CN102062161B - 活性材料致动的单向离合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及活性材料致动的单向离合器。一种用于辅助旋转液压马达旋转的单向离合器，包括棘轮和相对于棘轮关于纵轴旋转的毂。所述棘轮包括多个齿，所述毂包括棘爪，用于与齿接合以使棘轮按照单旋转方向旋转。包括活性材料的控制设备将棘爪与毂互连。控制设备的活性材料响应于控制信号收缩以移动棘爪。包括活性材料的驱动器成螺旋形地围绕在毂的外围。驱动器的活性材料收缩以使毂旋转从而驱动棘轮。
Description
技术领域
本发明总体涉及一种离合器，更具体地说，涉及一种被构造为在单旋转方向向设备(诸如旋转液压马达)提供扭矩的离合器。
背景技术
在多种重型机械中使用旋转液压马达。旋转液压马达使用液压流体来致动马达。在低温时，液压流体变稠使旋转液压马达的响应时间减少。
当单独的液体流动不足以维持旋转液压马达的操作时，旋转液压马达可以结合辅助驱动机构在低温启动期间临时旋转该旋转液压马达。因此，当液体最稠时，辅助驱动机构在冷天启动期间提供旋转液压马达的最初旋转。
发明内容
在本发明的一方面，提供一种旋转液压马达。所述旋转液压马达包括壳体和被构造为提供扭矩的输出轴。单向离合器附接到所述壳体。单向离合器包括传动轴，传动轴联接到所述输出轴。传动轴沿纵轴线延伸且关于纵轴线可旋转，并且向所述输出轴提供扭矩。单向离合器还包括棘轮，其附接到传动轴。棘轮关于纵轴线随着传动轴旋转。棘轮包括远离纵轴线径向向外延伸的多个齿。单向离合器还包括能旋转地联接到传动轴的毂。毂相对于传动轴关于纵轴线旋转。毂包括径向向内朝向所述棘轮延伸的至少一个棘爪。至少一个棘爪能在脱离位置与接合位置之间移动。当处于脱离位置时，至少一个棘爪从多个齿脱离。当处于接合位置时，至少一个棘爪与多个齿接合，用于使棘轮和传动轴关于纵轴线旋转。单向离合器还包括控制设备，其附接到所述至少一个棘爪和毂。控制设备包括活性材料且被构造为响应于控制信号收缩。控制设备收缩以在未被致动位置和被致动位置之间移动。当控制设备处于被致动位置时，控制设备将至少一个棘爪定位在接合位置。当控制设备处于未被致动位置时，控制设备允许所述至少一个棘爪移动到脱离位置。单向离合器还包括致动器，其成螺旋形地缠绕在毂的外围。致动器包括附接到毂的第一端和附接到壳体的第二端。致动器还包括活性材料，活性材料被构造为响应于致动信号收缩。致动器收缩以使毂关于纵轴线沿单方向从未被旋转位置旋转到被旋转位置以驱动棘轮。
在本发明的另一方面，提供一种单向离合器。所述单向离合器包括传动轴。传动轴沿纵轴线延伸且关于纵轴线可旋转，并被构造为向设备施加扭矩。棘轮附接到传动轴以关于纵轴线随着传动轴旋转。棘轮包括远离纵轴线径向向外延伸的多个齿。毂能旋转地联接到传动轴以相对于传动轴关于纵轴线旋转。毂包括径向向内朝向所述棘轮延伸的至少一个棘爪。至少一个棘爪能在脱离位置与接合位置之间移动。当处于脱离位置时，至少一个棘爪从多个齿脱离。当处于接合位置时，至少一个棘爪与多个齿接合，用于使棘轮和传动轴关于纵轴线旋转。控制设备附接到至少一个棘爪。控制设备响应于控制信号在未被致动位置和被致动位置之间移动。当控制设备处于被致动位置时，控制设备将至少一个棘爪定位在接合位置。当控制设备处于未被致动位置时，控制设备允许所述至少一个棘爪移动到脱离位置。
因此，本发明提供一种能够使旋转液压马达旋转的单向离合器。单向离合器可以在旋转液压马达的液压流体变稠且另一方面旋转液压马达的响应时间将减少的冷天启动期间使用。单向离合器使用活性材料控制设备使至少一个棘爪在接合位置和脱离位置之间移动来驱动棘轮，从而当毂旋转且棘爪接合时，使旋转液压马达旋转。单向离合器还使用活性材料致动器使毂旋转。因此，单向离合器在最初的冷天启动期间辅助旋转液压马达的旋转，从而在冷天操作期间增加旋转液压马达的响应时间。
根据下面结合附图对实现本发明的最佳模式进行的详细描述，本发明的上述特点和优点以及其它特点将是明显的。
本发明还提供了如下方案：
方案1.一种单向离合器，包括：
传动轴，其沿纵轴线延伸且关于纵轴线可旋转，并被构造为向设备施加扭矩；
棘轮，其附接到所述传动轴以关于所述纵轴线随着所述传动轴旋转，并且包括远离所述纵轴线径向向外延伸的多个齿；
毂，其能旋转地联接到所述传动轴以相对于所述传动轴关于所述纵轴线旋转，所述毂包括径向向内朝向所述棘轮延伸的至少一个棘爪；
所述至少一个棘爪能在脱离位置与接合位置之间移动，当处于脱离位置时，所述至少一个棘爪从所述多个齿脱离，当处于接合位置时，所述至少一个棘爪与所述多个齿接合以使所述棘轮和所述传动轴关于所述纵轴线旋转；以及
