弹簧装置和液压致动器的制作方法

本发明涉及一种弹簧装置，其具有至少两个波形盘和至少一个布置在所述波形盘之间的弹簧盘，以及涉及具有这种弹簧装置的液压致动器。

背景技术：

用于存储机械能的能量存储器能够以多种方式构造。除了液压式和气动式能量存储器以外，还有通过弹性变形存储能量的机械式能量存储器。为了放出该能量进行反向变形，因此是弹性变形或可逆变形。这种能量存储器是能够以多种方式构造的机械弹簧。除了弹性体元件以外，塑料弹簧、由纤维增强塑料制成的弹簧或金属弹簧也能够用于机械式能量存储。这种弹簧的常见结构方式是板簧、螺线弹簧或者盘式或螺旋弹簧。

弹簧预紧尤其能够在螺旋弹簧中通过改变初始弹簧长度来调整。

尤其在具有用于在运动期间回收能量的系统的矫形技术装置(例如矫形器或假肢)中存在以下问题：仅提供受限的安装空间并且储能弹簧在要接收的能量或要输出的能量方面很难在能量回收系统中匹配于相应的运行状态和要求。因此，通常不使用可调节的蓄能弹簧，所述可调节的蓄能弹簧必须针对相应的使用目的和相应的患者进行匹配地选择。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是提出一种弹簧装置和具有这种弹簧装置的液压致动器，所述弹簧装置需要小的安装体积并且能调整到相应的使用目的。可能的不同使用目的尤其是在病人方面的个性化以及对机器变化的运行状态进行匹配，使得能够在调节技术领域进行必要或希望的匹配。

根据本发明，该任务通过具有主权利要求的特征的弹簧装置和具有并列权利要求的特征的液压致动器来解决。在从属权利要求、说明书以及附图中公开了本发明的有利构型和扩展方案。

根据本发明的具有至少两个波形盘的弹簧装置设置：在至少两个波形盘之间布置有至少一个弹簧盘，其中，波形盘以能相对彼此转动的方式被支承。通过在其之间布置至少一个弹簧盘的两个波形盘的可转动的布置，能够连续地匹配于相应的使用目的。通过一个波形盘相对于另一波形盘的扭转能够调整弹簧装置的行程。如果相互对置的波形盘的相应最高处和凸起位于它们直接相互对置的位置，则弹簧盘直接位于两个最高处之间，其中，然而这两个波形盘相对彼此没有轴向相对运动。与此相应地，优选构造为平坦的、尤其金属弹簧盘的弹簧盘不被弹性变形。而是在相互对置的最高处的区域中仅发生可忽略的材料压缩。因此，弹簧单元的有效弹簧行程为零。如果两个弹簧盘相对彼此扭转，使得最高处与最低处对置，即凸起与凹部对置，则在轴向方向上，即在波形盘彼此重叠的方向上能产生最大位移。由此，布置在这些波形盘之间的弹簧盘能实现最大变形，由此能够存储最大能量。由于两个波形盘相对彼此的可扭转性通过机械弹簧装置在刚度和预紧方面产生弹簧装置在这些极限设定之间的连续调节。尤其在轴向延伸方面仅需要小的安装体积，并且此外在液压系统中，尤其在液压致动器(如液压阻尼器或液压操纵装置)中使用这种弹簧装置的情况下不需要附加的补偿体积。

本发明的扩展方案设置：多个弹簧盘作为弹簧盘堆垛布置在两个波形盘之间。由于相继联接多个弹簧盘并且将多个弹簧盘组合成弹簧盘堆垛，能够通过增加或移除弹簧盘简单地匹配于所希望的弹簧刚度或匹配于所希望的要存储的和要输出的能量。例如，由此能够实现适配于使用具有液压致动器的矫形技术系统的患者，适配于不同的活动水平并且适配于不同的体重等级。

在本发明的一个扩展方案中设置：布置在端侧的波形弹簧在背离弹簧盘的一侧构造为平坦的。因此，波形盘优选能够具有波形，该波形在侧视图中在上侧和内侧上具有正弦形状。为了能够实现尽可能小的安装体积并且能够将弹簧压力均匀地导出到支座上，布置在端侧的波形盘中仅在对应于弹簧盘的表面上构造有波形。背侧构造为平坦的，使得在凸起的区域中存在完全平面而不仅为线状的贴靠部，所述凸起在对置侧上构造为凹部。在仅有两个波形盘和布置在其间的弹簧盘或者布置在其间的弹簧盘堆垛的情况下，两个波形盘在相互背离的侧上构造为平坦的。

