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Neue Aktorsysteme auf Basis strukturierter Piezokeramik

Autor :Muhammed Abed al Wahab
Herkunft :OvGU Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau
Datum :22.10.2004
 
Dokumente :
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Typ :Dissertation
Format :Text
Kurzfassung :Piezoaktoren finden heute zunehmend breitere Anwendung in vielen Industriezweigen. Während sensorische Anwendungen wie Kraft-, Druck oder Beschleunigungssensoren schon seit Jahrzehnten erfolgreich am Markt etabliert sind, haben Anwendungen, bei denen Piezoaktoren als Antrieb verwendet werden bislang vor allem Nischenbereiche besetzt. Erst in jüngster Vergangenheit wurden durch verbesserte und vor allem preiswertere Herstellungstechnologien die Möglichkeiten für einen breiteren Einsatz geschaffen. Bestes Beispiel sind piezogesteuerte Einspritzventile, die heute in einer Reihe von Fahrzeugen in Serie millionenfach eingesetzt werden. Dennoch kann nicht verkannt werden, dass zur weiteren Verbreitung des Einsatzes von Piezoantrieben immer noch viele Hürden überwunden werden müssen. Wichtigstes Hindernis ist dabei der immer noch relativ hohe Preis und die geringe Integration des gesamten Antriebes. Oft müssen dem Aktor Wegvergrößerungssysteme nachgeschaltet werden, um die erforderlichen Stellwege zu erzeugen, womit sich Bauvolumen und Kosten des Gesamtsystems weiter erhöhen. Einen neuen Ansatz für wirtschaftliche und funktionale Piezoantriebe bietet die Integration von Aktor und Wegvergrößerungssystem (WVS) auf der Basis strukturierter Piezokeramiken. Ziel der Arbeit war es deshalb, Strukturen zu entwickeln und zu testen, bei denen die Trennung von Aktor und Wegvergrößerungssystem aufgehoben wird. Durch Integration der genannten Funktionen in die Piezokeramik sollen neuartige Antriebssysteme geschaffen werden, die sich im Integrationsgrad, ihrer Funktion und Formgebung wesentlich von den zur Zeit am Markt erhältlichen Systemen unterscheiden. Dazu wurde zunächst eine Analyse der klassifizierten verfügbaren Systeme durchgeführt. Ausgehend vom kinematischen Grundprinzip eines doppelt wirkenden Hebelsystems wurden Grundprinzipien für strukturierte Keramiken zunächst als ebenes System und anschließend als dreidimensionales System erarbeitet. Die entwickelten Systeme wurden zunächst in Finite-Elemente Analysen auf ihre grundsätzliche Eignung untersucht und hinsichtlich ihres Hubes sowie der möglichen Stellkraft optimiert. Auf einer Ultraschall-Bearbeitungsanlage wurden aus Rohkeramiken eine Reihe von Prototypen herstellt und getestet. Die gewonnenen Messergebnisse stimmen mit den Rechenwerten gut überein. Als Beispiel für den praktischen Einsatz der neu entwickelten Piezo-Antriebssysteme wurden zwei direkt gesteuerte pneumatische 2/2-Wege Ventile mit unterschiedlichen Antriebssystemen gebaut. Um Antrieb und Ventil möglichst gut aufeinander abzustimmen, wurden zunächst mittels Strömungssimulation in FLUENT die erforderlichen Stellkräfte und die erreichbaren Volumenströme berechnet. Die Messergebnisse an den realisierten Ventilen bestätigen die Berechnungsergebnisse sowohl hinsichtlich des Antriebes als auch des Strömungsverhaltens. Die als Prototyp getesteten Antriebssysteme stellen den Anfang des Integrationsprozesses dar. Das Ziel, die Aufhebung der Trennung von Aktor und Wegvergrößerungssystem konnte jedoch anhand der gebauten Ausführungsvarianten nachgewiesen werden. Die neuartigen Systeme, die sich im Integrationsgrad, ihrer Funktion und Formgebung wesentlich von den zur Zeit am Markt erhältlichen Aktoren unterscheiden, eröffnen bei konsequenter Weiterentwicklung neue Wege in der Anwendung von Piezoaktoren. Aufbauend auf den Vorteilen wie einfacher Aufbau, geringe Masse, geringer Preis und Platzbedarf sowie eine hohe Dynamik lassen sich neue Eigenschaften des Gesamtsystems erzielen und damit neue Anwendungsgebiete erschließen.
Schlagwörter :Piezo actuator
Rechte :Dieses Dokument ist urheberrechtlich geschützt.
Größe :III, 97 S.
 
Erstellt am :19.01.2009 - 13:16:54
Letzte Änderung :22.04.2010 - 08:14:23
MyCoRe ID :HALCoRe_document_00005739
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