控制设备，其附接到所述至少一个棘爪，所述控制设备响应于控制信号能在未被致动位置和被致动位置之间移动，其中，当所述控制设备处于所述被致动位置时，所述控制设备将所述至少一个棘爪定位在所述接合位置与所述脱离位置中的一个中，当所述控制设备处于所述未被致动位置时，所述控制设备允许所述至少一个棘爪移动到所述接合位置与所述脱离位置中的另一个中。
方案2.如方案1所述的离合器，其中，所述控制设备包括活性材料控制设备。
方案3.如方案2所述的离合器，其中，所述控制设备还附接到所述毂，且被构造为响应于所述控制信号施加致动力以将所述至少一个棘爪从所述脱离位置移动到所述接合位置。
方案4.如方案3所述的离合器，其中，所述活性材料控制设备包括从下面的一组活性材料中选择的活性材料：形状记忆合金、压电材料、电活性聚合物、铁磁性形状记忆合金、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。
方案5.如方案4所述的离合器，其中，所述控制信号包括从下面的一组信号中选择的信号：热信号、磁信号、电信号、流体信号和机械信号。
方案6.如方案1所述的离合器，还包括致动器，其具有附接到所述毂的第一端和被构造为附接到支撑物的第二端，其中，所述致动器能在未被旋转位置和被旋转位置之间移动，所述被旋转位置用于响应于致动信号使所述毂关于所述纵轴线沿单方向旋转以驱动所述棘轮。
方案7.如方案6所述的离合器，其中，所述致动器包括活性材料致动器。
方案8.如方案7所述的离合器，其中，所述活性材料致动器成螺旋形地缠绕在所述毂的外围，且被构造为响应于所述致动信号收缩以使所述毂关于所述纵轴线沿所述单方向旋转。
方案9.如方案8所述的离合器，其中，所述活性材料致动器包括从下面的一组活性材料中选择的活性材料：形状记忆合金、压电材料、电活性聚合物、铁磁性形状记忆合金、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。
方案10.如方案9所述的离合器，其中，所述致动信号包括从下面的一组信号中选择的致动信号：热信号、磁信号、电信号、流体信号和机械信号。
方案11.如方案1所述的离合器，其中，所述至少一个棘爪与所述毂由顺应材料一体形成，从而将所述至少一个棘爪偏置到所述脱离位置。
方案12.如方案1所述的离合器，还包括：将所述至少一个棘爪与所述毂互连的可枢转连接，当在所述接合位置与所述脱离位置之间的移动期间所述至少一个棘爪能关于枢转轴线枢转。
方案13.如方案12所述的离合器，还包括：返回设备，其附接到所述至少一个棘爪且被构造为将所述至少一个棘爪偏置到所述脱离位置。
方案14.如方案13所述的离合器，其中，所述返回设备包括弹簧。
方案15.如方案13所述的离合器，其中，所述返回设备包括活性材料返回设备。
方案16.如方案1所述的离合器，还包括：重置设备，其附接到所述毂且被构造为将所述毂偏置到所述未被旋转位置。
方案17.一种旋转液压马达包括：
壳体；
被构造为提供扭矩的输出轴；以及
附接到所述壳体的单向离合器，所述单向离合器包括：
传动轴，其联接到所述输出轴以向所述输出轴提供扭矩，所述传动轴沿纵轴线延伸且关于纵轴线可旋转；
棘轮，其附接到所述传动轴以关于所述纵轴线随着所述传动轴旋转，并且包括远离所述纵轴线径向向外延伸的多个齿；
毂，其能旋转地联接到所述传动轴以相对于所述传动轴关于所述纵轴线旋转，所述毂包括径向向内朝向所述棘轮延伸的至少一个棘爪；
所述至少一个棘爪能在脱离位置与接合位置之间移动，当处于脱离位置时，所述至少一个棘爪从所述多个齿脱离，当处于接合位置时，所述至少一个棘爪与所述多个齿接合以使所述棘轮和所述传动轴关于所述纵轴线旋转；以及
控制设备，其包括活性材料且被附接到所述至少一个棘爪和所述毂，所述控制设备被构造为响应于控制信号施加力以在未被致动位置和被致动位置之间移动，其中，当所述控制设备处于所述被致动位置时，所述控制设备将所述至少一个棘爪定位在所述接合位置与所述脱离位置中的一个中，当所述控制设备处于所述未被致动位置时，所述控制设备允许所述至少一个棘爪移动到所述接合位置与所述脱离位置中的另一个中；以及
致动器，其包括活性材料且被构造为响应于致动信号施加力以使所述毂关于所述纵轴线沿单方向从未被旋转位置旋转到被旋转位置以驱动所述棘轮。
方案18.如方案17所述的离合器，其中，所述控制设备和所述致动器的所述活性材料包括从下面的一组活性材料中选择的活性材料：形状记忆合金、压电材料、电活性聚合物、铁磁性形状记忆合金、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。
