Hubübertrager für eine Aktoreinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hubübertrager für eine Aktoreinrichtung, welcher eine mit einem Aktor verbind bare hydraulische Übersetzungseinheit aufweist. Weiterhin be trifft die Erfindung eine Aktoreinrichtung mit einem solchen Hubübertrager .

Aus dem Stand der Technik sind vor allem piezohydraulische Aktoreinrichtungen bekannt, die typischerweise einen Piezoak- tor und eine hydraulische Übersetzungseinheit umfassen, wobei der Piezoaktor als Antrieb für die hydraulische Übersetzungs einheit wirkt. Ein wesentliches Merkmal solcher kombinierter Aktoreinrichtungen ist, dass durch das Vorliegen einer Hyd raulikeinheit ein wesentlich größerer mechanischer Hub er reicht werden kann als mit dem Piezoaktor allein. Dies kann beispielsweise durch ein Übersetzungsverhältnis in der Hyd raulikeinheit erreicht werden und/oder durch einen Pumpeffekt in der Hydraulikeinheit, welcher eine Summierung des Effekts von zahlreichen kleinen Einzelbewegungen des Piezoaktors be wirkt. Hierdurch wird ein Hauptnachteil des Piezoaktors und auch anderer bekannter Festkörperaktoren überwunden, nämlich deren geringer Hub. Solche piezohydraulischen Aktoren sind beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE 102016213654 Al und DE 102013219759 Al bekannt.

Es existieren jedoch zahlreiche Anwendungen für Aktoreinrich tungen, bei denen eine noch weitergehende Hubvergrößerung wünschenswert wäre, als diese mit einer solchen einstufigen hydraulischen Übersetzungseinheit zu erreichen ist. Bei spielsweise existieren viele Anwendungen, bei denen eine Ak toreinrichtung einen mechanischen Hub von mehreren mm und zum Teil sogar mehreren Zentimetern liefern muss. Beispiele hier für sind Aktoreinrichtungen in der Robotik, zur Verstellung von Hubtischen, zur Dosierung einer Injektion einer Flüssig keit oder zum Auslösen eines Schaltvorgangs in einer Schalt- einrichtung. Für viele dieser Anwendungen wird nicht nur ein hoher Hub benötigt, sondern gleichzeitig auch eine hohe Ge schwindigkeit. So darf bei einigen Anwendungen die gesamte Auslösezeit vom elektrischen Ansteuern des Aktors bis zum Ab schluss der gesamten Bewegung nur wenige Millisekunden (oder zum Teil noch weniger) betragen. Eine weitere Anforderung, die bei vielen der genannten Anwendungen wichtig ist, ist eine möglichst effiziente Umsetzung von elektrischer in me chanische Energie. Eine weitere Anforderung, die bei vielen der genannten Anwendungen wichtig ist, ist die Übertragung einer vergleichsweise hohen Kraft auf der Abtriebsseite. Es existiert also insgesamt ein Bedarf sowohl für einen Hubüber trager als auch für eine damit ausgestattete Aktoreinrich tung, welche die genannten Anforderungen an Hub, Dynamik, Energieeffizienz und Kraft gleichzeitig möglichst gut erfül len. Dabei ist die Energie des Gesamtsystems durch die Ener gie des Aktors begrenzt, wobei mit dem Hubübertrager das Ver hältnis zwischen Hub und Kraft eingestellt werden kann. Ein besonderer Bedarf besteht dabei für einen Hubübertrager, der so ausgelegt ist, dass für die jeweilige Anwendung möglichst flexibel ein geeigneter Kompromiss zwischen den zum Teil nicht gleichzeitig erfüllbaren Randbedingungen gefunden wer den kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Hubübertrager anzu geben, welcher die genannten Schwierigkeiten überwindet. Ins besondere soll ein Hubübertrager zur Verfügung gestellt wer den, welcher in einer Aktoreinrichtung gleichzeitig im Rahmen der zur Verfügung stehenden Gesamtenergie einen hohen Hub, eine hohe Dynamik, eine hohe Energieeffizienz und eine hohe Kraftübertragung ermöglicht. Der Aufbau des Hubübertrager es soll dabei auf möglichst einfache Weise die Einstellung eines für die jeweilige Anwendung abgestimmten Kompromisses zwi schen den genannten Parametern ermöglichen. Eine weitere Auf gabe der Erfindung ist es, eine Aktoreinrichtung mit einem derartigen Übertrager zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Hubübertrager und die in Anspruch 11 beschriebene Aktorein richtung gelöst. Der erfindungsgemäße Hubübertrager ist als Hubübertrager für eine Aktoreinrichtung ausgelegt. Er umfasst eine erste und eine zweite Übersetzungseinheit, welche unter einander mechanisch in Serie geschaltet sind. Dabei ist die erste Übersetzungseinheit als hydraulische Übersetzungsein heit ausgebildet und auf ihrer Antriebsseite mit einem Aktor verbindbar. Sie ist auf ihrer Abtriebsseite mit der Antriebs seite der zweiten Übersetzungseinheit verbunden. Die zweite Übersetzungseinheit ist als Seilsystem ausgebildet und weist auf ihrer Abtriebsseite einen Abtriebskörper auf.

Dabei ist der genannte Abtriebskörper des Seilsystems ein übergeordneter Abtriebskörper des gesamten Hubübertragers.

Der Hubübertrager weist insbesondere auf seiner Antriebsseite auch einen entsprechenden Antriebskörper auf, welcher mit dem Aktor der Aktoreinrichtung verbunden werden kann.

Unter dem Begriff „mechanisch in Serie geschaltet" soll hier allgemein verstanden werden, dass die Abtriebsseite der ers ten Übersetzungseinheit mit der Antriebsseite der zweiten Übersetzungseinheit kraft- und bewegungsübertragend verbunden ist. Das Seilsystem soll also insbesondere mit der dem Aktor gegenüberliegenden Seite der hydraulischen Übersetzungsein heit kraftübertragend verbunden sein. Die hydraulische Über setzungseinheit bildet also nach dem Aktor die erste Überset zungsstufe, und das Seilsystem bildet eine nachgelagerte zweite Übersetzungsstufe. Durch diese beiden Stufen ergibt sich ein Gesamt-Übersetzungsverhältnis, welches aus den ein zelnen Übersetzungsverhältnissen der hydraulischen Überset zungseinheit und des Seilsystems multiplikativ zusammenge setzt ist. Das Seilsystem wiederum ist auf seiner Antriebs seite mit der hydraulischen Übersetzungseinheit mechanisch gekoppelt und auf seiner Abtriebsseite mit dem bewegbaren Ab triebskörper verbunden. Bei diesem Abtriebskörper kann es sich beispielsweise allgemein um einen Translationskörper oder aber auch um einen Rotationskörper handeln. Wesentlich im Zusammenhang mit der Erfindung ist nur, dass dieser Ab triebskörper zur Übertragung eines mechanischen Hubs auf ein äußeres Element geeignet ist.

Das Seilsystem ist insbesondere ein mechanisches Überset zungssystem mit einem Seil als bewegungsübertragendes Bauele ment. Dabei liegt die Antriebsseite im Bereich eines ersten Seilendes und die Abtriebsseite liegt im Bereich eines zwei ten .

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass die Anordnung mit zwei hintereinander ge schalteten Übersetzungseinheiten es ermöglicht, einen relativ großen Hub des Abtriebskörpers zu erzielen, selbst wenn der verwendete Aktor selbst nur einen vergleichsweise niedrigen Hub erzeugen kann. Auf diese Weise kann insbesondere auch bei Verwendung eines Festkörperaktors mit einem kleinen Eingangs hub ein für die jeweilige Anwendung nötiger Ausgangshub von insbesondere mehreren Millimetern erzeugt werden.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass dieser ver gleichsweise große Hub auch bei kurzen Auslösezeiten von ins besondere nur wenigen Millisekunden erreicht werden kann.

