permanentmagneten Weicheisenzwischenstücke angeordnet sind, an die die beiden benachbarten Permanentmagnete mit jeweils gleichnamigen Polen angrenzen. Die Weicheisenzwischenstücke bewirken eine Fokussierung der magnetischen Feldlinien bzw. des magnetischen Felds, das dann seitlich, d. h. radial von der axialen Anordnung der Permanentmagnete weg, aus den Weicheisenzwischenstücken austritt und einem magnetischen Pol ausbildet, welcher gleichnamig mit den angrenzenden Polen der benachbarten Permanentmagnete ist. Dabei kann jede Feder mit negativer Steifigkeit an jedem ihrer beiden Teile mehrere Weicheisenzwischenstücke aufweisen, wobei beide Teile die gleiche Anzahl von Weicheisenzwischenstücken besitzen, die sich jeweils paarweise in dem Nulldurchgang gegenüberliegen. In der DE 195 41 600 A1 wird eine weitere konkrete Anwendungsmöglichkeit der aus der EP 0 127 741 A1 bekannten Feder mit negativer Steifigkeit beschrieben. Es handelt sich um die weiche Federung der Wippe eines Stromabnehmers für ein schnelles Schienenfahrzeug. Aus der DE 195 41 600 C1 gehen weiterhin verschiedene Möglichkeiten der Übersetzung des Federwegs einer Feder mit negativer Steifigkeit hervor, um den effektiven Federweg dieser Federn zu vergrößern. Eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der US 5,735,374 bekannt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufzuzeigen, bei der die wirksame Längenänderung des Stellelements möglichst groß ist, d. h. durch die auf das Stellelement einwirkende Rückstellkraft möglichst wenig reduziert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Feder mit negativer Steifigkeit cN dient dazu, die auf das Stellelement wirkende Steifigkeit cG der Gesamtkräfte zu reduzieren. Durch die bezogen auf die Steifigkeit cR der Rückstellkräfte beliebig wählbare Größe der negativen Steifigkeit cN kann die effektiv auf das Stellelement wirkende Gesamtsteifigkeit cG in dem Arbeitsbereich des Stellwegs theoretisch beliebig verändert werden, da cG gleich cR+cN ist. Allerdings sollte cG für eine eindeutige Kraft-Weg-Zuordnung größer null bleiben. Im Grenzfall cG gegen null ist aber sogar eine vollständige Ausnutzung der ursprünglichen, d. h. ohne elastische Krafteinwirkung erreichbaren Längenänderung des Stellelements Die Feder mit negativer Steifigkeit wird dem Stellelement parallel geschaltet. Dabei können die Feder mit negativer Steifigkeit und das Stellelement zwei gemeinsame endseitige Angriffspunkte für den Angriff an der zu verstellenden Struktur und einer Basis aufweisen. Ebenso ist es im Rahmen der Parallelschaltung des Stellelements und der Feder mit negativer Steifigkeit aber auch möglich, daß die Feder mit negativer Steifigkeit und die zu verstellende Struktur zwei gemeinsame endseitige Angriffspunkte an dem Stellelement und der Basis aufweisen. Durch den symmetrischen Verlauf der Federkennlinie der Feder mit negativer Steifigkeit zu ihrem Nulldurchgang ist bei beiden Anordnungen eine Entlastung des Stellelements der Stellvorrichtung von der Progressivität der Rückstellkraft gegeben. Die neue Stellvorrichtung weist einen begrenzten Arbeitsbereich des Stellwegs auf, in dem die negative Steifigkeit cN die positive Steifigkeit der mit dem Stellweg zunehmenden Rückstellkraft zumindest teilweise kompensiert. Wenn die Stellvorrichtung unter unterschiedlichen Bedingungen betrieben wird, kann es sinnvoll sein, den Nulldurchgang der Federkennlinie der Feder mit negativer Steifigkeit in Richtung des Stellwegs einstellbar vorzusehen, um den erfindungsgemäßen begrenzten Arbeitsbereich des Stellwegs an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen optimal anzupassen. Die Feder mit negativer Steifigkeit kann eine magnetische Feder sein, wie sie aus der EP 0 127 741 A1 grundsätzlich bekannt ist. Das heißt, sie weist in