方案19.如方案17所述的离合器，其中，所述控制信号和所述致动信号的每一个包括从下面的一组信号中选择的信号：热信号、磁信号、电信号、流体信号和机械信号。
方案20.如方案17所述的离合器，其中，所述致动器成螺旋形地缠绕在所述毂的外围，且包括附接到所述毂的第一端和附接到所述壳体的第二端。
附图说明
图1是单向离合器的示意性横截面正视图。
图2是联接到旋转液压马达的单向离合器的示意性横截面侧视图。
图3是单向离合器的另一实施例的示意性横截面正视图。
具体实施方式
参照附图，其中，在若干示图中，相同的标号指示相同部件，通过20示出单向离合器。参照图1，单向离合器20附接到设备，诸如，但不限于旋转液压马达22。因此，应该理解，旋转液压马达可以连接到除在此描述的旋转液压马达22之外的设备。
旋转液压马达22包括壳体24，并且使液压流体循环以在输出轴26中产生扭矩。公知地，输出轴26被构造为提供扭矩。旋转液压马达22可以包括能够使液压流体循环且在输出轴26产生扭矩的任何适当的旋转液压马达22。旋转液压马达22的具体类型、大小和/或设计与本发明无关。这样，旋转液压马达22仅示意性地描述和示出，且在此不进行详细描述。
单向离合器20附接到旋转液压马达22的壳体24。单向离合器20可以按照任何适当的方式附接到壳体24。还参照图2，单向离合器20包括传动轴28。传动轴28沿纵轴线30延伸且关于纵轴线30可旋转。传动轴28被构造为向设备提供扭矩。更具体地，传动轴28联接到旋转液压马达22的输出轴26且被构造为将来自单向离合器20的传动轴28的扭矩传递到旋转液压马达22的输出轴26。
单向离合器20还包括棘轮32。棘轮32附接到传动轴28，并且能够关于纵轴线30随传动轴28旋转。棘轮32还可以按照能够传递关于纵轴线30的旋转的任何适当方式附连到传动轴28，诸如，但不限于，将传动轴28与棘轮32互连的花键连接，或将传动轴28与棘轮32互连的键连接。棘轮32包括多个齿34，这些齿远离纵轴线30径向向外延伸。多个齿34与纵轴线30径向间隔开，并且围绕棘轮32的外围相对彼此均匀地间隔开。此外，多个齿34和相应的棘爪40成一定角度，以仅在单旋转方向上提供扣掣，如旋转箭头36所指示的方向，下面将更加详细地描述。
单向离合器20还包括毂38。毂38可旋转地联接到传动轴28，且关于纵轴线30相对于传动轴28可旋转。毂38包括至少一个棘爪40，棘爪向着棘轮32径向向内延伸。如所示，单向离合器20包括一对棘爪40，其彼此径向相对地位于棘轮32的相对侧上。然而，应该理解，毂38可以包括任何数量的棘爪40，且棘爪40可以按照任何构造围绕棘轮32周围间隔设置。
棘爪40可以在脱离位置和接合位置之间移动。当棘爪40处于脱离位置时，棘爪40从棘轮32上的多个齿34脱离。当棘爪40处于接合位置时，棘爪40与多个齿34接合。当棘爪40处于接合位置时，棘爪40被构造为用于使棘轮32和传动轴28关于纵轴线旋转。当处于接合位置且以单旋转方向旋转时，棘爪40以互锁接合与棘轮32上的齿34接合。当以与单旋转方向相反的方向旋转时，即使在接合位置，棘爪40也滑过齿34且不能与棘轮32上的齿34接合。因此，棘爪40仅能够在单旋转方向驱动棘轮32。
毂38包括板部分42和环形壁部分44，板部分从纵轴线30向外径向延伸，环形壁部分44沿纵轴线30轴向延伸。环形壁部分44向着旋转液压马达22的壳体24沿纵轴线30从板部分42的外围延伸。至少一个棘爪40从环形壁部分44的内表面向着纵轴线30径向向内延伸。如图1所示，至少一个棘爪40与毂38形成一个整体。毂38和棘爪40包括顺应材料且由顺应材料制造。顺应材料操作使至少一个棘爪40向脱离位置偏置。因此，应该理解，毂38和棘爪40被形成为顺应材料倾向使棘爪40保持处于脱离位置的初始位置。顺应材料可以包括任何适当的材料，包括，但不限于，塑料、橡胶、聚丙烯材料、尼龙材料、聚氨酯材料、GRF环氧树脂复合材料、HDPE材料、钛材料、铝材料、钢材料和铍-铜(CA170)的材料。