在具有超过两个波形盘的实施方式中优选设置：在两个弹簧盘或两个弹簧盘堆垛之间设置有波形盘，所述波形盘在面向两个所述波形盘的侧上构造为波形。通过将多个波形盘与布置在其间的弹簧盘相继联接，不但能够调整最大行程而且能够调整最大要存储的能量。相继布置的波形盘越多，则最大行程和最大要存储的能量越大。布置在两个在端侧布置的波形盘之间的这种波形盘优选构造为波形，使得相应的最高处位于一平面中。具有相应的最高处的这些平面优选构造为相互平行，也就是说，在一个波形盘的前侧上的最高处和背侧上的最高处分别位于一个平面内，其中，这些平面优选彼此平行地取向。如果波形盘的所有最高处或凸起彼此定向为使得在相邻的波形盘中最高处相互直接对置，则达到弹簧装置的最大长度，然而不能实现弹簧作用，因为这些波形盘不能在轴向方向上相对彼此进行相对位移。如果波形盘相对彼此定向为使得相邻的波形盘的最高处和最低处彼此对准，则能够实现在轴向方向上的最大位移并且因此存储和输出最大能量。

波形盘能够通过对平坦的弹簧盘进行原型(urformen)、去除材料的加工或通过改型(umformen)来制造。波形盘优选由固体、尤其是刚性材料制造，例如，钢或其它形状稳定的金属或者例如纤维增强塑料。

在变型方案中，波形盘和至少一个弹簧盘或所有弹簧盘分别具有中心凹空并且在本发明的扩展方案中支承在中心导向部上。因此，弹簧盘和波形盘都构造为环形盘。通过布置在中心导向部上能够引导所述波形盘进行相互靠近或相互远离的轴向位移，使得能够可靠地实施线性运动，而不会出现侧向的偏转运动。所述中心凹空优选是圆的，或至少允许这些波形盘相对彼此扭转。为此，中心凹空能够构造为与圆形构型不同，例如具有形状锁合元件或扁平度或凸起，以便在需要时或希望时，确保这些波形盘或至少一个波形盘相对于中心导向部的扭转固定。

至少一个波形盘能够通过形状锁合元件与调节装置耦合，以能够实现波形盘相对彼此扭转。形状锁合元件能够构造为凸起或凹空，尤其构造为固定销或用于接收销或配合元件的孔，也可行的是，构造为非旋转对称的内轮廓或外轮廓而起到形状锁合元件的作用。例如，波形盘的外轮廓能够具有扁平度或具有多边形形状，其中，调节装置具有一致的扁平度、轮廓或相应的凸起，使得在调节装置围绕旋转轴线扭转时，波形盘被携动并且相对于抗扭转地支承的或在另一方向上扭转的第二波形盘绕旋转轴线运动。在绕中心导向部支承的情况下，形状锁合元件或者调节装置与波形盘的形状锁合的耦合部能够通过中心导向部实现，例如，通过中心导向部的非圆形构型与中心凹空的对应成型。对于波形盘布置在端部侧或端面侧的情况，所述波形盘通过形状锁合连接作用在波形盘的背离对应弹簧盘的端面上，尤其外端面上，使得能相对于相应其它波形盘扭转。形状锁合元件能够构造为凹空、凸起、销、凸肩、不圆部或齿部。原则上存在以下可行性：在波形盘在两侧成型为波形的情况下，通过调节装置的对应波度实现波形盘和调节装置的形状锁合的耦合。替代于通过一个形状锁合元件或多个形状锁合元件的固定方式，至少一个波形盘能够力锁合或材料锁合地(例如通过夹紧或粘接)与调节装置耦合。通过力传递元件实现的调整也是可行的并且是可以设置的。

