Federaggregat, Federspeicher und Aktor Die Erfindung betrifft ein Federaggregat, einen Federspeicher und einen Aktor.

Federelemente werden im Maschinenbau häufig genutzt. Insbe ^¬ sondere mechanische Energiespeicher in der Art von Federspei- ehern sind weit verbreitet. Federelemente weisen typisch ei ^¬ nen mit einer Auslenkung s auslenkbaren Teil auf. Mit der Federsteifigkeit k wirkt auf den auslenkbaren Teil eine Feder ^¬ kraft gemäß dem Hook' sehen Gesetz: F = k*s.

Die Federkraft wächst also mit wachsender Auslenkung des aus ^¬ lenkbaren Teils. Insbesondere Aktoren weisen Federelemente wie vorstehend be ^¬ schrieben auf. Solche Aktoren, und damit auch die Federele ^¬ mente, werden typisch ausgelenkt, wobei die Federelemente häufig Teil von Federspeichern sind, entweder explizit (als zusätzliche Bauteile mit Speicherfunktion) oder implizit (als Bauelemente wie piezoelektrische Stacks oder Dichtungselemen ^¬ te wie z.B. Bälge mit entsprechender Steifigkeit) . Dadurch hat die Charakteristik des Aktors (z.B. Kraftverlauf und Ge ^¬ schwindigkeitsverlauf) über der Auslenkung nicht die ge ^¬ wünschte Form, da die Federkraft der Federelemente von der Stärke der Auslenkung abhängig ist. Hieraus resultiert eine für viele Anwendungen zu hohe Abhängigkeit von der Auslenkung .

Es ist bekannt, Federelemente mit geringer Steifigkeit heran- zuziehen, sodass die Federkraft bei Auslenkung begrenzt ist.

Solche Lösungen bilden jedoch nachteilig empfindliche Ein ^¬ schränkungen in der Parameterwahl für diese Federelemente. Vor diesem Hintergrund des Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Federaggregat mit einem Fe ^¬ derelement bereitzustellen, bei welchem sich insbesondere die Abhängigkeit der Federkraft von der Auslenkung weniger stö ^¬ rend auswirkt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Federspeicher sowie einen verbesserten Aktor bereitzustellen.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Federaggregat mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einem Federspeicher mit dem in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Aktor mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Das erfindungsgemäße Federaggregat umfasst zumindest ein Fe ^¬ derelement mit einem gegen eine Federkraft auslenkbaren Teil und eine Kompensationseinrichtung. Die Kompensationseinrichtung ist, zumindest entlang eines Abschnitts, entlang welchem der Teil auslenkbar ist, ausgebildet, bei stärker ausgelenktem Teil der Federkraft stärker entgegenzuwirken als bei schwächer ausgelenktem Teil. Zweckmäßig umfasst der Abschnitt insbesondere den Fall verschwindender Auslenkung. Zweckmäßig umfasst der Abschnitt sämtliche durch den Teil mit dessen Auslenkung beschreibbaren Wege unterhalb eines maximalen Weges oder Wegbetrages.

Unter einem auslenkbaren Teil eines Federelementes im Sinne der vorliegenden Erfindung ist etwa ein freies Ende einer Druck- oder Zugfeder oder ein frei beweglicher Nichtend- oder Nichtrandbereich eines Federelements, etwa das Tellerzentrum einer Tellerfeder, zu verstehen .

Vorteilhaft wirkt die Kompensationseinrichtung somit der Ab ^¬ hängigkeit der Federkraft von der Auslenkung des auslenkbaren Teils entgegen. Auf diese Weise kann ein Federaggregat und insbesondere auch ein Federspeicher mit einem solchen Feder- aggregat und im Besonderen auch ein Aktor mit einer deutlich verringerten Auslenkungsabhängigkeit der Krafteinwirkung auf den freien Teil des Federelements ausgebildet werden. Die deutliche Verringerung dieser Abhängigkeit der Krafteinwir- kung eröffnet damit für Federspeicher und Aktoren neue Einsatzfelder, welche bislang aufgrund der Abhängigkeit nicht zur Verfügung standen.