单向离合器20还包括控制设备46，该设备附接到至少一个棘爪40。控制设备46还附接到毂38，并且包括被构造为施加致动力的线性致动器，即，响应于控制信号线性收缩。控制设备46可以在未被致动位置与被致动位置之间移动。控制设备46施加致动力以将至少一个棘爪40从接合位置和脱离位置中的一个移动到接合位置和脱离位置中的另一个。如在此所示和描述，控制设备46施加致动力以将至少一个棘爪40从脱离位置移动到接合位置。控制设备46响应于控制信号在未被致动位置与被致动位置之间移动。当控制设备46处于被致动位置时，控制设备46将棘爪40定位到接合位置和脱离位置中的一个。当控制设备46处于未被致动位置时，控制设备46允许毂材料的自然弹性将棘爪40偏置到接合位置和脱离位置中的另一个。如所示，当控制设备46处于被致动位置时，控制设备46将棘爪40定位到接合位置，当控制设备46处于未被致动位置时，控制设备46允许棘爪40移动到未被致动位置。
控制设备46包括活性材料。因此，控制设备46可以被定义为活性材料控制设备46。控制设备46的活性材料可以包括，但不限于，从下面的一组活性材料中选择的活性材料：形状记忆合金、压电材料、电活性聚合物、铁磁性形状记忆合金、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。下面更加详细地描述可用于控制设备46的活性材料。
控制信号致动控制设备46的活性材料，以使控制设备46收缩，从而从未被致动位置移动到被致动位置。当中断控制信号时，控制设备46返回到其自然形状和/或状态，从而从被致动位置返回到未被致动位置。用于致动控制设备46的控制信号可以包括，但不限于，从下面的一组控制信号中选择的控制信号：热信号、磁信号、电信号、流体信号和机械信号。应该理解，控制信号可以包括能够使控制设备46在未被致动位置和被致动位置之间移动的任何信号。下面将更加详细地描述可以用作控制信号的信号类型。
单向离合器20还包括致动器48。致动器48运行以在毂上施加力，从而使毂38沿单方向关于纵轴线30旋转。控制设备46运行以将棘爪40与齿34机械联接或分离。当棘爪40处于接合位置时，通过致动器48引起的毂38的旋转将棘爪40旋转到与棘轮32上的齿34互锁接合，从而使棘轮32关于纵轴线30旋转。棘轮32关于纵轴线30的旋转使传动轴28关于纵轴线30旋转，这样向旋转液压马达22的输出轴26提供了扭矩，即，使旋转液压马达22的输出轴26旋转。这样，当在最初的低温启动期间液压流体粘度低时，单向离合器20可以将旋转提供给旋转液压马达22。
如所示，致动器48包括第一端50和第二端52，第一端在第一连接点连接到毂38，第二端52被构造为用于连接到支撑物。如所示，第二端52在第二连接点附接到旋转液压马达22的壳体24。然而，应该理解，致动器48的第二端52可以连接到其它固定物体。如所示，致动器48成螺旋形缠绕在毂的外围，且被构造为响应于驱动信号施加力，即，收缩。致动器48收缩使毂38关于纵轴线30以单旋转方向旋转。这样，致动器48可以在未被旋转位置和被旋转位置之间移动。致动器48从未被旋转位置到被旋转位置的移动使毂38以单旋转方向旋转，允许棘爪40以互锁接合与棘轮32上的斜齿34接合。如上所述，毂38以单旋转方向旋转驱动了棘轮32，从而驱动单向离合器20的传动轴28。致动器48从被旋转位置到未被旋转位置的移动使毂38在与单旋转方向相反的方向旋转，从而即使在接合位置，棘爪40也滑过斜齿34且不能以互锁接合与棘轮32上的斜齿34接合。
致动器48包括活性材料且由活性材料制造。因此，致动器48包括活性材料致动器48。致动器48的活性材料可以包括，但不限于，从下面的一组活性材料中选择的活性材料：形状记忆合金、压电材料、电活性聚合物、铁磁性形状记忆合金、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。下面更加详细地描述可用于致动器48的活性材料。
致动信号致动致动器48的活性材料，使致动器48收缩，从而从未被旋转位置移动到被旋转位置。当中断致动信号时，致动器48返回到其自然形状和/或状态，从而从被旋转位置返回到未被旋转位置。用于致动致动器48的致动信号可以包括，但不限于，从下面的一组驱动信号中选择的致动信号：热信号、磁信号、电信号、流体信号和机械信号。应该理解，致动信号可以包括能够使致动器48在未被旋转位置和被旋转位置之间移动的任何信号。下面将更加详细地描述可以用作致动信号的信号类型。
单向离合器20还可以包括重置设备54。重置设备54被构造为使毂38按照与单旋转方向相反的方向旋转，且将致动器48从被旋转位置返回到未被旋转位置。因此，重置设备54联接到毂38且被构造为使毂38偏置到未被旋转位置。重置设备54可以包括能够使毂38偏置以按照与单旋转方向相反的旋转方向旋转的任何适当设备。因此，重置设备54可以包括，但不限于，弹簧、活性材料设备等。
如所示，单向离合器20包括单个致动器48。然而，可以理解，单向离合器20可以包括多个致动器48，以增加提供给旋转液压马达22的扭矩，或者使致动器48的激活之间的再生时间能够更快。
