CN103375375A - 具有加固结构连接器的活性材料金属丝致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有加固结构连接器的活性材料金属丝致动器。加固活性材料金属丝致动器和结构之间的互连的组件和方法,所述致动器例如是形状记忆合金金属丝,包括产生并接合扩大形成物,所述扩大形成物被固定到所述致动器或与致动器一体形成。

Description

具有加固结构连接器的活性材料金属丝致动器
相关申请
       本专利申请要求2008年10月13日提交的、名称为“ACTIVE MATERIAL ELEMENTS HAVING REINFORCED STRUCTURAL CONNECTORS的美国非临时专利申请12/250148的优先权并且是该申请的部分继续申请。
发明背景
1. 技术领域
            本发明涉及结构连接器和加固结构构件和活性材料金属丝致动器之间的连接的方法,并且更具体地,涉及利用附接到该致动器或形成在该致动器内的扩大形成物的生成和接合的加固连接的组件和方法。
2. 背景技术
            活性材料元件传统上被用于在被激活或去激活时实现结构组件、致动器或智能设备内的重构和/或偏置变化。例如,形状记忆合金(SMA)金属丝经常被用于在激活时在结构构件之间传递载荷并引起结构构件的位移。也就是说,一旦被热激活,合金的晶体结构会重构并且进而引起金属丝收缩;该致动力或重构力仅通过与所联接的构件的连接点被传递到所联接的构件。在提高这种功能中,意识到联结(例如,连接)这些金属丝到结构构件的固定方法起关键作用。
在传统的联结方法中,不带绝缘保持器的O形环黄铜圈压接连接器(图1)被广泛使用。不过,这种方法在本领域产生各种顾虑。例如,在过载条件期间(例如,对从冷停止起动的惯性载荷,在没有过载保护系统时的机械过载等)金属丝的压接部分的打滑是通常经历的故障状况。这种故障进而可引起致动器或被驱动设备的故障。另一顾虑是不一致性和可变性,并且因此不能准确地预测给定致动器中的故障。也就是说,本领域技术人员意识到各个连接由于在寿命中经历正常磨损和撕扯(例如疲劳)而显示出不一致的载荷能力,同时不同的传统连接器由于结构构造而显示出不同的能力。
因此,由于这些和其它的原因,本领域中需要一种改进的联结活性材料元件例如形状记忆金属丝到结构构件的方法,其增加了结构能力并且减少了早期故障的可能性。
发明内容
本发明涉及一种联结活性材料致动器到结构的改进方法,其解决了前述的顾虑。本发明的组件可用于阻止连接点处的故障,同时提供了成本有效并且容易实施的解决方案。一般而言,本发明利用了联接到活性材料致动器的加固连接器和附接到或形成于活性材料致动器内的扩大形成物来增加结构能力、增加耐久性和可靠性并因此改善致动器性能。本发明还可用于减少压接所需要的力并因此可用于减少金属丝中的应力集中。在优选的实施例中,本发明可用于提供非压接连接方法,其减少了在压接过程中对金属丝的潜在损坏,增加了用于给定封装尺寸的活性金属丝长度,并产生了销接的而非固定的端部条件,这进一步减少了金属丝中的应力。
因此,本发明提供了改进的连接组件和/或方法,其提供了相对于传统金属丝致动器连接器的多个优点。在至少一个观察中,其中采用了具有5.782N的最大工作力的形状记忆合金金属丝,传统的压接连接展示了约15N的最大载荷能力,而本发明所推荐的接合工艺产生了约30N的最大载荷能力。最后,除了更高的静态故障载荷,本发明还可用于提供更加一致的故障(即,可预测的)连接,这种连接基于扩大形成物的机械结构,而不是连接器的构造或使用/寿命。
一般来说,本发明记载了受到驱动地附接到结构的活性材料致动器,该致动器可选择性地产生驱动力,并可操作以在预定的时间长度上维持增加的载荷。致动器包括至少一个活性材料金属丝,该金属丝具有最大侧向尺寸,并且可操作以在接触信号或被挡住而不接触该信号时经历基本性质的可逆变化。致动器还包括扩大形成物,其附接到金属丝或与金属丝形成一体并且具有大于金属丝的最大侧向尺寸的第二侧向尺寸。最后,至少一个连接器可固定地连接到该结构,并且联接到金属丝,从而被构造成在力被产生且连接器被连接到所述结构时接合扩大形成物。金属丝和连接器被协作地构造成由于接合扩大形成物而在所述时间长度上维持增加的载荷,其中接合扩大形成物是由第二侧向尺寸引起或增强。