调节装置能够至少部分地围绕波形盘，或者所述波形盘能够至少部分地布置在所述调节装置内部。例如，调节装置能够具有套筒，该套筒布置在波形盘外部并且围绕该波形盘，使得除了扭转以外，通过调节装置同时提供在轴向方向上的引导。相对于环绕地布置在波形盘上的调节装置替代地或补充地，所述调节装置也能够在波形盘内部布置在相应凹空中，以便在那里能够实现绕着纵轴线或旋转轴线的扭转。也存在以下可行性：存在多个调节装置，例如围绕波形盘的外调节装置和布置在中心凹空中的内调节装置，它们能够反向地作用，使得两个波形盘相对彼此扭转，其方式是，将两个波形盘在反方向上扭转。

有利地，调节装置是马达式、尤其电动马达式驱动的，以便在矫形技术装置(例如矫形器或假肢)中能够在使用期间进行对弹簧行程、刚度和要接收的或要输出的能量的匹配。马达能通过控制装置在一个方向上或另一方向上驱动，使得有利地借助仅一个马达不但能够增大而且能够减小弹簧行程长度和要接收的能量。借助马达也能够驱动多个调节装置并且例如通过传动装置引起两个波形盘的反向调节运动。控制装置能够与布置在矫形技术装置上的传感器连接，使得在使用弹簧装置期间能够对不同要求作出反应。由传感器求取的值在控制装置中被评估，与存放在那里的程序或标准进行比较，并且进一步处理为调节信号，向马达供应该调节信号，以便在一个方向或另一方向上进行波形盘相对彼此的位置调节。

调节装置能够具有齿部，该齿部与被驱动的齿轮或被驱动的蜗杆耦合，由此能实现非常精细的调整。此外，这种驱动装置是经过检验的并且能够通过传动装置容易地适配于相应的要求。

在一个扩展方案中设置：所有的波形盘具有相等数量的波和相同的波形形状，以便一方面能够实现和谐的调节并且另一方面能够实现波形盘的低成本制造。除了将波形形状构型为正弦形或由此的变型以外，三角形、梯形或矩形也是根据本发明的波形。

弹簧装置优选布置在两个能相对彼此移位的端部件之间，其中，所述端部件能相互靠近地移位，以弹性地预紧弹簧装置，或者例如能够引起抵抗由弹簧装置施加的弹簧力的移位。

至少一个波形盘能够支承、尤其抗扭转地支承在端部件处或端部件中，使得仅一个另外的波形盘必须扭转，以能够调整弹簧行程和弹簧刚度。在这些端部件或至少一个端部件处能够构造或布置连接装置或用于将弹簧装置固定在其它部件上的装置，使得弹簧装置能够作为完成装配的构件被交付。端部件在波形盘的转动运动方面能抗扭转地固定在对应的部件上。端部件也能够构造为在液压单元中能被液压流体加载的活塞。

至少一个波形盘能够抗扭转地支承在中心导向部上和/或端部件之一上。这些端部件优选相对彼此以能伸缩的方式固定，使得在轴向方向上实现相互靠近的相对运动。移位方向基本上相应于波形盘的旋转轴线的纵向延伸。

所述端部件优选能够通过中心导向件相互连接，其中，中心导向件同时形成限界止挡，使得这两个端部件不能相互分离。在中心导向部的长度上能够调整弹簧预紧或改变弹簧装置的最大延伸。为此，中心导向部例如通过螺纹以长度可变的方式构造的。

在端部件和至少一个波形盘之间能够布置另一弹簧元件，尤其螺旋弹簧或盘旋弹簧，以提供具有大的能量存储能力的相对大的弹簧行程。替代于来自盘旋弹簧或螺旋弹簧的弹簧元件，所述弹簧元件能够由弹性体材料制成，该弹簧元件布置在端部件和端面侧的或端部侧的波形盘之间。

优选波形盘具有正弦形形状，该正弦形形状具有至少两个最高处和两个最低处，其中，正弦形形状构造在与弹簧盘或弹簧盘堆垛对置的至少一个侧面上。如果恰好存在两个最高处和两个最低处，则通过对称构型产生倾翻可靠性。在此也能实现最大弹簧行程。

本发明也涉及一种具有上述弹簧装置的液压致动器。通过将液压致动器与这种弹簧装置组合能够在液压系统中实施可变的能量存储和能量输出。液压系统尤其是矫形技术装置(如矫形器或假肢)的一部分。利用这种构型能在轻微的可缩放性的情况下确保线性致动器与弹簧装置同轴的解决方案。具有可调整的预紧的弹簧装置能集成到液压致动器中并且通过使用具有两个波形盘和至少一个布置在其间的弹簧盘的弹簧装置而不需要附加的补偿体积。