Durch die Kompensationseinrichtung kann der Einfluss der Ab- hängigkeit der Federkraft von der Auslenkung eliminiert wer ^¬ den. Dies ist insbesondere bei Metall- oder Membranbälgen wichtig, die eine metallische Abdichtung bei gleichzeitigem Längenausgleich realisieren. Diese Bälge bilden Federelemente aus und weisen eine bestimmte Steifigkeit auf, wodurch bei einer Auslenkung eine Kraft aufgebaut wird. Erfindungsgemäß ist dieser Krafteinfluss einfach reduzierbar. Insbesondere ist es nicht erforderlich, einen möglichst weichen Balg zu verwenden . Bevorzugt umfasst bei dem erfindungsgemäßen Federaggregat die Kompensationseinrichtung einen mit dem Teil entlang eines Weges auslenkbaren Körper sowie eine oder mehrere Klemmbacken, die den Körper in Richtung quer zum Weg klemmt oder klemmen. Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Federaggregats weist der Körper eine in Richtung auf die Klemm ^¬ backe/n betrachtet konvexe Kontur auf. Auf diese Weise kann mittels einer Klemmung eine der Federkraft entgegenwirkende Kraft auf den Körper ausgeübt werden.

Bevorzugt weist bei dem erfindungsgemäßen Federaggregat die Kontur bei nicht ausgelenktem Teil an der oder den Klemmbacken eine zum Weg parallele Tangente auf. Somit verhalten sich die Klemmbacken auf den nicht ausgelenkten Teil neutral.

Vorzugsweise weist bei dem Federaggregat gemäß der Erfindung die Kontur bei stärker ausgelenktem Teil an der oder den Klemmbacken eine zum Weg schräge Tangente auf. Entsprechend kann sich eine wachsende der Federkraft entgegenwirkende Kraft auf den Teil entfalten.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist bei dem Federaggregat die Kontur eine Außenkontur. Alternativ oder zusätzlich ist die Kontur eine Innenkontur.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Federaggregat der Körper elastisch. Der erfindungsgemäße Federspeicher weist ein Federaggregat wie vorstehend beschrieben auf.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Federspeicher die Kompensationseinrichtung selbst mit einem Federspeicher gebildet. Dabei fungiert zweckmäßig der, vorzugsweise elasti- sehe, Körper zwischen den Klemmbacken als solcher weiterer Energiespeicher, d.h., der gesamte Federspeicher inklusive Kompensationseinrichtung fungiert in dieser Weiterbildung als Energiespeicher . Der erfindungsgemäße Aktor weist ein Federaggregat wie vor ^¬ stehend beschrieben und/oder einen Federspeicher wie vorstehend beschrieben auf. Dadurch kann die Funktionalität von des Aktors deutlich verbessert werden, da erfindungsgemäß die Kraft-Weg-Charakteristik eines solchen Aktors nicht von Fe- derelementen, wie sie etwa durch Metall- oder Membranbälge gebildet sind, beeinflusst wird. Dies ist insbesondere bei kleineren Aktoren, z.B. Mikroaktoren, wichtig, da hier die Kraft-Weg-Reserven meist gering sind und bereits kleine Fe ^¬ dersteifigkeiten großen negativen Einfluss haben können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. la: einen erfindungsgemäßen Federspeicher mit einem erfindungsgemäßen Federaggregat eines erfindungsgemäßen Aktors mit zwei Federelementen mit einem auslenkbaren Teil in einer nichtaus- gelenkter Stellung schematisch im Längsschnitt, Fig. lb: den erfindungsgemäßen Federspeicher gem. Fig.

la, bei welchem der auslenkbare Teil im Ver ^¬ gleich zu Fig. la weiter ausgelenkt ist, sche ^¬ matisch im Längsschnitt, Fig. lc: den erfindungsgemäßen Federspeicher gem. Fig.

la, bei welchem der auslenkbare Teil im Ver ^¬ gleich zu Fig. lb weiter ausgelenkt ist, sche ^¬ matisch im Längsschnitt, Fig. 2a: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin ^¬ dungsgemäßen Federspeichers schematisch im Längsschnitt sowie ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Federspeichers schematisch im Längsschnitt .

Der in Fig. la, lb und lc dargestellte Federspeicher umfasst zwei Druckfedern 5, 10 mit Federkonstante k, welche sich je- weils entlang einer Achse A auslenken lassen. Die Druckfedern 5, 10 strecken sich von zwei einander zugewandten und gegeneinander unbeweglichen Seiten 13, 17 eines nicht im Einzelnen dargestellten Aktors einander entgegen. Dabei sind die Druckfedern 5, 10 mit ihren Auslenkrichtungen zueinander (und mit der Achse A) fluchtend orientiert. Die beiden Druckfedern 5, 10 sind an einander abgewandten Seiten eines Klemmkörpers 20 einer Kompensationseinrichtung zur Kompensation der von der Auslenkung abhängigen Federkraft F _k der Druckfedern 5, 10 miteinander angebunden.