参照图3，示出单向离合器20的可选实施例。单向离合器20的可选实施例按照与上述相同的方式运行。然而，在单向离合器20的可选实施例中，至少一个棘爪40不是与毂38从顺应材料一体形成。而是，单向离合器20的可选实施例包括使至少一个棘爪40和毂38互连的可枢转连接56。在接合位置与脱离位置之间移动期间，至少一个棘爪40可以关于枢轴线枢转。
单向离合器20的可选实施例还包括返回设备58。返回设备58附接到至少一个棘爪40，且被构造为将至少一个棘爪40偏置到脱离位置。返回设备58可以包括，但不限于，弹簧、活性材料或能够使棘爪40偏置到脱离位置的其它设备。如果返回设备58包括活性材料并由活性材料制造，则下面将更加详细地描述可以使用的活性材料的类型。
在此处描述和示出的单向离合器20的主要实施例和可选实施例中，控制设备46被描述为可操作以使棘爪40从脱离位置移动到接合位置。然而，应该理解，单向离合器20可以另选地构造为将棘爪40从接合位置移动到脱离位置，其中，棘爪40的默认位置是接合位置，且控制设备46的致动将棘爪40移动到脱离位置。
在描述的实施例中，用于控制设备46、致动器48和/或返回设备58的活性材料优选地是形状记忆合金(SMA)。然而，在本发明的范围内可以其它活性材料。适当的活性材料包括，但不限于，形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)、压电材料、电活性聚合物(EAP)和磁铁材料。
适当的形状记忆合金可以展示单向形状记忆效果、内在双向效果或外在双向形状记忆效果，这取决于合金成分和加工历史。形状记忆合金中出现的两个相通常被称为马氏体相和奥氏体相。马氏体相相对软且是形状记忆合金的易变形相，通常在更低温时存在。奥氏体相，形状记忆合金的较硬相，在更高温时出现。由展示单向形状记忆效果的形状记忆合金成分形成的形状记忆材料不能自动重新成形，并且根据形状记忆材料设计，形状记忆材料将可能需要外部机械力来重新成形以前展示的形状方向。由将自动重新成形自身的形状记忆合金成分制造形状记忆材料展示内在形状记忆效果。
可以通过合金成分中的微小改变且通过热处理调整形状记忆合金的温度，当形状记忆合金被加热到该温度时，形状记忆合金记起其高温形式。在镍钛形状记忆合金中，例如，该温度可以从大约100℃之上改变到大约-100℃之下。形状恢复过程发生在仅有几度的范围中，且可以将变形的开始或完成控制在1度或2度内，这取决于期望的应用和合金成分。形状记忆合金的机械属性在跨越其变形的温度范围大大改变，通常提供具有形状记忆效果以及高阻尼量的形状记忆材料。形状记忆合金的内在高阻尼量可以用于增加能量吸收性能。
适当的形状记忆合金材料包括，但不限于，镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、镍镓基合金、铜基合金(例如，铜锌合金、铜铝合金、铜金合金和铜锡合金)、金镉基合金、银镉基合金、铟镉基合金、锰铜基合金、铁铂基合金、铁钯基合金等。合金可以是二元，三元，或任何更高元的，只要合金成分能够展示形状记忆效果，例如，形状方向改变、阻尼性能的改变等。例如，可商业获得的Shape Memory Applications，Inc的商标为NITINOL的镍钛基合金。
可以通过任何适当装置来激活形状记忆合金，优选地，用于使材料经历转变温度之上或之下的温度变化的装置。例如，对于升高的温度，可以使用热气体(如空气)、蒸汽、热液体或电流来提供热量。例如，激活装置可以是从接触形状记忆材料的加热元件的热传导、从接近热激活的形状记忆材料的加热导管的热对流、热空气鼓风机或喷嘴、微波相互作用、电阻加热、热电加热等的形式。在温度下降的情况下，可以通过使用低温气体或制冷剂蒸发来提取热量。例如，激活装置可以是冷房间或室、具有冷却尖端的冷却探针、热电单元的控制信号、冷风机或喷嘴或者用于将制冷剂(如液氮)至少引入到形状记忆材料附近的装置的形式。
适合的磁性材料包括，但不限于，软或硬磁体、赤铁矿、磁铁矿、基于铁、镍和钴的磁性材料、上述合金或包括上述中的至少一个的组合物等。铁、镍和/或钴的合金可以包括铝、硅、钴、镍、钒、钼、铬、钨、锰和/或铜。