照此,本发明的第二方面涉及加固由结构和活性材料致动器金属丝定义的连接点的方法,其中金属丝具有最大侧向尺寸并且产生了在所述连接点起反作用的驱动力。本发明包括将加固连接器附接到结构,使得该连接器能够将所述力传递到所述结构。金属丝被联接到连接器,从而定义所述连接点,并且产生了附接到金属丝的扩大形成物,使得该扩大形成物具有大于金属丝的最大尺寸的第二侧向尺寸。通过在产生所述力时用连接器接合扩大形成物,给出了可操作以将所述力传递到连接器的通过强度的保持或牵拉。
本发明的其它方面和优点,包括产生和扩大形成物的方法和扩大形成物的示例性构造,将通过下面对优选实施例的详细描述和附图而易于理解。
本发明还提供了如下方案:
方案1. 一种活性材料致动器,其被驱动地接合到结构、选择性地产生驱动力、并且可操作以支撑增加的载荷,所述致动器包括:
至少一个活性材料金属丝,该金属丝具有最大侧向尺寸,并且可操作以在接触信号或被挡住而不接触该信号时经历基本性质的可逆变化;
扩大形成物,其附接到该金属丝或者与该金属丝一体形成,并且具有比所述最大尺寸更大的第二侧向尺寸;以及
至少一个连接器,其可固定地连接到所述结构、联接到所述金属丝、并构造成在所述力被产生且该连接器被连接到所述结构时物理地接合扩大形成物,从而相对于所述结构固定所述至少一个金属丝,
所述至少一个金属丝和连接器被协作地构造成由于接合扩大形成物而支撑增加的载荷,其中接合扩大形成物是由第二侧向尺寸引起或增强。
方案2. 如方案1所述的致动器,其中所述金属丝由形状记忆合金形成。
方案3. 如方案2所述的致动器,其中所述金属丝具有激活开始温度,并且扩大形成物至少部分地由具有比所述金属丝的激活开始温度低的激活结束温度的形状记忆合金形成,使得扩大形成物在所述金属丝之前被热激活。
方案4. 如方案1所述的致动器,其中所述金属丝具有激活模量,并且扩大形成物至少部分地由具有比所述激活模量大的第二模量的材料形成。
方案5. 如方案1所述的致动器,其中所述金属丝具有熔化温度,并且扩大形成物至少部分地由具有比所述金属丝的熔化温度高的第二熔化温度的材料形成。
方案6. 如方案1所述的致动器,其中第二侧向尺寸大于所述金属丝的最大尺寸的两倍。
方案7. 如方案1所述的致动器,其中所述连接器限定了内部空间,该内部空间具有第三侧向尺寸,该第三侧向尺寸大于所述第一尺寸但小于第二尺寸。
方案8. 如方案1所述的致动器,其中所述连接器包括可折叠的壁,所述壁可操作以限定基本上封闭的空间,扩大形成物被插入在该空间内,并且所述壁被压平在扩大形成物上,从而增加接合的表面面积。
方案9. 如方案1所述的致动器,其中多根金属丝协作地限定所述扩大形成物。
方案10. 如方案1所述的致动器,其中金属丝限定远端,并且所述扩大形成物与所述远端间隔开。
方案11. 如方案1所述的致动器,其中金属丝限定远端环,并且所述扩大形成物封闭该环。
方案12. 如方案1所述的致动器,其中连接器是O形环压接部,并且所述扩大形成物是由微脉冲电弧焊机形成的焊珠。
方案13. 如方案1所述的致动器,其中所述连接器包括外形设计独特的环,所述扩大形成物限定焊珠,并且所述环和所述焊珠协作地提供球和座连接。
方案14. 如方案1所述的致动器,其中所述扩大形成物是金属丝的压平部分。
方案15. 如方案14所述的致动器,其中扩大形成物和金属丝具有同质本体。
方案16. 如方案1所述的致动器,其中扩大形成物和连接器协作地提供了抗拉动通过强度,并且扩大形成物具有与连接器的正交接合表面,从而增加了所述抗拉动通过强度。
方案17. 一种加固由结构和活性材料致动器金属丝限定的连接点的方法,其中所述金属丝具有最大侧向尺寸并且产生作用在所述点的驱动力,所述方法包括:
a.将加固连接器接合到所述结构,使得该连接器能够将所述驱动力传递到所述结构;
b.联接所述金属丝到所述连接器,从而限定所述点;
c.产生扩大形成物,其附接到该金属丝或者与该金属丝一体形成,其中所述扩大形成物具有比所述金属丝的最大尺寸更大的第二侧向尺寸;以及
d.在产生所述力时使所述扩大形成物与连接器接合,从而具有抗拉动通过强度或保持强度,所述抗拉动通过强度或保持强度可操作以传递所述力到所述连接器,其中接合所述扩大形成物通过所述第二侧向尺寸引起或增强。
方案18. 如方案17所述的方法,其中步骤c)还包括步骤:接合所述金属丝和微脉冲电弧焊机,从而产生所述扩大形成物。