Der Klemmkörper 20 weist einen in verschiedenen Schnitten parallel zur Zeichenebene gleichbleibenden Längsschnitt auf, d.h., der Klemmkörper 20 bildet einen allgemeinen mathemati- sehen Zylinder, dessen Erzeugende senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Die Außenkontur 25 des Längsschnitts des Klemmkör ^¬ pers 20 weist einen - in Richtung senkrecht zur Achse A nach außen betrachtet - konvexen geschwungenen Verlauf auf.

Der Klemmkörper 20 liegt in Richtung senkrecht zur Achse A an zwei Klemmbacken 30, 35 an, welche als Rollenlager mit Roll ^¬ achsen senkrecht zur Zeichenebene orientiert und fix zu den Seiten 13, 17 des Aktors angeordnet sind. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen können die Klemmbacken auch als Gleitlager ausgebildet sein.

Der Klemmkörper 20 ist flexibel ausgebildet und wird von den Klemmbacken 30, 35 geklemmt und dabei in Richtung senkrecht zur Achse A und innerhalb der Zeichenebene gestaucht. In der nichtausgelenkten Stellung des Klemmkörpers 20 gem. Fig. la verläuft die Tangente am Ort 40, 45 der Klemmbacken 30, 35 an die Außenkontur des Klemmkörpers 20 parallel zur Achse A. Da ^¬ her resultiert durch die Klemmbacken 30, 35 auf den Klemmkörper 20 keine Kraft, welche entlang der Achse A orientiert ist. Infolge der Klemmbacken 30, 35 resultiert lediglich je ^¬ weils eine zur Achse senkrechte Kraftkomponente F _y durch jede Klemmbacke 30, 35, welche einander entgegengesetzt orientiert sind. Da infolge fehlender Auslenkung des Klemmkörpers 20 auf diesen auch keine Federkraft F _k wirkt, wirkt in Summe keine Kraft auf den Klemmkörper 20.

Bei zunehmender Auslenkung (Fig. lb) erfährt der Klemmkörper 20 zum einen eine zunehmende Federkraft infolge der stärkeren Auslenkung der Druckfedern 5, 10. Zusätzlich jedoch liegt der Klemmkörper verglichen mit der oben beschriebenen Anordnung verändert an den Klemmbacken 30, 35 an. Aufgrund der Auslenkung des Klemmkörpers 20 nämlich verläuft die Tangente an die Außenkontur des Klemmkörpers 20 am Ort 40, 45 der Klemmbacken 30, 35 nicht mehr parallel zur Achse A sondern ist jeweils dieser gegenüber leicht geneigt. Dabei öffnen diese Tangenten an die Außenkontur des Klemmkörpers 20 miteinander einen in Richtung der Auslenkung geöffneten Winkel. Infolge dieser schrägen Anlage der Klemmbacken 30, 35 an den Klemmkörper 20 erfährt dieser eine Kraft in Richtung der Auslenkung, d.h. die durch die Klemmbacken 30, 35 vermittelte Kraft weist ne ^¬ ben der zur Achse A senkrechten Komponente F _y nun auch eine zur Achse A parallele Kraftkomponente F _x auf, welche die Aus ^¬ lenkung unterstützt, also die Federkraft, welche der Auslen ^¬ kung des Klemmkörpers 20 entgegenwirkt, abschwächt.

Bei weiterer Auslenkung des Klemmkörpers 20 liegen die Klemm- backen 30, 35 aufgrund der - in Richtung senkrecht zur Achse A nach außen betrachtet - konvexen Außenkontur des Klemmkörpers 20 an einer solchen Stelle an, dass die Tangenten an die Außenkontur am Ort der Klemmbacken 30, 35 mit der Achse A einen gegenüber der Stellung gem. Fig. 1 b größeren Winkel ein- schließen. Entsprechend vergrößert sich die Kraftkomponente

F _x parallel zur Achse A. Damit wird die mit stärkerer Auslen ^¬ kung des Klemmkörpers 20 sich weiter vergrößernde Federkraft auf den Klemmkörper 20 mit einer weiter vergrößerten Kraftkomponente F _x abgeschwächt.