Dies ist vor allem durch die hohe Steifigkeit des gesamten Übersetzungssystems gegeben.

Zum einen kann die hydraulische Übersetzungseinheit relativ leicht mit einer hohen Steifigkeit ausgelegt werden. Dies kann insbesondere durch die Verwendung eines vergleichsweise niedrigen Arbeitsvolumens der Hydraulikflüssigkeit, durch Kammerwände mit geringer seitlicher Verformbarkeit und/oder durch die Verwendung von Kolben als Hubelementen erreicht werden. Allgemein eignen sich hydraulische Übersetzungsein heiten besonders gut für eine Hubübersetzung mit hoher Dyna mik. Im vorliegenden Zusammenhang soll unter einer „hohen Dy namik" der Übersetzungseinheit allgemein ein schnelles zeit liches Ansprechverhalten verstanden werden. Mit anderen Wor ten soll eine „hohe Dynamik" bedeuten, dass eine kurze, schnelle Bewegung auf der Antriebsseite mit geringem Zeitver satz und geringer zeitlicher Dehnung in eine entsprechend kurze, schnelle Bewegung auf der Abtriebsseite übersetzt wird .

Neben der hydraulischen Übersetzungseinheit kann auch das in Serie geschaltete Seilsystem relativ leicht mit einer hohen mechanischen Steifigkeit und einer entsprechend hohen Dynamik realisiert werden. Vor allem bei der Wahl von Seilmaterialien mit geringer Elastizität und hoher Zugfestigkeit kann bei einem solchen Seilsystem relativ leicht eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig relativ geringer Masse der bewegten Teile erreicht werden.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der große Hub und die hohe Dynamik bei einer vergleichsweise geringen Spit zenleistung erreicht werden können. Dies wird insbesondere dadurch möglich, dass sowohl die Erzeugung des Hubs im Aktor als auch die Hubübersetzung in den beiden Übersetzungsstufen vergleichsweise energieeffizient erfolgen kann. Insbesondere bei Verwendung eines Festkörperaktors treten bei der Erzeu gung des Primär-Hubs relativ geringe Verluste auf. Auch die hydraulische Übersetzungseinheit kann leicht mit geringen Energieverlusten betrieben werden, vor allem wenn das Ar beitsvolumen und somit die bewegte Masse der Hydraulikflüs sigkeit geringgehalten werden können. Auch das Seilsystem kann leicht mit geringen Energieverlusten betrieben werden, vor allem wenn das Seil eine geringe elastische Verformbar keit aufweist.

Zusammenfassend können also mit dem erfindungsgemäßen Hub übertrager die Anforderungen an die Höhe des Hubs und an die Auslösegeschwindigkeit für verschiedene der genannten Anwen dungen realisiert werden, wobei gleichzeitig insgesamt eine energieeffiziente Umsetzung erfolgt. Dies kann insbesondere eine effiziente Umsetzung einer für den Betrieb des Aktors eingesetzten elektrischen Energie in eine mechanische Bewe gungsenergie des Abtriebskörpers sein. Im Vergleich zu einem reinen hydraulischen Hubübersetzer er möglicht die erfindungsgemäße zweistufige Kombination von Hydraulik und Seilsystem nicht nur einen besonders großen Hub, sondern gleichzeitig auch eine vergleichsweise niedrige Masse. Ein Seilsystem kann nämlich im Vergleich zu einer hyd raulischen Übersetzungseinheit bei vergleichbarem Überset zungsverhältnis deutlich leichter mit einer niedrigeren Ge samtmasse realisiert werden. Im Vergleich zu einem reinen Seilsystem ermöglicht die erfindungsgemäße zweistufige Kombi nation bei vergleichbarem Übersetzungsverhältnis eine insge samt höhere Steifigkeit und somit eine verbesserte Dynamik. Bei Verwendung eines niedrigen Arbeitsvolumens, einer nur we nig Kompressibilität Hydraulikflüssigkeit und einer geringen Leckage lässt sich nämlich mit einer hydraulische Überset zungseinheit deutlich leichter eine besonders hohe Dynamik realisieren als mit einem reinen Seilsystem. Bei einem reinen Seilsystem würde nämlich durch die Anzahl der notwendigen Rollen die Masse des Systems vergleichsweise hoch ausfallen. Die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Übersetzungs stufen ermöglichen es auf besonders einfache Weise, eine An passung der Gesamtparameter des Hubübertragers auf die Anfor derungen der jeweiligen Anwendung zu erzielen. Wenn für die jeweilige Anwendung eine besonders hohe Energieeffizienz wichtig ist, kann beispielsweise ein höherer Anteil an der Gesamtübersetzung mit dem Seilsystem realisiert werden. Hier durch werden die Gesamtmasse und damit auch die Verluste be sonders geringgehalten. Wenn dagegen für die jeweilige Anwen dung eine besonders hohe Dynamik noch wichtiger ist, kann ein vergleichsweise höherer Anteil an der Gesamtübersetzung mit der hydraulischen Übersetzungseinheit realisiert werden.

Hierdurch wird eine besonders hohe Steifigkeit und somit eine besonders hohe Dynamik des Hubübersetzers erreicht. Somit er laubt das grundlegende Konzept des erfindungsgemäßen Hubüber tragers über die Dimensionierung der beiden Übersetzungsstu fen eine besonders flexible Anpassung an die jeweils benötig ten Systemparameter. Die erfindungsgemäße Aktoreinrichtung weist einen Aktor und einen zu dem Aktor mechanisch in Serie geschalteten erfin dungsgemäßen Hubübertrager auf. Die Vorteile der Aktorein richtung ergeben sich dabei analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des Hubübertragers.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 11 abhängigen An sprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei kön nen die beschriebenen Ausgestaltungen des Hubübertragers und der Aktoreinrichtung allgemein vorteilhaft miteinander kombi niert werden.

So kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform das Seil system als Flaschenzugsystem ausgelegt sein. Ein solches Fla schenzugsystem kann insbesondere ein bewegungsübertragendes Seil und eine Mehrzahl von Umlenkrollen aufweisen. Ein Vor teil dieser Ausführungsform ist, dass auf diese Weise relativ einfach ein gewünschtes Wegübersetzungsverhältnis eingestellt werden kann. Insbesondere kann das Übersetzungsverhältnis durch die Wahl der Anzahl der Umlenkrollen beeinflusst wer den. Gleichzeitig kann durch die Wahl eines Seils mit einer geringen Elastizität und einer hohen Zugfestigkeit eine me chanische Übersetzungseinheit mit hoher Steifigkeit und ge ringer Masse zur Verfügung gestellt werden.

Bei einem solchen Flaschenzugsystem kann die Anzahl n der Um lenkrollen vorteilhaft wenigstens 2 sein, besonders vorteil haft wenigstens 4 sein und insbesondere zwischen 2 und 20 liegen. Diese Rollen können insbesondere gruppenweise zu ein zelnen Blöcken zusammengefasst sein, wobei die Rollen eines gemeinsamen Blocks jeweils an einem gemeinsamen Tragkörper fixiert sind. Insbesondere können insgesamt zwei solche ge genüberliegende Blöcke mit jeweils einer Mehrzahl von Rollen vorgesehen sein. Der Umlaufwinkel des Seils über die Rollen der beiden Blöcke kann vorteilhaft bei etwa 180° liegen. Mit anderen Worten wird dann im Wesentlichen die Hälfte einer je den Rolle von dem Seil umlaufen. Zusätzlich zu den beschriebenen beiden Blöcken von Rollen kann das Flaschenzugsystem auch eine weitere seitliche Um lenkrolle aufweisen, bei der der Umlaufwinkel des Seils in Abhängigkeit von der Stellposition variabel ist. Dieser vari able Umlaufwinkel kann dabei insbesondere im Bereich zwischen 90° und 180° liegen. Die Variation des Umlaufwinkels ist da bei durch die Bewegung eines mit dem Seil fest verbundenen Abtriebskörpers des Seilsystems bedingt, also beispielsweise durch die Bewegung eines Stößels. Es kann sich also insbeson dere um eine abtriebsseitige seitliche Umlenkrolle handeln.