der Regel jeweils zwei mit Permanentmagneten versehene, sich über den Federweg gegeneinander verschiebende Teile auf. Dabei können die beiden Teile der Feder mit negativer Steifigkeit ihrerseits jeweils mehrere, in Richtung des Federwegs hintereinander geschaltete Permanentmagnete aufweisen, zwischen denen Weicheisenzwischenstücke angeordnet sind, an welche die beiden benachbarten Permanentmagnete jeweils mit gleichnamigen Polen angrenzen. Die magnetische Feder kann statt der Permanentmagnete aber auch Elektromagnete aufweisen, die entsprechend angeordnet sein können. Zur Abstimmung der Federkennlinie der Feder mit negativer Steifigkeit an einen erfindungsgemäß gekennzeichneten Arbeitsbereich des Federwegs gewünschter Größe, kann eine Über- oder Untersetzung für den Federweg der Feder mit negativer Steifig-keit vorgesehen sein. Solche Über- bzw. Untersetzungen sind grundsätzlich aus der DE 195 41 600 A1 bekannt, wobei die dort nur als Übersetzungen beschriebenen mechanischen Mittel in umgekehrter Richtung auch als Untersetzungen verwendet werden können. Wenn das Stellelement ein einen Piezokristall unter Druckvorspannung setzendes elastisches Mittel aufweist, um Zugbelastungen des Piezokristalls zu vermeiden, so ist die Steifigkeit des elastischen Mittels genauso zu beurteilen wie die Steifigkeit einer mit der Stellvorrichtung zu verstellenden Struktur. Beide Steifigkeiten sind gleichgewichtete Summanden der Steifigkeit der Rückstellkräfte cR und der Gesamtsteifigkeit cG. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt
In Figur 1 ist eine Stellvorrichtung 1 wiedergegeben, die an einer Struktur 2 angreift, um diese beispielsweise zu verformen. Auf die Einflußnahme der Stellvorrichtung 1 auf die Struktur 2 wird hier allgemein als ein Verstellen der Struktur 2 Bezug genommen. Die Struktur 2 ist in Figur 1 durch eine mechanische Feder 3 angedeutet, deren Steifigkeit für die Steifigkeit der Struktur 2 gegenüber der Verstellung durch die Stellvorrichtung 1 steht. Sowohl die Stellvorrichtung 1 als auch die Struktur 2 stützen sich rückwärtig an einer gemeinsamen Basis 4 ab. Die Stellvorrichtung 1 weist ein Stellelement 5 auf, das mit einem Ansteuersignal 6 auf eine Längenänderung In der bereits angesprochenen Figur 2 ist nicht nur die Richtungsumlenkung 9 für die Längenänderung Figur 3 gibt über dem Stellweg s der Stellvorrichtung 1 gemäß den Figuren 1 und 2 die von den einzelnen Bauteilen auf das Stellelement 5 ausgeübten Kräfte F wieder. Das heißt, es sind die Federkennlinien dieser Bauteile aufgetragen. Eine gradlinig vom Nullpunkt ansteigende Federkennlinie 11 ist die Federkennlinie aller auf das Stellelement 5 einwirkenden, mit dem Federweg zunehmenden Rückstellkräfte, d. h. insbesondere der von der Struktur 2, aber auch einschließlich der ggf. von einem elastischen Element 10 gemäß Figur 1 ausgehenden Rückstellkräfte. Die Federkennlinie 12 ist die Federkennlinie der Feder 8 mit negativer Steifigkeit. Die Federkennlinie 12 weist einen Nulldurchgang 13 mit negativer Steigung auf. Dies entspricht einer negativen Steifigkeit der Feder 8 in dem Nulldurchgang 13. In der Überlagerung der Federkennlinien 11 und 12 ergibt sich die gestrichelt wiedergegebene Gesamtfederkennlinie 14. Die Gesamtfederkennlinie 14 weist über einen Arbeitsbereich 15 des Stellwegs s, der symmetrisch um den Nulldurchgang 13 angeordnet ist, eine besonders geringe Steigung auf, die nahe null liegt. Diese geringe Steigung in dem Arbeitsbereich 15 entspricht einer geringen Gesamtsteifigkeit der auf das Stellelement 5 wirkenden Kräfte. Hierdurch wird die Reduzierung der effektiven Längenänderung Ein konkretes Beispiel für die Feder 8 mit negativer Steifigkeit ist in den Figuren 4 und 5 wiedergegeben. Die Feder 8 weist demnach zwei Teile 16 und 17 auf, die sich bei