弹簧单元、弹簧蓄能器和致动器的制作方法

弹簧元件在机械工程中常常被用到。尤其，呈弹簧蓄能器形式的机械蓄能器是普遍的。弹簧元件通常包括可以偏移的、具有偏移s的部分。弹簧力以弹簧刚度k作用在可以偏移的部分上，根据胡克定律（Hooke's law）：

F = k·s。

因此，随着可以偏移的部分的偏移增加，弹簧力增加。

尤其，致动器包括如以上描述的弹簧元件。这种致动器及因此还有弹簧元件通常发生偏移，其中，弹簧元件常常要么显式地（作为具有蓄能器功能的附加部件）要么隐式地（作为诸如压电堆叠或密封元件之类的部件，诸如具有适当刚度的波纹管）作为弹簧蓄能器的一部分。因此，致动器的特性（例如，力分布图和速度分布图）不随着偏移的变化而具有期望的形式，因为弹簧元件的弹簧力取决于偏移的程度。这意味着，对于许多应用而言，对偏移的依赖过大。

已知的是，使用具有低刚度的弹簧元件，使得在偏移的情况下弹簧力是有限的。

然而，对于这些弹簧元件，该解决方案在参数的选择上不利地设置了敏感性限制。

与该现有技术背景相比，本发明的目标是提供包括弹簧元件的改进的弹簧单元，其中，尤其，弹簧力对偏移的依赖具有较小的破坏性影响。本发明的另外的目标是提供改进的弹簧蓄能器和改进的致动器。

本发明的该目标通过具有权利要求1中陈述的特征的弹簧元件、通过具有权利要求9中陈述的特征的弹簧蓄能器和通过具有权利要求11中陈述的特征的致动器来实现。在相关的从属权利要求、随后的描述和附图中描述了本发明的优选扩展。

根据本发明的弹簧单元包括至少一个弹簧元件和补偿装置，该至少一个弹簧元件具有可抵抗弹簧力偏移的部分。至少沿着所述部分可沿着其偏移的区段，补偿装置被设计成在所述部分较大地偏移的情况中比在所述部分较小地偏移的情况中更强地抵消弹簧力。所述区段适宜地包括尤其偏移消失的情况。区段适宜地包括低于最大路径或路径值的、可由所述部分通过其偏移描述的所有路径。

在本发明的意义范围内，弹簧元件的可偏移的部分例如指的是压缩弹簧或拉伸弹簧的自由端，或者弹簧元件的可自由移动的非端部的或非边缘的区域，例如盘式弹簧的盘形部中心。

因此，补偿装置有利地抵消弹簧力对可偏移的部分的偏移的依赖。通过这样的方式，可形成弹簧单元，且尤其还形成包括这种弹簧单元的弹簧蓄能器且特别地还形成具有对施加在弹簧元件的自由部分上的力的偏移依赖显著降低的致动器。因此，力的施加的该依赖的显著降低打开了先前由于依赖而不能获得的用于弹簧蓄能器和致动器的新的使用领域。

由于补偿装置，弹簧力对偏移的依赖性的影响可被消除。尤其，在提供长度补偿的同时提供金属密封的金属或膜式波纹管的情况中，这是重要的。这些波纹管形成弹簧元件，并且具有一定的刚度，由此在偏移的情况下积聚力。根据本发明，可容易地减小力的该影响。尤其，不必使用尽可能柔软的波纹管。

在根据本发明的弹簧单元中，补偿装置优选包括可以与所述部分一起沿着路径偏移的主体以及一个或更多个夹爪（clamping jaw），夹爪沿着横向于路径的方向夹持主体。