Allgemein und unabhängig von der genauen Ausführungsform und Anzahl der Umlenkrollen kann es sich bei dem Flaschenzugsys tem grundsätzlich um einen Faktorenflaschenzug, einen Potenz flaschenzug und/oder um einen Differentialflaschenzug han deln .

Allgemein vorteilhaft kann das Seilsystem ein Übersetzungs verhältnis von weniger als 1 aufweisen. Mit diesem Überset zungsverhältnis wird eine Bewegung eines Antriebskörpers des Seilsystems auf eine Bewegung eines Abtriebskörpers des Seil systems übertragen. Bei einem Übersetzungsverhältnis unter 1 ist der Hub auf der Abtriebsseite größer als der Hub auf der Antriebsseite. Unter dem hier genannten Übersetzungsverhält nis soll also allgemein das Verhältnis vom Hub auf der An triebsseite zum Hub auf der Abtriebsseite der jeweiligen Übersetzungsvorrichtung verstanden werden. Bei einem größer werdenden Hub ist dieses Übersetzungsverhältnis entsprechend kleiner als 1. Besonders bevorzugt weist das Seilsystem ein Übersetzungsverhältnis von 1:2 oder weniger auf. Mit einem Übersetzungsverhältnis unterhalb von 1:2 wird also eine noch höhere als die 2fache Hubvergrößerung erhalten. Mit anderen Worten ist dann der Hub auf der Abtriebsseite im Verhältnis zum Hub auf der Antriebsseite des Seilsystems zumindest ver doppelt. Hierdurch wird in der zweiten Übersetzungsstufe der Aktoreinrichtung also ein signifikante (weitere) Hubüberset zung erreicht. Somit kann für den Hubübertrager als Ganzes ein ausreichend hoher Hub des Abtriebskörpers erzielt werden, welcher für die jeweilige Anwendung ausreichend ist. Dies kann insbesondere auch für Aktoren mit vergleichsweise gerin gem Primärhub erreicht werden.

Mit einem Seilsystem kann vorteilhaft ein Übersetzungsver hältnis in einem allgemein vorteilhaften Bereich zwischen 1:2 und 1:50 leicht realisiert werden. Ein Übersetzungsverhältnis in einem vorteilhaften Bereich zwischen 1:2 und 1:20 kann da bei mit einem vergleichsweise geringen apparativen Aufwand realisiert werden.

Allgemein vorteilhaft und unabhängig von der genauen Ausge staltung des Seilsystems können in dem Hubübertrager die hyd raulische Übersetzungseinheit und das Seilsystem zusammen eine Gesamtübersetzung von 1:2 oder weniger und insbesondere von 1:4 oder weniger aufweisen. Mit anderen Worten können beide Übersetzungsstufen derart _Z usammenwirken, dass für den Abtriebskörper ein im Verhältnis zum Hub des Aktors ein zu mindest verdoppelter und insbesondere zumindest vervierfach ter Hub erreicht wird. Besonders bevorzugt kann dieses Ge samt-Übersetzungsverhältnis bei 1:10 oder weniger, insbeson dere bei 1:20 oder weniger, weiterhin besonders bevorzugt bei 1:50 oder weniger und insbesondere sogar bei 1:100 oder weni ger liegen. Derart hohe Gesamt-Übersetzungen ermöglichen es, auch mit Primär-Aktoren mit nur sehr geringem Hub (wie bei spielsweise Piezo-Aktoren) einen ausreichend hohen Hub des Abtriebskörpers zu erreichen.

So kann der Abtriebskörper allgemein vorteilhaft einen Hub von wenigstens 0,5 mm und insbesondere wenigstens 2 mm auf weisen. Mit anderen Worten kann der Abtriebskörper durch den Primär-Hub des Aktors und die hub-vervielfältigende Wirkung der beiden Übersetzungsstufen um wenigstens diesen Hub bewegt werden. Der Hub des Abtriebskörpers kann beispielsweise für viele Anwendungen vorteilhaft in einem Bereich zwischen

0,5 mm und 5 mm liegen. Alternativ zu den beschriebenen Ausführungsformen mit einer hubvergrößernden Übersetzung des Seilsystems und/oder des ge samten Hubübertragers ist es aber grundsätzlich auch möglich und unter Umständen auch vorteilhaft, wenn das jeweilige Übersetzungsverhältnis größer als 1 gewählt ist. Dies kann insbesondere für das Übersetzungsverhältnis der hydraulischen Übersetzungseinheit für sich, das Übersetzungsverhältnis des Seilsystems für sich und vor allem für das Übersetzungsver hältnis des Hubübertragers als Ganzes gelten. Auf diese Weise kann auf der jeweiligen Abtriebsseite eine größere Kraft wir ken als die Kraft, welche auf der Antriebsseite zur Verfügung steht. Diese Ausführungsvariante ist also allgemein für An wendungen vorteilhaft, bei denen hohe Kräfte benötigt werden. Besonders vorteilhaft kann das Übersetzungsverhältnis für je de der beiden Übersetzungsstufen allgemein größer 2 sein und insbesondere im Bereich zwischen 2 und 10 liegen.

Allgemein und unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Übersetzungsverhältnisse kann der Abtriebskörper ein länglich geformter Stößel sein. Ein solcher Stößel kann insbesondere mit im Wesentlichen nur einem translatorischen Freiheitsgrad beweglich gelagert sein. Für eine solche eindimensional be wegliche Lagerung kann insbesondere eine Gleitbuchse zum Ein satz kommen. Mit anderen Worten wirkt der Stößel dann als Translationskörper. Die Bewegung des Seils wird dann also auf eine eindimensionale Bewegung dieses Translationskörpers übertragen .

Alternativ zu der Ausführungsform mit einem Translationskör per kann der Abtriebskörper aber auch ein Rotationskörper sein. Mit anderen Worten kann die translatorische Bewegung durch die Übersetzungseinheit auch in eine Drehbewegung eines Rotationskörpers umgesetzt werden. Eine solche Umsetzung ein eine Drehbewegung kann beispielsweise durch eine Verbindung mit einer Rolle erfolgen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der hydraulischen Übersetzungseinheit kann diese ein Antriebselement und ein Abtriebselement aufweisen. Sie kann insbesondere dazu ausge bildet sein, eine Bewegung des Antriebselements mit einem We gübersetzungsverhältnis von kleiner 1 auf das Abtriebselement zu übertragen. Mit anderen Worten soll also auch durch die hydraulische Übersetzungseinheit bevorzugt eine Vergrößerung des Hubs erfolgen. Besonders vorteilhaft kann das Überset zungsverhältnis der Hydraulikeinheit höchstens 1:2 und insbe sondere 1:10, ganz besonders vorteilhaft sogar höchstens 1:20 oder sogar höchstens 1:50 sein. So kann also bereits in der ersten Stufe der gesamten Aktoreinrichtung eine entsprechende Vergrößerung des Hubs erreicht werden, wobei dieser Hub der Hydraulikeinheit dann noch einmal durch das beschriebene vor teilhafte Übersetzungsverhältnis des Seilsystems weiter ver größert wird.

Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform der hyd raulischen Übersetzungseinheit ist diese mit einer Hydraulik flüssigkeit befüllbar. Sie weist insbesondere eine erste und eine zweite Kammer auf, welche hydraulisch miteinander ver bunden sind und von denen eine als Antriebskammer und die an dere als Abtriebskammer ausgebildet ist. Hierbei können An triebskammer und Abtriebskammer allgemein entweder durch eine Leitung fluidisch verbunden sein oder aber auch als Teilbe reiche eines übergeordneten Kammervolumens direkt ineinander übergehen. Dieser Grundaufbau der hydraulischen Übersetzungs einheit ist beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE 102016213654 Al und DE 102013219759 Al bekannt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der hydrau lischen Übersetzungseinheit kann zumindest in der ersten Kam mer (als entweder in der Antriebskammer und/oder in der Ab triebskammer) ein Kolben entlang einer Kolbenachse beweglich angeordnet sein. Dabei kann dieser Kolben die erste Kammer in eine volumenmäßig variable Arbeitskammer und eine Rückseiten kammer trennen, wobei die Rückseitenkammer zumindest teilwei se durch ein Balgelement mit variabler axialer Länge begrenzt ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Hydraulikein heit weder um ein reines Kolbensystem, noch um ein reines Balgsystem, sondern um ein gemischtes Kolben-Balg-System, bei denen beide Typen von Begrenzungselementen zumindest in einer der beiden Kammern nebeneinander vorliegen. Insbesondere kön nen sogar beide Kammern (Antriebskammer und Abtriebskammer) als ein derartiges gemischtes Kolben-Balg-System realisiert sein. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen gemischten Kolben-Balg-Systems werden in der von der Siemens AG und der MetisMotion GmbH am selben Anmeldetag eingereich ten internationalen Anmeldung mit dem Titel „Hydraulische Übersetzungseinheit für eine Aktoreinrichtung" näher be schrieben, welche daher in den Offenbarungsgehalt der vorlie genden Anmeldung mit einbezogen sein soll. Alternativ kann die hydraulische Übersetzungseinheit aber auch als reines Kolbensystem oder auch als reines Balgsystem realisiert sein, wie sie ebenfalls in der oben zitierten parallel eingereich ten Anmeldung näher beschrieben sein. Bezüglich möglicher An wendungen und weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des Hub übertragers soll im Übrigen auch die von der Siemens AG am selben Anmeldetag eingereichte deutsche Anmeldung mit dem Ti tel „Auslösevorrichtung für eine elektrische Schalteinrich tung" in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen sein.

Allgemein vorteilhaft und unabhängig von der genauen Ausge staltung der hydraulischen Übersetzungseinheit kann diese eine Vorratskammer für die Hydraulikflüssigkeit aufweisen. Eine solche Vorratskammer kann insbesondere mit der oben be schriebenen Rückseitenkammer fluidisch verbunden oder ver bindbar sein. Sie kann insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn eine Bewegung des Kolbens für die Rückseitenkammer nicht vollständig volumenneutral ist. Eine kleine Volumenänderung der Rückseitenkammer kann somit durch eine fluidische Ankopp lung an die Vorratskammer vorteilhaft ausgeglichen werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ankopplung an eine Vor ratskammer aber auch nützlich sein, um eine durch eine Tempe raturänderung verursachte Volumenänderung an Hydraulikflüs sigkeit auszugleichen. Bei einer besonders bevorzugten Vari ante dieser Ausführungsform ist die Vorratskammer druckbeauf- schlagbar. Eine solche Möglichkeit zur Druckbeaufschlagung kann beispielsweise durch ein zusätzliches Balgelement oder einen Kolben im Bereich der Vorratskammer realisiert sein. Hierüber kann die Vorratskammer mit einem Druck beaufschlagt werden, welcher beispielsweise höher oder niedriger sein kann als der Druck in der mit der Vorratskammer fluidisch gekop pelten Rückseitenkammer. So kann beispielsweise mittels eines im Bereich der Vorratskammer vorliegenden Stellelements das gesamte hydraulische System auf einen gewünschten Ausgangs druck vorgespannt werden, wodurch insbesondere eine gewünsch te Ausgangsposition eines auf der Abtriebsseite vorliegenden Abtriebskörpers eingestellt werden kann. Die sich jeweils einstellende Ausgangsposition des Abtriebskörpers hängt dabei von den Steifigkeiten der eingesetzten Balgelemente sowie den auf den Stellkörper und den Abtriebskörper wirkenden Vor spannkräften ab.

Allgemein kann die hydraulische Übersetzungseinheit mit einer Hydraulikflüssigkeit befüllt sein. Bei dieser Ausführungsform ist also die Hydraulikflüssigkeit bereits Teil der Überset zungseinheit. Zur Realisierung der Erfindung reicht es aller dings grundsätzlich aus, wenn die Übersetzungseinheit ein zur Befüllung mit der Hydraulikflüssigkeit geeignetes Kammersys tem aufweist. Eine geeignete Hydraulikflüssigkeit ist bei spielsweise ein Silikonöl, ein Glykol oder aber auch ein Flüssigmetall. Wenn die Übersetzungseinheit mit der Hydrau likflüssigkeit befüllt ist, findet sich diese sowohl in der Antriebskammer als auch in der Abtriebskammer (und dabei ge gebenenfalls jeweils sowohl in der Arbeitskammer als auch in der Rückseitenkammer) und zusätzlich in einer oder mehreren optional vorhandenen Verbindungsleitungen und/oder Vorrats kammern. Allgemein können Antriebskammer und Abtriebskammer entweder durch eine Leitung fluidisch verbunden sein oder aber auch als Teilbereiche eines übergeordneten Kammervolu mens direkt ineinander übergehen.

Allgemein vorteilhaft kann das gesamte Arbeitsvolumen der hydraulischen Übersetzungseinheit 1 ml oder weniger betragen. Insbesondere kann das Arbeitsvolumen im Bereich unterhalb von 0,5 ml oder sogar unterhalb von 0,1 ml und insbesondere zwi schen 0,01 ml und 0,5 ml beziehungsweise zwischen 0,01 ml und 0,1 ml liegen. Mit einem derart niedrigen Arbeitsvolumen kann besonders leicht eine Übersetzungseinheit mit einer hohen Steifigkeit und/oder hohen Dynamik realisiert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die hydraulische Übersetzungseinheit als pumpbare Übersetzungs einheit ausgebildet sein, so dass durch mehrere aufeinander folgende Einzelbewegungen im Bereich der Antriebskammer eine summierte Bewegung im Bereich der Abtriebskammer erzeugt wer den kann. Ein solcher Pumpeffekt ist beispielsweise in der DE 102017214697 Al und in der europäischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 17203689.9 beschrieben, welche daher in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung mit einbezogen sein sollen. Bei einer solchen Ausführungsform erfolgt nicht nur eine Übersetzung, sondern auch eine Summierung der Ein zelbewegungen eines Antriebskörpers zu einer summierten Ge samtbewegung eines Abtriebskörpers. Hierzu können beispiels weise ein oder mehrere Rückschlagventile in der hydraulischen Leitung zwischen der antriebsseitigen Arbeitskammer und der abtriebsseitigen Arbeitskammer vorgesehen sein. Optional kön nen zusätzlich ein oder mehrere Pumpreservoirs für die Hyd raulikflüssigkeit vorgesehen sein, welche hydraulisch mit dem Arbeitsvolumen koppelbar sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Aktoreinrich tung ist der Aktor ein Festkörperaktor. Bei einem solchen Festkörperaktor kommen die beschriebenen Vorteile der erfin dungsgemäßen Ausgestaltung der nachgeschalteten Übersetzungs einheiten besonders wirksam zum Tragen, da insbesondere der Hub eines Festkörperaktors in der Praxis stark begrenzt ist und zur Leistungsübertragung hohe Steifigkeiten in Abhängig keit vom Aktortyp vorteilhaft sind. So weist ein Festkörper aktor typischerweise eine hohe Eigenfrequenz und damit eine vorteilhaft hohe Dynamik auf. Gemäß einer besonders bevorzugten Variante ist der Festkör peraktor ein Piezoaktor. Piezoaktoren haben sich in der Ver gangenheit als besonders vielversprechende Primär-Aktoren er wiesen. Mit ihnen kann eine besonders präzise Bewegung er reicht werden. Ihr Hauptnachteil, nämlich ihr geringer mecha nischer Hub, kann wie beschrieben durch die nachfolgenden Übersetzungseinheiten ausgeglichen werden. Auch bei einer entsprechenden Reduktion der Kraft durch die Übersetzungsstu fen ist die Kraft für viele Anwendungen trotzdem ausreichend.

Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor der Aktoreinrichtung als Piezostapelaktor ausgebildet. Ein Piezostapelaktor ist eine aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Serien schaltung aus mehreren einzelnen Piezoelementen, welche als Schichtstapel angeordnet sind. Ein solcher Stapelaktor ist besonders vorteilhaft, um auch schon mit dem Piezoaktor eine höhere Bewegungsamplitude zu erreichen als dies mit einem einzelnen Piezoelement möglich wäre.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Piezoaktor als Fest körperaktor beschränkt. So gelten viele der bekannten Vortei le und Nachteile von Piezoaktoren auch für andere Arten von Festkörperaktoren. Auch für sie kann ein vergleichsweise ge ringer Ausgangs-Hub durch die nachfolgenden Übersetzungsein heiten vergrößert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausfüh rungsvariante ist der genannte Festkörperaktor beispielsweise ein magnetostriktiver Aktor oder ein elektrostriktiver Aktor. Alternativ kann es sich bei dem Festkörperaktor auch um einen Formgedächtnis-Aktor handeln.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Ak toreinrichtung kann diese wenigstens zwei mechanisch parallel geschaltete Teilsysteme aufweisen, wobei jedes Teilsystem ei nen Aktor und einen dazu mechanisch in Serie geschalteten er findungsgemäßen Hubübertrager aufweist. Es kann also jedes der Teilsysteme einen Aktor, eine zu dem Aktor mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit und ein zu der hydraulischen Übersetzungseinheit mechanisch in Serie ge- schaltetes Seilsystem aufweisen. Insbesondere können dabei die einzelnen Seilsysteme mechanisch an einen gemeinsamen, übergeordneten Abtriebskörper gekoppelt sein, so dass eine gleichzeitige Ansteuerung der beiden Aktoren zu einer gemein sam bewirkten Bewegung des übergeordneten Abtriebskörpers mittels der beiden hydraulischen Übersetzungseinheiten und der beiden Seilsysteme führt.

Durch eine derartige Verdoppelung bzw. Vervielfachung der Ak toren, der hydraulischen Übersetzungseinheiten und der Seil systeme und durch ihre mechanische Parallelschaltung kann insbesondere bewirkt werden, dass für die Bewegung des Ab triebskörpers eine entsprechend höhere Energie zur Verfügung steht. Besonders vorteilhaft ist eine symmetrische, gleichar tige Ausgestaltung der beiden Teilsysteme, wodurch etwa eine Verdoppelung der zur Verfügung stehenden Energie erreicht werden kann. Insbesondere bei einer spiegelsymmetrischen An ordnung zweier Teilsysteme kann dabei vorteilhaft eine annä hernde Verdoppelung der Energie bei einer geraden, flüssigen Bewegung des Abtriebskörpers erreicht werden, da Verkantungen vorteilhaft vermieden werden. Allgemein besonders vorteilhaft können die beiden Teilsysteme in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Aktorein richtung kann es sich um eine Aktoreinrichtung für einen Ro boter und/oder für ein robotisches System handeln. Die Ak toreinrichtung kann also vorteilhaft in einem Roboter

und/oder einem robotischen System verwendet werden. Insbeson dere kann die Aktoreinrichtung zur Bewegung beziehungsweise Positionierung eines Endeffektors in der Robotik eingesetzt werden. Für eine solche Anwendung wird insbesondere ein ver gleichsweise hoher mechanischer Hub Bereich von einigen mm bis hin zu einigen 10 cm benötigt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Aktorein richtung kann es sich um eine Aktoreinrichtung für ein

Hubsystem zur Prüfung einer elektronischen Komponente han- dein. Ein solches Hubsystem wird in der Fachwelt auch als Hubtisch bezeichnet. Auch für die Verwendung der Aktorein richtung für einen solchen Hubtisch ist ein vergleichsweise hoher mechanischer Hub von wenigstens einigen mm bis einigen Zentimetern vorteilhaft. Bei dieser Anwendung wird beispiels weise eine auf ihre Funktion zu testende elektronische Kompo nente (beispielsweise eine Leuchtdiode) auf eine Auflage an gehoben und dabei mit einer Messspannung beaufschlagt.

Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsvariante und Verwendung der Aktoreinrichtung kann diese als Aktorein richtung zur Dosierung einer Injektion einer Flüssigkeit aus gestaltet sein. Beispielsweise kann die Aktoreinrichtung zu Injektion eines Arzneimittels einen Patienten ausgestaltet sein. Alternativ kann die Aktoreinrichtung zur Injektion ei ner flüssigen Chemikalie in einen chemischen Reaktionsbehäl ter ausgestaltet sein. In jedem Fall ist auch für eine derar tige Dosierung einer zu injizierenden Flüssigkeit ein Hub von wenigstens einigen mm vorteilhaft. Dies gilt insbesondere dann, wenn das zu injizierende Flüssigkeitsvolumen im Bereich einiger Milliliter liegt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Figur 1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Aktorein richtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer hydraulischen

Übersetzungseinheit zeigt,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Seilsystems

zeigt,

Figur 4 eine schematische Darstellung eines alternativen

Seilsystems zeigt,

Figur 5 das Seilsystem der Figur 4 in einer unterschiedlichen

Stellposition zeigt, Figur 6 eine schematische Prinzipdarstellung einer Aktorein richtung nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,

Figur 7 eine schematische Darstellung der beiden hydrauli

schen Übersetzungseinheiten der Figur 6 zeigt,

Figur 8 eine schematische Darstellung der beiden Seilsysteme der Figur 6 zeigt,

Figur 9 eine schematische Gesamtansicht der hydraulischen

Übersetzungseinheiten und der Seilsysteme der Figur 6 zeigt,

Figur 10 den zeitlichen Verlauf der Spannung und der Hübe als

Funktion der Zeit in einem solchen System zeigt und Figur 11 den zeitlichen Verlauf von elektrischer Spannung,

Strom, Leistung und Energie als Funktion der Zeit zeigt .

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 ist eine schematische Prinzipdarstellung einer Ak toreinrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dabei stehen die Verbindungen zwischen den Kästen jeweils für eine mechanische Kopplung der einzelnen Elemente. Die Aktoreinrichtung 1 umfasst einen Aktor A, eine zu dem Aktor mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit H und ein zu der hydraulischen Überset zungseinheit H mechanisch in Serie geschaltetes Seilsystem M. Die hydraulische Übersetzungseinheit H und das Seilsystem M bilden dabei zusammen einen Hubübertrager 1 aus. Das Seilsys tem M wirkt als mechanische Übersetzungseinheit, welche als zweite Übersetzungsstufe der hydraulischen Übersetzungsein heit H nachgeschaltet ist. Mittels des Seilsystems M ist ein Abtriebskörper T bewegbar, mit welchem für eine gegebene An wendung eine Bewegung eines äußeren Elements bewirkt werden kann. Abhängig von der Anwendung kann dabei ein Hub von bei spielsweise mehreren mm nötig sein. Die Aktoreinrichtung 1 ist dazu ausgelegt, diesen Hub mithilfe zweier hintereinander geschalteter Übersetzungseinheiten zu erreichen, nämlich der hydraulischen Übersetzungseinheit H und des Seilsystems M als mechanischer Übersetzungseinheit .