Veränderungen des Stellwegs in Richtung der Pfeile 18 und 19 gegeneinander verschieben. Der Teil 16 der Feder 8 besteht aus unter Zwischenordnung von Weicheisenzwischenstücken 20 übereinander angeordneten Permanentmagneten 21. Dabei grenzen gleichnamige Pole N bzw. S der Permanentmagnete 21 jeweils an ein Weicheisenzwischenstück 20 an. Hierdurch wird eine Fokussierung der magnetischen Feldlinien bzw. des magnetischen Felds erreicht, das so gebündelt in radialer Richtung seitlich aus den Weicheisenzwischenstücken 20 austritt. Den Weicheisenzwischenstücken 20 des Teils 16 liegen ringförmige Weicheisenzwischenstücke 22 des anderen Teils 17 gegenüber. Zwischen den ringförmigen Weicheisenzwischenstücken 22 sind Permanentmagnete 23 angeordnet, wobei die Anordnung deren Pole derjenigen bei dem Permanentmagneten 21 entspricht. Allerdings ist zwischen jeweils zwei Weicheisenzwischenstücken 22 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 23 angeordnet, wie dies aus Figur 5 hervorgeht. Die in Figur 4 dargestellte Relativstellung der Teile 16 und 17 entspricht dem Nulldurchgang 13 der Federkennlinie 12 gemäß Figur 3 und ist ein labiles Gleichgewicht. Sobald eine Auslenkung des Teils 16 gegenüber dem Teil 17 in Richtung des Pfeils 18 oder 19 erfolgt, treten abstoßende Kräfte zwischen den einander gegenüber angeordneten Weicheisenzwischenstücken 20 und 22 auf, die auf eine Vergrößerung der ursprünglichen Auslenkung gerichtet sind. Bei dem in Figur 6 angedeuteten konkreten Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung 1, die der Ausführungsform gemäß Figur 1 entspricht, handelt es sich um den Aufbau einer adaptiven Blattspitze 24 eines Rotorblatts 25 für einen Hubschrauber. Das Rotorblatt 25 weist einen passiven Bereich 26 und einen daran anschließende aktiven Bereich 27 auf. Zwischen dem passivem Bereich 26 und dem aktiven Bereich 27 ist die Stellvorrichtung 1 angeordnet. Die Stellvorrichtung 1 stützt sich über einen Steg 28 an einem Holm 29 des Rotorblatts 25 als Basis ab. Über ein Zugelement 30, bei dem es sich um einen zugfesten CFK-Faserstrang handelt, beaufschlagt die Stellvorrichtung 1 eine Ankerplatte 31 am freien Ende der Blattspitze 24. Die Ankerplatte 4 beaufschlagt ihrerseits eine Torsionshaut 32 auf Druck. Die Torsionshaut 32 verursacht im aktiven Bereich 27 durch eine dort zusätzlich vorgesehene Lage helikal gewickelter Fasern eine Druck-Torsionskopplung. Hierbei ist die Torsionshaut 32 über eine elastische Zwischenschicht 33 mit dem Holm 29 verbunden. In dem passiven Bereich 26 ist das Rotorblatt 25 in konventioneller Weise aufgebaut. Der Übergangsbereich zwischen dem passiven Bereich 26 und dem aktiven Bereich 27 ist zur Vermeidung von Steifigkeitssprüngen stetig ausgebildet, was die Verbindung des Holms 29 mit der Torsionshaut 32 über die Elastische Zwischenschicht anbelangt. Die bei der Rotation an den beweglichen Bauteilen 30 und 31 und an den Massenelementen der Torsionshaut 32 auftretenden Zentrifugalkräfte stützen sich im Übergangsbereich über die Stellvorrichtung 1 und die Torsionshaut 32 an dem passiven Bereich 26 des Rotorblatts 25 ab. Hierbei wird der Aktuator aufgrund der Anbindung des Zugelements 30 nur auf Druckkräfte beansprucht. Bei der Druck-Torsionskopplung der Torsionshaut 32 handelt es sich um eine Verformungskopplung, so daß die von der Stellvorrichtung erzeugbaren Längenänderungen wesentlich für die Effizienz der Verformung im aktiven Bereich der Blattspitze 24 sind. Durch die Stellvorrichtung 1 gemäß Figur 1 werden im vorliegenden Fall die negativen Effekte der Eigensteifigkeit der Torsionshaut 32, die die effektive Längenänderung der Stellvorrichtung 1 potentiell reduzieren, innerhalb des Arbeitsbereichs des Stellwegs weitestgehend unterdrückt.
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