方案19. 如方案17所述的方法,其中步骤c)在步骤b)之前进行并由此使步骤b)能够实现。
方案20. 如方案17所述的方法,其中步骤c)还包括步骤:将金属丝暴露给激活信号并且作为将金属丝暴露给该信号的结果而产生所述扩大形成物。
附图说明
下面将参照示例性比例尺的附图来具体描述本发明的优选实施例,附图中:
图1是现有技术活性材料致动器的透视图,其包括形状记忆金属丝和O形环压接加固连接器;
图2是根据本发明的优选实施例的活性材料致动器的立面图,其包括形状记忆金属丝、加固连接器,并且在放大视图中,有附接到金属丝的远端的扩大形成物;
图2a是根据本发明优选实施例的O形环压接加固连接器的透视图,其图示了在压接前的敞开翼片,以及形状记忆金属丝,该金属丝具有远端的扩大形成物并被设置在翼片之间;
图3a-d给出了根据本发明优选实施例的演进,其说明了组装活性材料致动器的优选模式,该致动器包括至少一个形状记忆金属丝、加固连接器和在远端形成的扩大形成物;
图4是根据本发明优选实施例的在形状记忆金属丝的远端形成的扩大形成物的立面图,其中该扩大形成物还包括横向于金属丝的外来部分;
图5是根据本发明优选实施例的在形状记忆金属丝的远端形成的扩大形成物的立面图,其中该扩大形成物已经被压成锥形构造;
图6是根据本发明优选实施例的在形状记忆金属丝的远端形成的扩大形成物的立面图,其中该扩大形成物已经通过压平的远端部分形成;
图7是根据本发明优选实施例的活性材料致动器的立面图,其包括至少一个形状记忆金属丝、加固连接器、和扩大形成物,该扩大形成物直接附接到单根金属丝或者形成两根金属丝之间的尾-尾联结;
图8a是根据本发明优选实施例的活性材料致动器的立面图,其包括两根形状记忆金属丝、加固连接器、和扩大形成物,该扩大形成物直接地在远端附接到相对的金属丝从而形成环-环联结;以及
图8b是根据本发明优选实施例的活性材料致动器的立面图,其包括至少一个形状记忆金属丝、加固连接器、和扩大形成物,该扩大形成物直接地在远端附接到单根金属丝以形成环联结。
具体实施方式
参照图1-8b,本公开涉及组件10,该组件包括结构12和本发明的活性材料致动器14,致动器14受驱动地连接到结构12。在本文中使用时,术语“结构”可表示任何本体,或者互连的多部分实体,其功能包括产生、传递或维持载荷,包括锚固基部和/或受驱动的设备或部件。致动器14被有创造性地构造并且因此提出一种将致动器14互连到结构12的方法,以通过扩大形成物16的选择性或持续接合增加连接的结构能力。也就是说,通过利用扩大形成物16的接合,扩大形成物16具有显著大于致动器14的侧向尺寸的侧向尺寸,其中所述接合是由该更大的尺寸引起或增强,其它的传统连接的结构能力被增加和/或改变了故障本质。扩大形成物16可表现为对金属丝14的任何结构改变或添加,这导致侧向尺寸的显著增加,包括结、焊珠、弯曲、隆突、和扁平部分。下面对优选实施例的描述本质上仅仅是示例性的,并决非用于限定本发明、其应用或使用。
术语“活性材料”由本领域技术人员理解可包括任何材料或复合物,其在接触激活信号或不接触激活信号时显示出基本(即、化学或固有物理)性质的可逆变化。可用作本发明的形状记忆材料的合适活性材料具有记忆至少一个属性例如形状的能力,该属性后续可通过应用外部刺激而被唤起。照此,从原始形状的变形只是临时状态。以这种方式,形状记忆材料可响应于激活信号变化到受训形状,由此做功。示例性的形状记忆材料包括形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)、形状记忆陶瓷、电活性聚合物(EAP)、铁磁SMA、电流变(ER)合成物、磁流变(MR)合成物、介电弹性体、离子聚合物金属复合物(IPMC)、压电聚合物、压电陶瓷、前述材料的各种组合、等。
更具体地,形状记忆合金(SMA)通常指的是一组金属材料,其展现出在受到合适的热刺激时恢复到某个先前定义的形状或尺寸的能力。形状记忆合金能够经历相变,在相变中他们的屈服强度、刚度、尺寸和/或形状都因温度而改变。通常,在低温时,或在马氏体相中,形状记忆合金可以被伪塑性变形,并且在接触到某个更高的温度时将变换到奥氏体相,或母相,并且如果没有受到应力的话将恢复到变形之前的形状。