Der Primärhub innerhalb der Aktoreinrichtung 1 wird durch einen Aktor A erzeugt, welcher beispielsweise ein Piezoaktor sein kann. Der Hub dieses Aktors A ist mit SA bezeichnet.

Dies ist gleichzeitig derjenige Hub, welcher auf der An triebsseite Ha der nachfolgenden hydraulischen Übersetzungs einheit H wirkt. Das Übersetzungsverhältnis dieser hydrauli schen Übersetzungseinheit ist im vorliegenden Beispiel so ge wählt, dass der Hub auf der Abtriebsseite Hb der hydrauli schen Übersetzungseinheit H im Vergleich zum Primärhub ver größert ist. Der Hub auf der Abtriebsseite ist mit SH be zeichnet. Dies ist gleichzeitig der Hub, welcher auf der An triebsseite Ma des nachfolgenden Seilsystems M wirkt. Die Vergrößerung der Hübe ist hierbei durch einen immer größer werdenden Pfeil verdeutlicht, wobei diese Vergrößerung jedoch nicht maßstabsgetreu ist. Auch durch das Übersetzungsverhält nis des nachfolgenden Seilsystems M wird eine weitere Vergrö ßerung des Hubs erreicht. So ist der Hub SM auf der Abtriebs seite Mb des Seilsystems M hier um einen weiteren Faktor er höht. Diese Ausgangshub SM ist gleichzeitig derjenige Hub, welcher bei dem Abtriebskörper T der Aktoreinrichtung 1 er reicht wird.

In den nachfolgenden Figuren wird nun die Wirkungsweise der beiden nacheinander geschalteten Übersetzungseinheiten näher erläutert. So zeigt Figur 2 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Übersetzungseinheit H, wie sie beispiels weise beim Ausführungsbeispiel der Figur 1 zum Einsatz kommen kann. Diese hydraulische Übersetzungseinheit H ist in Serie zum Aktor A geschaltet. Der Hub SA von der Antriebsseite Ha wird durch das hydraulisch gekoppelte Zusammenspiel zweier Kolben 13a und 13b in einen Hub SH auf der Abtriebsseite Hb übersetzt. Das Übersetzungsverhältnis wird dabei durch das Verhältnis der hydraulischen Flächen der beiden zugehörigen Kolbenkörper bestimmt. Die erste Arbeitskammer 15a bildet einen durch die Kolbenbewegung variierbaren Teilbereich der Antriebskammer 11a aus, und die zweite Arbeitskammer 15b bil det einen durch die dortige Kolbenbewegung variierbaren Teil bereich der Abtriebskammer 11b aus. Die beiden Arbeitskammern 15a und 15b sind durch eine Hydraulikleitung 16 fluidisch ge koppelt. Die rückseitigen Volumina der beiden Kammern 11a und 11b sind hier gekapselt ausgeführt. Mit anderen Worten ist jede der beiden Kammern 11a beziehungsweise 11b durch den Kolben in eine Arbeitskammer 15a beziehungsweise 15b und eine Rückseitenkammer 17a beziehungsweise 17b getrennt. Die beiden Rückseitenkammern sind dabei jeweils fluidisch gegen die äu ßere Umgebung gekapselt. Sie sind jeweils zumindest teilweise durch ein Balgelement 19a beziehungsweise 19b mit variabler axialer Länge begrenzt. Im gezeigten Beispiel ist jeweils ein Teil der Seitenwand der betreffenden Rückseitenkammer durch einen solchen Balg gebildet. Dieser Balg ermöglicht es, dass die Rückseitenkammer gekapselt sein kann und dass trotzdem ein Volumenausgleich bei der Bewegung des jeweiligen Kolbens stattfinden kann. Beim Beispiel der Figur 2 ist sowohl die Antriebskammer 11a als auch die Abtriebskammer 11b mit einer solchen flexibel gekapselten Rückseitenkammer realisiert. Beide Rückseitenkammern sind über eine Leitung 37 fluidisch mit einer Vorratskammer 41 für die Hydraulikflüssigkeit 7 ge koppelt. Diese Vorratskammer 41 ist seitlich durch ein Bal gelement 43 begrenzt. Über eine Deckplatte 45 kann die Vor ratskammer mittels eines voreingestellten Hubs SR mit einem Druck beaufschlagt werden. Über den Abtriebskörper 21b (der hier den Kolbenbolzen der Abtriebskammer darstellt) kann der entsprechend dem Übersetzungsverhältnis vergrößerte Hub SH auf das nachfolgende Seilsystem übertragen werden. Die genau ere Funktionsweise und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen kombinierten Kolben-Balg-Systems sind in der oben genannten parallel eingereichten internationalen Anmel dung mit dem Titel „Hydraulische Übersetzungseinheit für eine Aktoreinrichtung" näher beschrieben.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Seilsystems M, wie es beispielsweise in der Aktoreinrichtung der Figur 1 zum Einsatz kommen kann. Auf der Antriebsseite dieses Seil- Systems befindet sich ein Antriebskörper 103. Dieser An triebskörper 103 kann mit dem bereits durch die Hydraulikein heit vergrößerten Hub SH bewegt werden. Dieser Hub SH wird nun durch das nachgeschaltete Seilsystem M zu einem noch wei ter vergrößerten SM auf der Abtriebsseite des Seilsystems übersetzt. Hierzu ist das Seilsystem M als Flaschenzugsystem mit einem bewegungsübertragenden Seil 101 und einer Mehrzahl von Umlenkrollen 107 ausgestaltet. Beispielhaft sind beim Seilsystem der Figur 3 vier Umlenkrollen gezeigt. Diese An zahl kann jedoch in einem realen System noch deutlich größer sein, um eine stärkere Vergrößerung zu erzielen. Ein Ende des bewegungsübertragenden Seils ist mit dem Antriebskörper 103 verbunden. Das gegenüberliegende Ende des Seils ist mit dem Abtriebskörper 109 verbunden. Der Abtriebskörper 109 ist hier wiederum fest mit dem übergeordneten Abtriebskörper T verbun den. Dieser übergeordnete Abtriebskörper T ist hier als

Translationskörper realisiert (insbesondere als Stößel. Der Translationskörper T kann in einer hier nicht näher darge stellten Gleitbuchse so gelagert sein, dass er im Wesentli chen nur in Richtung des Pfeils SM eindimensional beweglich ist .