附图说明

下面，借助附图详细阐明本发明的实施例。其示出了：

图1具有在刚性位置中的附加弹簧元件的弹簧装置单个示图；

图2根据图1的在释放位置中的布置；

图3根据图1的在中间位置中的布置；

图4在立体视图中的具有调节装置的弹簧装置；

图5图4的截面图；

图6弹簧装置的爆炸图；

图7根据图6具有弹簧元件的示图；

图8具有装配的弹簧装置的液压致动器的截面图；

图9弹簧装置在矫形器中的应用实施例；以及

图10弹簧装置在假体中的应用实施例；以及

图11弹簧行程与弹簧力的示图。

具体实施方式

图1以单个示图示出与串联布置的弹簧元件60组合的弹簧装置1。弹簧装置1在所示出实施例中由两个端部侧的波形盘11、13和居中地布置在这两个端部侧的波形盘之间的波形盘12组成。所有波形盘11、12、13由形状稳定的材料制成并且实施为刚性的，使得在轴向负载的情况下，波形盘11、12、13内部不会出现或基本上不出现明显的变形。在两个波形盘11、12；12、13之间分别有三个弹簧盘20，所述弹簧盘在未负载的状态下构造为平坦的。每三个弹簧盘20形成弹簧盘堆垛21。在两个波形盘11、12、13之间能够布置不同数量的弹簧盘20，以改变要存储的能量或弹簧刚度。两个端部侧波形盘11、13具有平坦的背侧111、131，所述平坦的背侧不设置有波形轮廓。在波形盘11、13的与平坦侧111、131对置的侧上构造波形轮廓，所述波形轮廓是正弦形的并且具有两个最高处和两个最低处，其中，所述轮廓构造为对称的。中间波形盘12不但在上侧121而且在下侧122上具有波形轮廓，其中，所有波形轮廓相对彼此对应地构造，使得在相应的最低处朝向相邻波形盘11、12、13的最低处定向时，在这些波形盘11、12、13之间不存在或几乎不存在中间空间。通过布置在波形盘11、12、13之间的弹簧盘20或弹簧盘堆垛21保持波形盘11、12、13相互间隔开。在所示出的刚性位置中，两个相邻的波形盘11、12、13，即在轴向方向上相继布置的波形盘11、12、13的相应最低处和最高处相互对置地对应，使得在波形盘11、12、13之间没有提供用于弹簧盘20或弹簧盘堆垛21的弹簧行程。由端部侧波形盘11、13施加的轴向力通过支撑点传送给中间波形盘12，而不会使弹簧盘20弹性变形。

在中间波形盘12的径向周缘上构造有形状锁合元件30，该形状锁合元件以凹空的构型构造，能够将销插入到该凹空中。通过与配合元件处于连接中的形状锁合元件30，中间波形盘12能相对于其它两个波形盘11、13扭转。由此能够调整能由弹簧装置1产生的可能的弹簧行程。在所示出的位置中，相对于弹簧盘20不能够有弹性，因为上波形盘11的最高处与中间波形盘12的上最高处对置。同样地，下波形盘13的最高处与波形盘12的朝下指向的最高处或最低处在所示出的取向上直接对置，使得在相应对置的最高处之间不存在自由弹簧行程。优选，端部侧的波形盘11、13或者通过在径向上作用的锁定装置或者通过作用到平面的端侧131、111上的制动元件或固定元件抗扭转地支承。

在根据图2的示图中，在端部侧的波形盘11、13处于相同位置的情况下，中间波形盘12绕着沿着弹簧装置1纵向延伸部的轴线转动90°，这明显借助形状锁合元件30改变位置来实现。通过这种90°的转动，所有弹簧盘11、12、13的相应波形轮廓彼此对应地定向，使得相应对置的表面的轮廓走向相互对应。波形盘11、12、13仅通过布置在它们之间的弹簧盘20或弹簧盘堆垛21相对彼此间隔开地保持。如果现在朝端部侧的波形盘11、13的端侧111、131的方向施加轴向力，以使所述波形盘相互靠近地移位，则在相应波形盘11、12、13之间的弹簧盘堆垛21中的弹簧盘20弹性变形，而波形盘11、12、13基本上保持不变形。在波形盘11、12、13相对彼此的这种位置中，通过弹簧装置1能够实现最大的弹簧行程和最大的能量存储量。呈螺旋弹簧或盘旋弹簧构型的弹簧元件60被用作附加的机械能量存储器并且与弹簧装置1串联连接。