电活性聚合物包括那些响应于电场或机械场展示压电、热电或电致伸缩特性的聚合物材料。作为一类电活性聚合物致动器，典型介电弹性体致动器包括夹在两个弹性电极之间的弹性(通常，类似橡胶)的介电材料板。电极之间电位差的施加导致两个电极上相反电荷的积累。产生的静电吸引力倾向于将两个电极拉在一起，这样导致挤压类橡胶的板(这些材料本质上是不可压缩的)。这样导致板的电极表面区域扩大，同时伴随板厚度的减小。电致伸缩-嫁接的弹性体的示例具有压电聚乙烯(偏二氟乙烯-三氟-乙烯)共聚物。这种组合物具有产生变化量的铁电-电致伸缩分子复合系统的能力。这些可以作为压电传感器或者甚至电致伸缩致动器。基于垫的EAP的激活优选地利用电信号来提供足以位移的形状方向改变。施加到EAP的电压的极性反转可以提供可逆锁定机制。
适合于用作电活性聚合物的材料可以包括任何本质上绝缘的聚合物或橡胶(或其组合物)，这些聚合物或橡胶(或其组合物)响应于静电力变形或其变形导致电场变化。适合于用作预应变聚合物的示例性材料包括硅弹性体、丙烯酸弹性体、聚氨酯、热塑性弹性体、包括PVDF的共聚物、压敏胶粘剂、含氟弹性体、包括硅和丙烯酸基的聚合物等。例如，包括硅和丙烯酸基的聚合物可以包括包括硅和丙烯酸基的共聚物、包括硅弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物共混物。
可以基于一个或多个材料属性来选择用作电活性聚合物的材料，诸如高电击穿强度、低弹性模量和大弹性可回复变形、高介电常数等。在一个实施例中，选择聚合物以使其具有最多大约100MPa的弹性模量。在另一实施例中，选择聚合物以使其具有大约0.05MPa至大约10MPa的最大致动应力，优选地，在大约0.3MPa至大约3MPa之间。在另一实施例中，选择聚合物以使其具有大约2至大约20之间的介电常数，优选地在大约2.5至大约12之间。本公开不限于这个范围。理想地，如果材料具有高介电常数和高介电强度，则具有在给出范围之上的更高介电常数的材料是可期望的。在任何情况下，电活性聚合物可制成并实施为薄膜。这些薄膜的适当厚度可以在50微米之下。
由于电活性聚合物在高应变可能弯曲，附接在聚合物上的电极也应该在不损害机械或电性能的情况下弯曲。通常，适合使用的电极可以是任何形状和材料，只要它们能够向电活性聚合物提供适当的电压或从电活性聚合物接收适当的电压。电压可以是常数或者随着时间改变。在一个实施例中，电极附在聚合物的表面。附在聚合物的电极优选是顺应的并符合聚合物形状的改变。相应地，本公开可以包括顺应电极，该电极符合其所附的电活性聚合物的形状。电极可以仅施加到电活性聚合物的一部分且根据它们的几何形状限定活性区域。本公开适合使用的各种类型的电极包括：包括金属痕迹和电荷分布层的结构电极；包括平面尺寸的起伏变化的纹理电极；导电润滑脂，诸如碳润滑脂或银润滑脂；胶体悬浮液；高宽高比导电材料，诸如碳纤维和碳纳米管和离子导电材料的混合物。
本公开电极使用的材料可以改变。电极中使用的适当材料可以包括石墨、炭黑、胶体悬浮液、包括银和金的薄金属、银填充和碳填充凝胶和聚合物以及离子或电子导电聚合物。可以理解，特定电极材料可以与特定聚合物很好的工作，但是对于其它聚合物不能同样好的工作。例如，碳纤维与丙烯酸弹性体聚合物很好的工作，而与硅聚合物不能同样好的工作。
活性材料还可以包括压电材料。另外，在特定实施例中，压电材料可以被构造为用于提供快速展开的致动器。如在此使用的，术语“压电”用于描述当施加电势时发生机械变形(改变形状)，或者反之，当机械变形时产生电荷的材料。利用压电材料将使用电信号用于激活。当激活时，压电材料可以以带电状态引起位移。当激活信号中断时，条将呈现其原有形状方向，例如，直的形状方向。
优选地，压电材料放置在弹性金属或陶瓷薄片的条上。条可以是单晶片或双晶片。优选地，条是双晶片，原因是，双晶片通常比单晶片展示更多的位移。
一种类型的单晶片是由外粘贴到弹性的金属箔或条的单个压电元件组成的结构，当以改变电压激活时通过压电元件激励该箔或条，并且由于该箔或条对抗压电元件的运动而导致轴屈曲或弯曲。单晶片的致动运动可以由收缩或膨胀引起。单晶片可以展示高达大约10％的应变，但是通常仅可以相对于单晶片结构的整体尺寸维持低负荷。预应力单晶片的商业示例被称为“THUNDER”，其为用于薄层(Thin)复合单晶片(UNimorph)铁电驱动器(Driver)和传感器(sEnsoR)的首字母缩写。THUNDER是以压电陶瓷层(例如，锆钛酸铅)构造的复合结构，压电陶瓷层被电镀在其两个主面上。金属预应力层通过粘接层(例如，National Aeronautics and Space Administration(NASA)开发的“LaRC-SI