在根据本发明的弹簧单元的优选扩展中，主体具有如沿夹爪方向考虑的凸形的轮廓。通过这样的方式，可借助夹持动作将抵消弹簧力的力施加到主体上。

在根据本发明的弹簧单元中，当所述部分没有偏移时，轮廓优选在夹爪上具有平行于路径的切线。因此，当所述部分没有偏移时，夹爪在该部分上以中立的方式起作用。

在根据本发明的弹簧单元的情况中，偏移更强的部分的轮廓优选在夹爪上具有相对于路径倾斜的切线。相应地，可对该部分施加抵消弹簧力的增加的力。

在本发明的有利扩展中，弹簧单元的轮廓是外轮廓。替代地或另外地，轮廓是内轮廓。

在根据本发明的弹簧单元的情况中，主体优选是弹性的。根据本发明的弹簧蓄能器包括如以上描述的弹簧单元。

在根据本发明的弹簧蓄能器中，补偿装置自身优选与弹簧蓄能器一起形成。这里，夹爪之间的优选弹性的主体适宜地用作这种类型的另外的能量蓄能器，即，在该扩展中，包括补偿装置的整个弹簧蓄能器用作能量蓄能器。

根据本发明的致动器包括如以上描述的弹簧单元和/或如以上描述的弹簧蓄能器。因此，致动器的功能性可显著改善，因为根据本发明，这种致动器的力-路径特性不受如例如由金属或膜式波纹管形成的弹簧元件影响。尤其在较小的致动器、例如微型致动器的情况中，这是重要的，因为这里力-路径储备（reserve）通常是低的，并且甚至小的弹簧刚度可具有大的不利影响。

将基于附图中图示的示例性实施例在下文中更加详细地解释本发明。

在附图中：

图1a：以纵向截面示意性地示出根据本发明的弹簧蓄能器，具有根据本发明的致动器的根据本发明的弹簧单元，具有两个弹簧元件，具有可偏移的部分，所述部分被示出处在没有偏移的位置中，

图1b：以纵向截面示意性地示出根据图1a的根据本发明的弹簧蓄能器，其中与图1a相比，可偏移的部分可进一步偏移，

图1c：以纵向截面示意性地示出根据图1a的根据本发明的弹簧蓄能器，其中与图1b相比，可偏移的部分可进一步偏移，

图2a：以纵向截面示意性地示出根据本发明的弹簧蓄能器的另外的示例性实施例，以及

图2b：以纵向截面示意性地示出根据本发明的弹簧蓄能器的第三示例性实施例。

图1a、图1b和图1c中所示的弹簧蓄能器包括具有弹簧常数k的两个压缩弹簧5、10，两个压缩弹簧5、10各自可沿着轴线A偏移。压缩弹簧5、10从致动器（未详细示出）的两个侧面13、17相对地布置，两个侧面13、17面向彼此并且相对于彼此固定。这里，压缩弹簧5、10被定向成使得它们的偏移方向彼此对准（且与轴线A对准）。两个压缩弹簧5、10彼此连接在补偿装置的夹持主体20的彼此背离的侧面上，用于补偿压缩弹簧5、10的弹簧力F_k，该弹簧力取决于偏移。

夹持主体20具有在平行于绘图平面的不同剖切中保持相同的纵向截面，即夹持主体20形成通常数学上的圆柱，该通常数学上的圆柱的母线（generatrix）垂直于绘图平面延伸。夹持主体20的纵向截面的外轮廓25具有凸形的弯曲走向——如被认为沿垂直于轴线A的方向向外。

夹持主体20沿垂直于轴线A的方向抵靠两个夹爪30、35支承，作为滚柱轴承（roller bearing），两个夹爪30、35被定向成滚动轴线垂直于绘图平面，并且相对于致动器的侧面13、17固定布置。在另外的示例性实施例（未具体示出）中，夹爪也可被形成为滑动轴承（plain bearing）。

夹持主体20以柔性的方式形成，并且由夹爪30、35夹持，并同时在垂直于轴线A且处于绘图平面内的方向上被压缩。在根据图1a的夹持主体20的没有偏移的位置中，在夹持主体20的外轮廓上，夹爪30、35的位置40、45处的切线平行于轴线A延伸。因此，夹持主体20上的夹爪30、35没有产生沿轴线A定向的力。由于夹爪30、35，各夹爪30、35仅产生垂直于轴线的力分量F_y，所述力分量彼此相反地定向。由于，因为夹持主体20没有偏移，因此也没有弹簧力F_k作用在所述夹持主体上，总而言之，没有力作用在夹持主体20上。