Durch die vier Umlenkrollen wird im Bereich des Abtriebskör pers 109 ein um den Faktor 4 vergrößerter Hub erzeugt, also SM = 4-SH. Dieser Faktor soll jedoch nur prinzipiell verdeut lichen, wie durch die Wahl der Anzahl der Umlenkrollen bei einem Faktorenflaschenzug ein bestimmtes gewünschtes Überset zungsverhältnis erreicht werden kann, und zwar hier ein Ver hältnis von 1:4. Die Umlenkrollen 107 sind hier gruppenweise zu zwei Blöcken zusammengefasst, welche gelegentlich aus als Scheren eines Flaschenzugs bezeichnet werden. Dabei besteht ein erster Block aus den beiden mit dem Antriebskörper 103 verbundenen Rollen. Der zweite Block besteht aus den beiden mit dem Fixierkörper 105 verbundenen Rollen. Antriebskörper 103 und Fixierkörper 105 bilden also die beiden wesentlichen Tragkörper für die Blöcke des Flaschenzugsystems aus. In Figur 4 ist eine schematische Darstellung eines alternati ven Ausführungsbeispiels für das Seilsystem M gezeigt. Die Wirkungsweise dieses alternativen Seilsystems ist prinzipiell ähnlich wie beim Beispiel der Figur 3. Im Unterschied zu die sem ist hier jedoch eine zusätzliche seitliche Umlenkrolle 108 vorgesehen. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Umlenkrollen 107 umläuft das Seil diese Rolle nicht mit einem Umlaufwinkel von 180°, sondern mit einem kleineren Umlaufwin kel ß, welcher hier zwischen 90° und 180° liegt. Durch die zusätzliche seitliche Umlenkrolle 108 wird einerseits die Übertragung der Bewegung auf den nur linear beweglichen über geordneten Abtriebskörper (oder Translationskörper) T er leichtert. Andererseits kann hierdurch die erreichbare Hub vergrößerung noch weiter erhöht werden.

Der Einfluss auf das Übersetzungsverhältnis wird aus der Fi gur 5 deutlich, welche das Seilsystem der Figur 4 in einer anderen Stellposition zeigt. Im Vergleich zur Position der Figur 4 ist hier der Antriebskörper 103 um einen bestimmten Hub SH nach oben versetzt. Dies führt im Bereich vor der ab triebsseitigen Umlenkrolle 108 zu einem Hub des Seils 103, welcher sich als As = 4-SH ergibt. Im Bereich nach der seit lichen Umlenkrolle 108 wirkt sich diese Änderung wie folgt aus :

Der Längenabschnitt des Seils zwischen der seitlichen Umlenk rolle 108 und dem Translationskörper T hatte in der Stellung der Figur 4 eine Länge 1_0. Durch den Hub des Seils As = 4-SH vor der seitlichen Umlenkrolle verkürzt sich die Länge dieses Abschnitts auf den Wert 1_1 = 1_0 - As. Der zwischen dem Seil 101 und dem Translationskörper T eingeschlossene Winkel verändert sich dabei von a_0 auf a_l . Der vertikale Abstand zwischen seitlicher Umlenkrolle und Translationskörper (also die Höhe des gebildeten Dreiecks) verändert sich von h_0 auf h_l, während der horizontale Abstand d aufgrund der nur ein dimensional beweglichen Lagerung des Translationskörpers T konstant bleibt. Der Höhenunterschied Ah = h_l - h_0 ent spricht damit der eindimensionalen Weglänge des Translations- körpers und damit dem Hub SM. Aufgrund des Satz des Phythago- ras lässt sich dieser Höhenunterschied nach der folgenden Gleichung berechnen:

SM = Ah = h_0 - sqrt ( (1_0 - As) ^L 2 - d ^A 2) .

Figur 6 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung einer Ak toreinrichtung 1 nach einem zweiten Beispiel der Erfindung.

Im Unterschied zum vorhergehenden Beispiel ist hier die Ak toreinrichtung 1 aus zwei mechanisch parallel geschalteten Teilsystemen 61 und 62 zusammengesetzt. Jedes der beiden Teilsysteme weist einen Aktor Al bzw. A2 und einen Hubüber trager auf. Jeder dieser beiden Hubübertrager eine zu dem je weiligen Aktor mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit Hl bzw. H2 und ein zu der jeweiligen hyd raulischen Übersetzungseinheit mechanisch in Serie geschalte tes Seilsystem Ml bzw. M2. Die beiden Seilsysteme Ml und M2 sind mechanisch an einen gemeinsamen übergeordneten Abtriebs körper T gekoppelt. Dies bewirkt, dass eine gleichzeitige An steuerung der beiden Aktoren Al und A2 zu einer gemeinsam be wirkten Bewegung des übergeordneten Abtriebskörpers T führt. Im Vergleich zur Ausführungsform der Figur 1 mit nur einem solchen Teilsystem kann dabei die mechanische Energie zur Be wegung des Abtriebskörpers in etwa verdoppelt werden.

In den nachfolgenden Figuren werden Beispiele dafür gezeigt, wie besonders vorteilhafte, symmetrische Ausgestaltungen der Hydraulikeinheiten Hl und H2 und der Seilsysteme Ml und M2 dieser beiden Teilsysteme aussehen können. So zeigt Figur 7 eine schematische Darstellung der beiden hydraulischen Über setzungseinheiten Hl und H2, wie sie insbesondere beim Bei spiel der Figur 6 zum Einsatz kommen können. Hier sind also zwei Aktoren Al bzw. A2 jeweils mit einer zugeordneten hyd raulischen Übersetzungseinheit Hl bzw. H2 mechanisch in Serie geschaltet. Die einzelnen hydraulischen Übersetzungseinheiten sind hier jeweils analog zum Beispiel der Figur 2 ausgestal tet und in einer schmetterlingsartigen Konfiguration symmet risch nebeneinander angeordnet. Beim gezeigten Beispiel sind die einzelnen hydraulischen Übersetzungseinheiten Hl und H2 fluidisch nicht miteinander gekoppelt. Alternativ könnten sie jedoch prinzipiell auch fluidisch gekoppelt sein, beispiels weise über eine Kopplung der beiden Vorratskammern 41 oder auch durch eine Ausgestaltung mit einer gemeinsamen Vorrats kammer. Die beiden hydraulischen Übersetzungseinheiten sind hier mechanisch parallelgeschaltet. Die beiden Abtriebskörper 21b sind so ausgestaltet, dass durch gleichzeitige und gleichgerichtete Ansteuerung der beiden Aktoren gleichzeitig ein gleichgerichteter Hub SH bei den beiden Abtriebskörpern 21b erzeugt wird. Die beiden mechanisch parallelgeschalteten hydraulischen Übersetzungseinheiten Hl und H2 können auch als eine übergeordnete hydraulische Übersetzungseinheit H mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen gesehen werden.

Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung der beiden Seil systeme Ml und M2, wie sie insbesondere beim Beispiel der Fi gur 6 zum Einsatz kommen können. Diese beiden Seilsysteme Ml und M2 können insbesondere über ihre beiden Antriebskörper 103 mit den Abtriebskörpern 21b der beiden Hydraulikeinheiten der Figur 7 gekoppelt sein. Die beiden Seilsysteme Ml und M2 sind hier jeweils für sich ähnlich wie beim Beispiel der Fi guren 4 und 5 ausgestaltet. Im Unterschied dazu sind hier zwei solche Seilsysteme mit ihren abtriebsseitigen Seilenden an einen gemeinsamen übergeordneten Translationskörper T ge koppelt. Die Anordnung der beiden Seilsysteme ist spiegelsym metrisch. Sie sind schmetterlingsartig Rücken an Rücken ange ordnet, sodass die beiden Seile 101 über die beiden gegen überliegenden seitlichen Umlenkrollen 108 an dem Translati onskörper T symmetrisch zusammenlaufen. Diese schmetterlings artige Konfiguration erlaubt auf einfache Weise eine gleich mäßige, verkantungsfreie Übertragung der Bewegung auf den ge meinsam bewegten Translationskörper T. Auch hier können die beiden mechanisch parallelgeschalteten Seilsysteme Ml und M2 als ein übergeordnetes Seilsystem M mit zwei Eingängen und einem gekoppelten Ausgang angesehen werden. Für ein solches übergeordnetes Seilsystem kann auch insbesondere ein gemein sames, durchgehendes Seil verwendet werden, welches von den Rollen der beiden Teilsysteme Ml und M2 gemeinsam genutzt wird. Auch der Antriebskörper 103 kann als eine gemeinsam ge nutzte durchgehende Platte realisiert sein.