”)粘附在陶瓷层的至少一侧的电镀表面上。在THUNDER致动器的制造期间，陶瓷层、粘接层和第一预应力层被同时加热到胶粘剂的熔点之上的温度，随后允许冷却，从而重新固化和凝固粘接层。在冷却处理期间，由于金属预应力层和粘接层的热收缩系数高于陶瓷层的热收缩系数，因此陶瓷层变得出现应变。另外，由于层压材料的热收缩强于陶瓷层的热收缩，因此陶瓷层变形为具有大致凹面的弧形。
与单晶片压电设备相比，双晶片设备包括夹在两个压电元件之间的中间弹性金属箔。双晶片比单晶片呈现更大的位移，原因是，在施加的电压下，一个陶瓷元件将收缩而另一个膨胀。双晶片可以展示高达大约20％的应变，但是与单晶片类似，通常不能相对于单晶片结构的整体尺寸维持高负荷。
适当的压电材料包括无机化合物、有机化合物和金属。对于有机材料，在分子的主链或侧链上或者在两种链上具有非中心对称结构和一个或多个大的偶极矩组的所有高分子材料可以用作压电薄膜的候选。例如，适合聚合物的示例包括，但不限于，聚(钠4-苯乙烯磺酸盐)(“PSS”)、聚S-119(聚(乙烯胺)骨干偶氮生色团)及其衍生物；聚碳氟化合物，包括聚偏二氟乙烯(“PVDF”)、其共聚物偏二氟乙烯(“VDF”)、三氟乙烯树脂(TrFE)及它们的衍生物；聚氯碳化合物，包括聚(氯乙烯)(“PVC”)、聚偏二氯乙烯(“PVDC”)及它们的衍生物；聚丙烯腈(“PAN”)及其衍生物；多羧酸，包括聚(甲基丙烯酸(“PMA”))及其衍生物；聚尿及其衍生物；聚氨酯(“PU”)及其衍生物；生物聚合物分子，诸如聚-L-乳酸及其衍生物；膜蛋白以及磷酸盐生物分子；聚苯胺及其衍生物；羟化四甲铵的所有衍生物；聚酰亚胺，包括聚酰亚胺薄膜分子和聚醚酰亚胺(“PEI”)及它们的衍生物；所有膜聚合物；聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(“PVP”)均聚物及其衍生物；随机PVP-共-醋酸乙烯酯(“PVAc”)共聚物；在主链或侧链或者在两种链中具有多个偶极矩组的所有芳香聚合物及其混合物。
此外，压电材料可以包括Pt、Pd、Ni、Ti、Cr、Fe、Ag、Au、Cu和金属合金及其混合物。例如，这些压电材料还可以包括金属氧化物，诸如SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、SrTiO3、PbTiO3、BaTiO3、FeO3、Fe3O4、ZnO及其混合物；族VIA和IIB化合物，诸如CdSe、CdS、GaAs、AgCaSe2、ZnSe、GaP、InP、ZnS及其混合物。在没有限制的情况下，适当的激活材料包括形状记忆合金(SMA)、铁磁SMA、形状记忆聚合物(SMP)、压电材料、电活性聚合物(EAP)、磁流变流体和弹性体(MR)和电流变流体(ER)。
用于控制信号和/或致动信号的激活信号可以包括热信号、磁信号、电信号、流体信号、机械信号等并且包括上述信号的至少一个的组合，具体的激活信号取决于激活材料的材料和/或构造。例如，磁和/或电信号可以用于改变由磁致伸缩材料制造的活性材料的属性。热信号可以用于改变由形状记忆合金和/或形状记忆聚合物制造的活性材料的属性。电信号可以用于改变由电活性材料、压电材料、静电和/或离子聚合物金属复合材料制造的活性材料的属性。
尽管已经详细描述了实现本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员将认识到实现本发明的可选设计和实施例落入所附权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种单向离合器，包括：
传动轴，其沿纵轴线延伸且关于纵轴线可旋转，并被构造为向设备施加扭矩；
棘轮，其附接到所述传动轴以关于所述纵轴线随着所述传动轴旋转，并且包括远离所述纵轴线径向向外延伸的多个齿；
毂，其能旋转地联接到所述传动轴以相对于所述传动轴关于所述纵轴线旋转，所述毂包括径向向内朝向所述棘轮延伸的至少一个棘爪；
所述至少一个棘爪能在脱离位置与接合位置之间移动，当处于脱离位置时，所述至少一个棘爪从所述多个齿脱离，当处于接合位置时，所述至少一个棘爪与所述多个齿接合以使所述棘轮和所述传动轴关于所述纵轴线旋转；以及
控制设备，其附接到所述至少一个棘爪，所述控制设备响应于控制信号能在未被致动位置和被致动位置之间移动，其中，当所述控制设备处于所述被致动位置时，所述控制设备将所述至少一个棘爪定位在所述接合位置与所述脱离位置中的一个中，当所述控制设备处于所述未被致动位置时，所述控制设备允许所述至少一个棘爪移动到所述接合位置与所述脱离位置中的另一个中；
还包括致动器，其具有附接到所述毂的第一端和被构造为附接到支撑物的第二端，其中，所述致动器能在未被旋转位置和被旋转位置之间移动，所述被旋转位置用于响应于致动信号使所述毂关于所述纵轴线沿单方向旋转以驱动所述棘轮。