Die Kontur des Klemmkörpers 20 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen derartigen Verlauf auf, dass die in Summe auf den Klemmkörper 20 wirkende Kraft entlang der Achse A na ^¬ hezu konstant ist, d.h. nahezu unabhängig von der Auslenkung des Klemmkörpers 20 ist.

Im Extremfall kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches nicht eigens dargestellt ist, die Außenkontur des Klemmkörpers 20 derart gewählt werden, dass die mittels der Klemmbacken 30, 35 vermittelte Kraft F _x auf den Klemmkörper 20 die Federkraft F _k stets aufhebt. Damit bleibt der Klemm ^¬ körper 20 bei jeder Auslenkung kräftefrei. Folglich bleibt in solchen Ausführungsbeispielen der Klemmkörper 20 in jeder ausgelenkten Lage stehen.

Die Klemmbacken 30, 35 müssen den Klemmkörper 20 nicht notwendig wie oben gezeigt an dessen Außenkontur angreifen.

Vielmehr ist es auch denkbar, dass der Klemmkörper 20 eine entsprechende Innenkontur aufweist, an welchem die Klemmba ^¬ cken 30, 35 angreifen wie in Fig. 2a gezeigt:

Der dort dargestellte Klemmkörper 50 weist die Gestalt eines hohlen allgemeinen mathematischen Zylinders auf, d.h. die Grundfläche des Zylinders hängt zweifach zusammen und weist die Topologie eines Kreisringes auf, welcher vorliegend ge ^¬ eignet verformt ist: Der Klemmkörper 50 weist in Ebenen pa ^¬ rallel zur Zeichenebene eine Innenkontur auf, welche vom je- weils an einer innenliegenden Klemmbacke 30, 35 anliegenden Teil des Klemmkörpers 50 auf die Klemmbacke 30, 35 zu be ^¬ trachtet konvexe Form aufweist.

Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist die Federkraft geeig- net kompensierbar, im Verhältnis zur Auslenkung

linearisierbar und/oder vollständig aufhebbar.

Der Klemmkörper muss nicht notwendigerweise die Gestalt eines allgemeinen mathematischen Zylinders aufweisen. Vielmehr kann der Klemmkörper auch eine wie in Fig. 2b gezeigt rotations ^¬ symmetrische Gestalt aufweisen: Der in Fig. 2b gezeigte

Klemmkörper 70 weist denselben Längsschnitt auf wie der in Fig. la bis lc gezeigte Klemmkörper 20. Im Unterschied zum Klemmkörper 20 geht der Klemmkörper 70 jedoch durch Rotation des Längsschnitts um die Achse A hervor. Die Klemmbacken 90 sind in diesem Falle Kugellager.

In einem weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel geht der Klemmkörper durch Rotation des Längsschnitts des Klemmkörpers 50 hervor. Auch in diesem Falle sind die

Klemmbacken (nicht eigens dargestellt) mit Kugellagern reali ^¬ siert .

In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispie- len, welche im Übrigen den oben Beschriebenen entsprechen, genügen die Federelemente nicht dem Hook' sehen Gesetz. Vielmehr ist in vielen in der Praxis auftretenden Fällen die Federkonstante keine tatsächliche Konstante, sondern selbst von der Auslenkung s abhängig. Die Federkraft weist daher eine nichtlineare Abhängigkeit der Federkraft F von der Auslenkung s auf : F = k (s) *s, wobei k(s) die nun von der Auslenkung abhängige Federsteifig- keit beschreibt. In diesem Falle kann der Klemmkörper 20 aus ^¬ gebildet sein, die Federkraft, welche aus dieser nichtlinea- ren Charakteristik folgt, zu kompensieren oder deren Anstieg/Abfall mit zunehmender Auslenkung zu kompensieren oder abzuschwächen .

Um eine derart nichtlineare Federkraft im gesamten Auslen- kungsbereich zu kompensieren, wird die Form des Klemmkörpers gegenüber der Zeichnung modifiziert. Steigt beispielsweise k(s) mit der Auslenkung s an, so muss die Krümmung des Klemmkörpers in dessen nichtausgelenkter Stellung niedriger und am Rand entsprechend höher gewählt werden als in Abb. 1 und Abb. 2 gezeigt. Fällt k(s) mit der Auslenkung s ab, ist die Krüm ^¬ mung des Klemmkörpers in dessen Mitte höher und an dessen Rand entsprechend niedriger.