随着偏移增加（图1b），一方面，由于压缩弹簧5、10更强的偏移，夹持主体20经受增加的弹簧力。然而，此外，与以上描述的布置结构相比，夹持主体不一样地抵靠夹爪30、35支承。由于夹持主体20的偏移，夹持主体20的外轮廓上的夹爪30、35的位置40、45处的切线明确地不再平行于轴线A延伸，并且替代地，在各种情况下，该切线相对于轴线A稍微倾斜。这里，夹持主体20的外轮廓上的这些切线彼此围成沿偏移方向敞开的角度。由于夹爪30、35抵靠夹持主体20的该倾斜支承，因此所述夹持主体沿偏移方向经受力，即除了垂直于轴线A的分量F_y之外，由夹爪30、35传递的力现在还包括平行于轴线A的力分量F_x，该力分量F_x支撑偏移，即，使抵消夹持主体20的偏移的弹簧力变弱。

随着夹持主体20进一步偏移，由于夹持主体20的凸形的外轮廓（如被认为沿垂直于轴线A的方向向外），夹爪30、35抵靠某点支承，使得与根据图1b的位置相比，外轮廓上夹爪30、35的位置处的切线与轴线A围成更大的角度。平行于轴线A的力分量F_x相应地增大。随着力分量F_x进一步增加，随夹持主体20的更强偏移而进一步增加的夹持主体20上作用的弹簧力变弱。

示出的示例性实施例中的夹持主体20的轮廓具有这样的走向，使得沿着轴线A作用在夹持主体20上的总力实际上是恒定的，即，实际上不依赖于夹持主体20的偏移。

在极端情况下，在另外的示例性实施例（未具体示出）中，夹持主体20的外轮廓可选择成使得借助夹爪30、35传递的力F_x总是抵消夹持主体20上的弹簧力F_k。因此，在每种偏移的情况下，夹持主体20保持不受力。因此，在这种示例性实施例中，夹持主体20停止在每个偏移位置中。

夹爪30、35不一定必须要如以上呈现地作用在夹持主体20的外轮廓上。而是，还可以构想的是，夹持主体20具有对应的内轮廓，由夹爪30、35作用在该对应的内轮廓上，如图2a中所示。

这里呈现的夹持主体50具有中空的通常数学上的圆柱形式，即圆柱的基部是双连通的并且具有圆环的拓扑结构，在该案例中，其适合地变形：夹持主体50在平行于绘图平面的平面中具有内轮廓，该内轮廓具有如从夹持主体50的抵靠每个内夹爪30、35支承的部分考虑的沿夹爪30、35的方向的凸形的形状。

以及在该示例性实施例中，弹簧力可被适当地补偿，可关于偏移线性化，和/或可被完全抵消。

夹持主体不一定必须具有通常数学上的圆柱的形式。而是，夹持主体还可具有如图2b中所示的旋转对称设计：图2b中所示的夹持主体70具有与图1a至1c中所示的夹持主体20相同的纵向截面。然而，与夹持主体20相反，夹持主体70由纵向截面绕轴线A旋转得到。在该情况下，夹爪90是滚珠轴承（ball bearing）。

在另外的示例性实施例（未具体示出）中，夹持主体由夹持主体50的纵向截面旋转得到。在该情况下，同样地，夹爪（未具体示出）由滚珠轴承提供。

在另外的示例性实施例（未具体示出）中，对于其余内容对应于以上所描述的那些，而弹簧元件不满足胡克定律。更确切地说，在实际遇到的许多情况下，弹簧常数实际上不是恒定的，且而是替代地，弹簧常数自身取决于偏移s。因此，弹簧力具有弹簧力F对偏移s的非线性依赖：

F = k(s) * s

其中，k(s)描述了现在取决于偏移的弹簧刚度。在该情况下，夹持主体20可设计成补偿由该非线性特性产生的弹簧力，或者补偿或减弱随偏移增加的其增大/减小。

为了在整个偏移范围中补偿这种非线性弹簧力，比照绘图，修改夹持主体的形式。如果例如k(s)随偏移s增加，则与图1和图2中所示的相比，夹持主体的曲率在其没有偏移的位置中必须更低，并且必须在边缘处相应地更高。如果k(s)随偏移s减小，则夹持主体的曲率在其中部更高并且在其边缘处相应地更低。