在图3中示出在根据图1和2的两个极限位置之间的中间示图，中间波形盘12大约位于根据图1和2的两个极限位置之间的中间处。最大可行的弹簧行程是两个波形盘11、12、13之间的相应最短行程，即在弹簧盘20或弹簧盘堆垛21的支撑位置与相邻波形盘轮廓之间在轴向方向上的可能行程。如图3所示，弹簧装置的最大位移行程或弹簧行程在此由自由间距a的总和组成。

在图4中示出弹簧装置1与螺旋弹簧或盘旋弹簧60一起在安装的状态下布置在两个端部件30之间。弹簧装置1位于调节装置40内部，该调节装置40构造为套筒并且不但包围弹簧盘20而且包围波形盘11、12、13。如在图5中所示出的那样，在套筒40内部构造槽43，销或形状锁合元件30'配合到该槽中。所述销30'引入到中间波形盘12中的形状锁合元件30中并且能够通过调节装置40的扭转利用套筒实现弹簧盘11、12、13相对于彼此的相对扭转。两个端部件2、3将波形盘11、12、13和弹簧盘20与弹簧元件60保持在一起。在所述端部件2、3之间布置有中心导向部50，该中心导向部穿过在弹簧盘20和波形盘11、12、13内部的凹空，并且螺旋弹簧60绕着所述中心导向部环绕地延伸。

左侧的端部件2在外侧具有螺纹，以便将该端部件固定在液压单元中，对置的端部件3构造为液压活塞并且能够相对于端部件2移位，在示出的实施例中朝第一端部件2靠近地移位。

在调节装置40的外侧构造有齿部41，马达驱动的蜗杆42啮合到该齿部中。蜗杆42能够通过未示出的马达驱动部在两个转动方向上被驱动。由蜗杆42的驱动方向而定，调节装置40绕着中心导向部50的纵向延伸在一个方向或另一方向上扭转。如在图5中所示出的销30’通过套筒状的调节装置40形状锁合地携动，并且在此中间波形盘12相对于抗扭转地保持的两个外波形盘11、13扭转。

在图5中可见，面向第一端部件2的波形盘13在平的端侧131上具有两个凹空133，两个销23伸入到所述凹空中，所述销23固定在端部件2上。由此，当蜗杆42被驱动时，如果调节装置40相对于不运动的端部件2扭转，则能够实现端侧的波形盘13相对于中间波形盘12的扭转并且防止相对于不运动的端部件2的扭转。

在图5中还可见，中心导向部50构造为两件式并且具有两个管状元件51、52，所述管状元件能够相互移动到其中，使得两个端部件2、3能相对彼此移位。因此，中心导向部50构造为可伸缩的。在图5中也可见，销30’配合到中间波形盘12的在径向上向外指向的凹空30中并且通过套筒状的调节装置40中的槽43形状锁合地被携动。

图6以爆炸图示出弹簧装置1的各单件。每三个弹簧盘20组合成弹簧盘堆垛21，并且布置在两个波形盘11、12、13之间。

端部侧的波形盘11、13在其平坦的端侧111、131上具有凹空113或133，形状锁合元件、例如销23能够配合到所述凹空中，以防止相对于端部件2、3的旋转。仅在中间波形盘12中构造在径向上取向的孔30，该孔能够实现形状锁合元件30的配合，以便能够实现中间波形盘12相对于抗扭转地支承的两个外波形盘11、13的相对扭转。在端部侧的波形盘11、13的相互面向的端侧112、132上的相应表面轮廓相互对应，同样，中间波形盘12在其相应表面123、122上的轮廓相应于面向所述相应表面的表面112、132的轮廓。在这些表面上分别存在两个最高处和两个最低处，中间波形盘12构造为在两侧有波形的盘，而端部侧的波形盘11、13仅在一个端侧112、132具有波形轮廓并且因此能够被视为半波形盘。