Figur 9 zeigt eine schematische Gesamtansicht der beiden hyd raulischen Übersetzungseinheiten Hl und H2 und der beiden Seilsysteme Ml und M2 aus dem Ausführungsbeispiel der Figur 6. Insbesondere sind hier die beiden hydraulischen Überset zungseinheiten Hl und H2 der Figur 7 in einer insgesamt sym metrischen Anordnung mit den beiden Seilsystemen Ml und M2 der Figur 8 zusammengefügt worden. Mit einer solchen symmet rischen Anordnung kann der Vorteil der Energieverdoppelung in besonders einfacher und wirksamer Weise realisiert werden. Insbesondere können alle in Figur 9 dargestellten Elemente in einem hier nicht gezeigten gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden. Hiermit kann ein einfach zu handhabendes Modul zur Verfügung gestellt werden, mit welchem bei gleichzeitiger elektrischer Ansteuerung der beiden Aktoren A ein ausreichend hoher Gesamthub SM des übergeordneten Abtriebskörpers T mit einer ausreichend hohen mechanischen Energie bewirkt werden kann .

In den Figuren 10 und 11 sind die wesentlichen physikalischen Kenngrößen für eine Realisierung der Aktoreinrichtung der Fi guren 6 bis 9 gezeigt, wie sie mit einer Simulink-Simulation berechnet wurden. Gezeigt sind verschiedene physikalische Größen als Funktion der Zeit 201 in Millisekunden. So ist in der obersten Kurve der Figur 10 die an jedem der beiden Akto ren Al, A2 anliegende elektrische Spannung 202 in Volt ge zeigt. Bei diesen Aktoren handelt es sich um Piezoaktoren, welche durch Anlegen einer solchen Spannung bewegt werden können. Hier wird ein etwa deltaförmiger Spannungspuls von 160 V angelegt, welcher über einen Zeitraum von 50 ms wirkt. Die drei darunterliegenden Grafiken zeigen den daraus erzeug ten Hub an verschiedenen Stellen der Aktoreinrichtung. So ist mit dem Bezugszeichen 203 ein Hub in Mikrometern bezeichnet. Der Hub SA ist der durch jeden der beiden Piezoaktoren Al und A2 erzeugte Primärhub, welcher als Hub auf der Antriebsseite der jeweiligen hydraulischen Übersetzungseinheit Hl bzw. H2 wirkt. Dieser Primärhub ist relativ niedrig. Durch das Über setzungsverhältnis der jeweiligen Hydraulikeinheit wird al lerdings auf deren Abtriebsseite ein deutlich vergrößerter Hub SH erreicht, welcher am Maximum der Kurve fast 400 ym er reicht. In der dritten Graphik ist mit 204 ein Hub in Milli metern bezeichnet. Hier ist der beschriebene Hub SH, der auf der Antriebsseite des jeweils nachfolgenden Seilsystems wirkt, mit dem Hub As verglichen, der im Bereich der jewei ligen seitlichen Umlenkrollen 108 vorliegt. Dieser Hub As liegt am Maximum bereits im Bereich von etwa 3 mm. Auch in der vierten Graphik ist mit 204 ein Hub in Millimetern be zeichnet. Hier ist der Hub des Seils As mit dem Hub SM ver glichen, der auf der Abtriebsseite des gesamten Seilsystems, also im Bereich des Abtriebskörpers T, vorliegt. Durch die Funktion der jeweiligen seitlichen Umlenkrolle 108 liegt hier noch eine zusätzliche Hubvergrößerung vor, so dass beim Ab triebskörper T ein Hub SM von etwa 7 mm erreicht wird. Durch die Verwendung von zwei Teilsystemen kann auch eine ver gleichsweise hohe mechanische Energie (mit anderen Worten: bei gegebenem Hub eine vergleichsweise hohe Kraft) erreicht werden .

In den einzelnen Grafiken der Figur 11 sind verschiedene elektrische Parameter gezeigt, welche sich aus der Simulation für die Ansteuerung der beiden Aktoren Al und A2 ergeben. So zeigt die oberste Kurve wiederum die an dem jeweiligen Piezo- aktor anliegende Spannung 202 in Volt als Funktion der Zeit 201 in Millisekunden. Im Unterschied zur Figur 10 sind hier nur etwa die ersten 30 ms nach dem Beginn des Spannungspulses gezeigt. Die zweite Kurve zeigt den Strom 205 in Ampere, wel cher beim Ansteuern der beiden Piezoaktoren fließt. Das Maxi mum des Stroms liegt hier bei knapp 7 A. Die dritte Kurve zeigt die elektrische Leistung 206 in Watt. Die elektrische Spitzenleistung liegt hier bei knapp 350 W. Die vierte Kurve zeigt die insgesamt aufgenommene elektrische Energie 207 in mJ. Sowohl die elektrische Spitzenleistung als auch die ins gesamt aufgenommene Energie liegen deutlich niedriger als bei dem oben beschriebenen vergleichbaren elektromagnetischen Ak- tor, bei welchem eine Spitzenleitung von 1200 W gemessen wur de .

Mit der beschriebenen Aktoreinrichtung können also die vorge- gebenen Parameter für den Hub, die Dynamik und die Kraft bei der Bewegung des Abtriebskörpers T realisiert werden, wobei gleichzeitig die elektrische Spitzenleistung im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert ist. Dies bewirkt auch, dass für eine elektrische Leitung zum jeweiligen Aktor ein wesentlich niedrigerer Leitungsquerschnitt als beim Stand der Technik zum Einsatz kommen kann.

Bezugszeichenliste

1 Aktoreinrichtung

2 Hubübertrager

7 Hydraulikflüssigkeit

11a erste Kammer (Antriebskammer)

11b zweite Kammer (Abtriebskammer)

13a erster Kolben (Antriebskolben)

13b zweiter Kolben (Abtriebskolben)

15a erste Arbeitskammer

15b zweite Arbeitskammer

16 Hydraulikleitung

17a erste Rückseitenkammer

17b zweite Rückseitenkammer

19a erstes Balgelement

19b zweites Balgelement

21b Abtriebskörper

37 Leitung

41 Vorratskammer

43 Balgelement

45 Deckplatte

61 erstes Teilsystem

62 zweites Teilsystem

101 Seil

103 Antriebskörper des Seilsystems

105 Fixierkörper des Seilsystems

107 Umlenkrolle

108 seitliche Umlenkrolle

109 Abtriebskörper des Seilsystems

201 Zeit in ms

202 Spannung in V

203 Hub in ym

204 Hub in mm

205 Strom in A 206 Leistung in W

207 Energie in mJ

A Aktor

Al Aktor des ersten Teilsystems

A2 Aktor des zweiten Teilsystems

a_0 Umlenkwinkel

a_l Umlenkwinkel

ß Umlaufwinkel des Seils

d seitlicher Abstand

As Hub vor der seitlichen Umlenkrolle

Ah Höhenunterschied

h_0 Höhe

h_l Höhe

H hydraulische Übersetzungseinheit

Ha Antriebsseite der hydraulischen Übersetzungseinheit

Hb Abtriebsseite der hydraulischen Übersetzungseinheit

Hl Hydraulikeinheit des ersten Teilsystems

H2 Hydraulikeinheit des zweiten Teilsystems

1_0 Längenabschnitt

1_1 Längenabschnitt

M Seilsystem

Ma Antriebsseite des Seilsystems

Mb Abtriebsseite des Seilsystems

Ml Seilsystem des ersten Teilsystems

M2 Seilsystem des zweiten Teilsystems

SA Hub auf der Antriebsseite der Hydraulikeinheit

SH Hub auf der Abtriebsseite der Hydraulikeinheit

SM Hub auf der Abtriebsseite des Seilsystems

SR Hub an der Vorratskammer

T Abtriebskörper