WO2010076113A1

WO2010076113A1 - Schwingungsantrieb

Info

Publication number: WO2010076113A1
Application number: PCT/EP2009/066325
Authority: WO
Inventors: Vincent Rieger; Heiner Storck; Andre Meyer; Juergen Hilzinger
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2010-07-08
Also published as: DE102009000017A1; CN102341929A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsantrieb (1), insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, umfassend ein, mittels mindestens eines Aktuators (3, 4) zu Schwingungen anregbares Antriebselement (2), welches das Abtriebselement (5) antreibend angeordnet und ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine das Abtriebselement (5) in Richtung des Antriebselementes (2) kraftbeaufschlagende, federnd gelagerte Gegenmasse (11) vorgesehen ist.

Description

Beschreibung

Schwingungsantrieb

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 Unter- ansprüchen 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 An- triebselement 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 vorzu- sehendes, 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 norma- len 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 Um- drehung 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 Ge- genmasse 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 Spann- schraube 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:

Fig. 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, Fig. 2a und 2b: unterschiedliche Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Schwingungsantriebs, wobei im Unterschied zu dem in Fig. 1 ge- zeigten Ausführungsbeispiel ein Federspannelement zum Einstellen der

Anpresskraft des Gegenelementes vorgesehen ist,

Fig. 3a und 3b: unterschiedliche Ansichten eines weiteren alternativen Ausführungsbei- spiels eines Schwingungsantriebs, wobei zur federnden Lagerung der

Gegenmasse eine Tellerfeder vorgesehen ist,

Fig. 4: eine bevorzugte Federkennlinie einer zum federnden Lagern des Gegenelementes vorgesehenen Feder,

Fig. 5a bis 5f: einen ersten Schwingungszyklus bei einer Ausführungsform, bei der die Gegenmasse von dem Abtriebselement bei ihrer Schwingung abhebt, und

Fig. 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 Fig. 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 stößeiförmiges Antriebselement 2, welches mit Hilfe zweier, als piezoelektrische Aktuatoren ausgebildeten, Aktuatoren 3, 4 zu einer ein als Schiene ausgebildetes Abtriebsele- ment 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 Fig. 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 Fig. 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), resul- tiert. 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 1 1 angeordnet. Damit die Gegenmasse 1 1 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 hohlzylind- rische Gegenmasse 1 1 quer zu den mittels der Pfeile 6 gekennzeichneten möglichen Verstellrichtungen des Abtriebselements 5 und dient zur rotierbaren Lage- rung der Gegenmasse 1 1 . Die Feder 12 erlaubt ein Schwingen der Gegenmasse

1 1 in eine Normalrichtung relativ zum Abtriebselement 5.

Wie sich weiter aus Fig. 1 ergibt, befinden sich das Antriebselement 2 sowie die Gegenmasse 1 1 auf einer gedachten Achse 16, die die Flächenerstreckung des Abtriebselementes 5 senkrecht schneidet. Auch die Achse 16 zum rotierbaren

Lagern der Gegenmasse 1 1 befindet sich auf dieser Achse 16. Die Gegenmasse 1 1 ist mit Hilfe eines nicht dargestellten Wälzlagers relativ zu der Achse 16 rotierbar gelagert.

Die Lagerung der Gegenmasse 1 1 ist derart ausgelegt, dass die Gegenmasse 1 1 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 1 1 - im Vergleich zum Stand der Technik - erhöht.

In den Fig. 5a bis 5f ist ein Schwingungszyklus eines ersten Ausführungsbeispiels gezeigt, wobei die federnde Lagerung der Gegenmasse 1 1 , die aus Übersichtlichkeitsgründen in den Fig. 5a bis 5f nicht dargestellt wurde, derart ausgelegt ist, dass die Gegenmasse in Normalrichtung von dem Abtriebselement 5 an- heben und wieder gegen dieses anschlagen kann.

Bei einem alternativen Schwingungszyklus eines alternativen Schwingungsantriebs 1 ist die Federkraft für die Gegenmasse 1 1 derart eingestellt, dass die Gegenmasse bei ihrer Schwingung nicht, oder nur unwesentlich, von dem Abtriebs- element 5 in Normalrichtung abhebt.

In den Fig. 5a bis Fig. 6f sind mit Hohlpfeilen 17 Druck- bzw. Anpresskräfte dargestellt, mit denen das Antriebselement 2 und/oder die Gegenmasse 1 1 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 1 1 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 1 1 zu visualisieren.

Das in den Fig. 2a und 2b dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im We- sentlichen dem in Fig. 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 Fig. 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 1 1 das Abtriebselement 5 kraftbeaufschlagt. Aus Fig. 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 Fig. 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 1 1 trägt. Wie sich aus Fig. 3b ergibt, wird die Federkraft der Feder 12 und damit die Anpresskraft, mit der die schwingende

Gegenmasse 1 1 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 Fig. 3a und 3b gezeigte Ausführungsform ist in den unterschiedlichen Betriebsformen, die abhängig sind von der Federspannung und in den Fig. 5a bis 5f bzw. Fig. 6a bis 6f dargestellt sind, betreibbar.

In Fig. 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 F_F nicht oder nur geringfügig mit dem Federweg s zunimmt.

Claims

Ansprüche

1 . Schwingungsantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, umfassend ein, mittels mindestens eines Aktuators (3, 4) zu Schwingungen anregbares Antriebselement (2), welches das Abtriebselement (5) antreibend an- geordnet und ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine das Abtriebselement (5) in Richtung des Antriebselementes (2) kraftbeaufschlagende, federnd gelagerte Gegenmasse (1 1 ) vorgesehen ist.

2. Schwingungsantrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung der Gegenmasse (1 1 ) derart ausgelegt ist, dass die Ge- genmasse (1 1 ) in Gegenphase zu dem Antriebselement (2) schwingt.

3. Schwingungsantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (2) mit einer ersten Seite (9) des Abtriebsele- ments (5) und die Gegenmasse (1 1 ) mit einer von der ersten Seite (9) abgewandten zweiten Seite (10) des Abtriebselementes (5) zusammenwirkt.

4. Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsantrieb (1 ) als Linearantrieb oder als rotatorischer Antrieb ausgebildet ist.

5. Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenmasse (1 1 ) und das Antriebselement (2) auf einer gemein- samen, gedachten, senkrecht zur Flächenerstreckung des Antriebselementes (2) angeordneten Achse (16) angeordnet sind.

6. Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Feder (12) zur federnden Lagerung der Gegenmasse (1 1 ) eine Feder (12) vorgesehen ist, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Abtriebselementes (5) steifer ist als in die Bewegungsrichtung.

7. Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Feder (12) zur federnden Lagerung der Gegenmasse (1 1 ) eine Tellerfeder vorgesehen ist.

8. Schwingungsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Feder (12) zur federnden Lagerung der Gegenmasse (1 1 ) eine, zumindest näherungsweise C- oder U- förmige Feder (12) vorgesehen ist.

9. Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresskraft, mit der die Gegenmasse (1 1 ) das Abtriebselement (5) beaufschlagt, einstellbar ist.

10. Schwingungsantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die, vorzugsweise zylindrische, Gegenmasse (1 1 ) rotierbar, insbesondere mittels eines Wälzlagers oder nicht rotierbar mittels eines Gleitlagers, gelagert ist.