不但在弹簧盘20中而且在波形盘11、12、13中都构造有中心凹空115、125、135、25，所述凹空在所示出的实施例中构造为圆形。通过至少中间波形盘12在外周以及在凹空125的内周中的圆形构型能够实施围绕中心凹空50的旋转。

代替通过端部侧的波形盘11、13上的孔113、133的端侧固定，也能够例如在中心凹空50上进行在径向上指向的固定，例如通过在管状元件52中的具有的扁平度的非圆形构型和相应波形盘11、13的对应的非圆形中心凹空115。

在图7中示出根据图6具有在轴向方向上连接在前面的、呈螺旋弹簧构型的弹簧元件60的弹簧装置。

图8示出了呈液压阻尼器构型的液压致动器10，其具有壳体5，在该壳体中，液压活塞4通过活塞连杆6可轴向移动地支承。在壳体5内部，第一端部件2通过外螺纹旋入，弹簧装置1的第二端部件3构造为具有布置在外周上的密封元件的可运动活塞。液压致动器10具有电子控制装置7，通过该电子控制装置能够打开和关闭阀。通过控制装置7也激活或停用用于蜗杆42的未示出的驱动装置，该蜗杆啮合到调节装置40的外齿部41中。左侧的端部侧的波形盘13通过销23抗扭转地支承在端部件2上。第一弹簧堆垛21、中间波形盘12、第二弹簧堆垛21和第二端部侧的侧波形盘11在轴向方向上衔接。如果活塞连杆6朝第二端部件2的方向移动，则液压流体通过液压通道向右被压向第二端部件3的方向。液压压力压缩弹簧元件60，该弹簧元件支撑在平坦的侧面111上，并且例如通过在盘旋弹簧60上的形状锁合连接也抗扭转地支承在套筒状的调节装置40中。由弹簧元件60施加朝第二端部侧的波形盘13的方向作用的轴向力。在波形盘11、12、13相对彼此位于图1的位置时，波形盘11、12、13之间的弹簧盘20不被提供弹簧行程，使得唯一的能量存储装置是螺旋弹簧60。如果需要其它能量存储装置，则激活未示出的致动器，蜗杆42啮合到齿部41中，调节装置40转动例如90°直至达到图2的位置。在此提供附加的弹簧行程和附加的弹簧力或能量存储器。

在根据图1和2的两个极限位置之间能够占据任意位置，使得相应弹簧行程能在零和最大弹簧行程之间进行调整。

在图9中示出弹簧装置1或根据图8的液压致动器的可能的布置，其中，示意性地示出的弹簧装置1布置在矫形器的外侧。能调节的弹簧装置1构造在腰带或骨盆与大腿骨架之间，以及大腿骨架与三件式矫形器的小腿部分之间。所示出的矫形器具有包括足部部分的小腿部分，其中，所述足部部分不与小腿部分铰接。原则上，也能将弹簧装置1布置在足部板和小腿部分之间，只要它们相互铰接。

本发明的一种变型方案将弹簧装置1设置在假体中，如这在图10中所示出。两个弹簧装置1或液压致动器能够布置在假体足部和小腿部分之间或在小腿部分与大腿部分之间布置在假体膝关节中。在假体足部与小腿管之间的弹簧装置1能在沿小腿管朝假体膝关节的方向受轴向负载时允许可调整的能量存储。布置在小腿部分和假肢膝关节之间的弹簧装置1例如用于存储在屈曲期间的运动能量并且在伸展期间释放。

在图11中示出弹簧行程a与弹簧力n的示意图，从图中可见，通过彼此调节波形盘11、12、13能够调节所要接收的弹簧力以及最大的弹簧行程。

弹簧装置1的刚度能够改变，而不改变弹簧装置1的长度。要存储的能量并且因此要输出的能量也能够连续变化。除了通过蜗杆42进行马达式调节以外，也能够通过杆或其它到能调节的波形盘的接入进行手动调节。通过将多个具有两侧波形轮廓的波形盘和位于中间的弹簧盘相继联接能够在最大弹簧行程方面和要存储的能量方面进行简单的改变。以能转动的方式支承的波形盘能被个性化地调整，以便能够调整激活的、部分激活的和停用的弹簧盘20或弹簧盘堆垛的任意组合。