2.如权利要求1所述的离合器，其中，所述控制设备包括活性材料控制设备。
3.如权利要求2所述的离合器，其中，所述控制设备还附接到所述毂，且被构造为响应于所述控制信号施加致动力以将所述至少一个棘爪从所述脱离位置移动到所述接合位置。
4.如权利要求3所述的离合器，其中，所述活性材料控制设备包括从下面的一组活性材料中选择的活性材料：形状记忆合金、压电材料、电活性聚合物、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。
5.如权利要求4所述的离合器，其中，所述控制信号包括从下面的一组信号中选择的信号：热信号、磁信号、电信号、流体信号和机械信号。
6.如权利要求1所述的离合器，其中，所述致动器包括活性材料致动器。
7.如权利要求6所述的离合器，其中，所述活性材料致动器成螺旋形地缠绕在所述毂的外围，且被构造为响应于所述致动信号收缩以使所述毂关于所述纵轴线沿所述单方向旋转。
8.如权利要求7所述的离合器，其中，所述活性材料致动器包括从下面的一组活性材料中选择的活性材料：形状记忆合金、压电材料、电活性聚合物、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。
9.如权利要求8所述的离合器，其中，所述致动信号包括从下面的一组信号中选择的致动信号：热信号、磁信号、电信号、流体信号和机械信号。
10.如权利要求1所述的离合器，其中，所述至少一个棘爪与所述毂由顺应材料一体形成，从而将所述至少一个棘爪偏置到所述脱离位置。
11.如权利要求1所述的离合器，还包括：将所述至少一个棘爪与所述毂互连的可枢转连接，当在所述接合位置与所述脱离位置之间的移动期间所述至少一个棘爪能关于枢转轴线枢转。
12.如权利要求11所述的离合器，还包括：返回设备，其附接到所述至少一个棘爪且被构造为将所述至少一个棘爪偏置到所述脱离位置。
13.如权利要求12所述的离合器，其中，所述返回设备包括弹簧。
14.如权利要求12所述的离合器，其中，所述返回设备包括活性材料返回设备。
15.如权利要求1所述的离合器，还包括：重置设备，其附接到所述毂且被构造为将所述毂偏置到所述未被旋转位置。
16.如权利要求4或8所述的离合器，其中所述形状记忆合金是铁磁性形状记忆合金。
17.一种旋转液压马达，包括：
壳体；
被构造为提供扭矩的输出轴；以及
附接到所述壳体的单向离合器，所述单向离合器包括：
传动轴，其联接到所述输出轴以向所述输出轴提供扭矩，所述传动轴沿纵轴线延伸且关于纵轴线可旋转；
棘轮，其附接到所述传动轴以关于所述纵轴线随着所述传动轴旋转，并且包括远离所述纵轴线径向向外延伸的多个齿；
毂，其能旋转地联接到所述传动轴以相对于所述传动轴关于所述纵轴线旋转，所述毂包括径向向内朝向所述棘轮延伸的至少一个棘爪；
所述至少一个棘爪能在脱离位置与接合位置之间移动，当处于脱离位置时，所述至少一个棘爪从所述多个齿脱离，当处于接合位置时，所述至少一个棘爪与所述多个齿接合以使所述棘轮和所述传动轴关于所述纵轴线旋转；以及
控制设备，其包括活性材料且被附接到所述至少一个棘爪和所述毂，所述控制设备被构造为响应于控制信号施加力以在未被致动位置和被致动位置之间移动，其中，当所述控制设备处于所述被致动位置时，所述控制设备将所述至少一个棘爪定位在所述接合位置与所述脱离位置中的一个中，当所述控制设备处于所述未被致动位置时，所述控制设备允许所述至少一个棘爪移动到所述接合位置与所述脱离位置中的另一个中；以及
致动器，其包括活性材料且被构造为响应于致动信号施加力以使所述毂关于所述纵轴线沿单方向从未被旋转位置旋转到被旋转位置以驱动所述棘轮；
其中，所述致动器成螺旋形地缠绕在所述毂的外围，且包括附接到所述毂的第一端和附接到所述壳体的第二端。
18.如权利要求17所述的马达，其中，所述控制设备和所述致动器的所述活性材料包括从下面的一组活性材料中选择的活性材料：形状记忆合金、压电材料、电活性聚合物、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。
19.如权利要求17所述的马达，其中，所述控制信号和所述致动信号的每一个包括从下面的一组信号中选择的信号：热信号、磁信号、电信号、流体信号和机械信号。
20.如权利要求18所述的马达，其中所述形状记忆合金是铁磁性形状记忆合金。
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