形状记忆合金以若干不同的温度相关的相存在。这些相中最常被利用的是马氏体相和奥氏体相。在下面的讨论中,马氏体相通常指的是更加易变形的、更低温度的相,而奥氏体相通常指的是更刚性的、更高温度的相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时,它开始变为奥氏体相。这种现象开始时的温度经常被称为奥氏体开始温度(As)。这种现象完成时的温度被称为奥氏体结束温度(Af)。
当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时,它开始变为马氏体相,并且这种现象开始时的温度被称为马氏体开始温度(Ms)。奥氏体完成到马氏体转换时的温度称为马氏体结束温度(Mf)。因此,与形状记忆合金一起使用的合适的激活信号是热激活信号,其具有足以引起马氏体相和奥氏体相之间转换的大小。
形状记忆合金可展示出单向形状记忆效应、固有的双向效应、或外来的双向形状记忆效应,这取决于合金的构成和处理历史。退火形状记忆合金通常只展示出单向形状记忆效应。在形状记忆材料的低温变形后的足够加热将引起马氏体相到奥氏体相的转换,并且该材料将恢复到原始的退火形状。因此,单向形状记忆效应仅在加热时观察到。包括展示出单向记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料不会随着温度改变而在两个形状之间来回地自动循环,并且要求外部的机械力来使形状从其记忆的或被教导的几何形状改变。
固有的和外来的双向形状记忆材料的特征在于在从马氏体相加热到奥氏体相时有形状过渡,以及在从奥氏体相冷却回马氏体相时还有形状过渡。展示出固有形状记忆效应的活性材料由形状记忆合金成分制造,这些成分将引起活性材料由于上述的相变而自动地改变它们自己。固有的双向形状记忆行为必须通过处理在形状记忆材料中引起。这种程序包括在处于马氏体相的材料的极限变形、在约束或载荷下的加热-冷却、或者表面改性例如激光退火、抛光或喷丸。一旦该材料已经被训练成展示出双向形状记忆效应,在低温和高温状态之间的形状改变通常是可逆的并且持续很多个热循环。相比之下,展示出外来的双向形状记忆效应的活性材料是复合的或多组成部分材料。它们将展示出单向效应的合金与提供恢复力以改变原始形状的另一元件组合。
形状记忆合金在被加热时记起其高温形式时的温度可通过略微改变合金的构成并通过热处理来调节。在镍-钛形状记忆合金中,例如,其可被从高于约100oC改变到低于约-100oC。形状恢复过程发生在仅有几度的范围上并且转换的开始或结束可被控制在一或两度内,这取决于期望的应用和合金构成。形状记忆合金的机械性质在横跨它们的转换的温度范围上变化剧烈,通常给系统提供形状记忆效应、超弹性效应、和高阻尼能力。
合适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、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-铂基合金、铁-钯基合金等。这些合金可以是二元的、三元的或任何更高阶的,只要合金构成展示出形状记忆效应,例如,形状取向、阻尼能力等的变化。
因此,对于本发明的目的,意识到SMA在倍加热到高于它们的相变温度时展示出约2.5倍的模量增加和高达8%(取决于预应变的量)的尺寸变化。意识到在SMA是单向操作的情况下,会需要偏置力恢复机构(例如弹簧)来将SMA恢复到其起始构造。
在奥氏体相中,在SMA中应力引起的相变展示出超弹性(或伪弹性)行为,该行为指的是SMA在卸载时在以双向方式的显著变形后恢复到其原始形状的能力。也就是说,在SMA处于其奥氏体相时应用增加的应力将引起SMA展示出弹性奥氏体行为,直到其被引起以变化到其更低模量的马氏体相的某个点,在马氏体相中其能展示出高达8%的超弹性变形。去除所应用的应力将引起SMA切换回其奥氏体相,这样做时恢复其起始形状和更高模量,以及在滞后的加载/卸载应力-应变循环中耗散能量。而且,施加外部施加的应力引起马氏体在高于Ms的温度形成。超弹性SMA的应变可以比普通金属合金多数倍而不会发生塑性变形,不过,这只在特定温度范围上被观察到,且最大恢复能力发生在接近Af
意识到焦耳加热可被用于使整个系统可电子控制。在这种构造中,激活信号源(未示出)被可操作地联接到致动器14并且被构造成选择性地(例如,手动地或者响应感测技术)产生激活信号。本领域技术人员意识到,激活信号可以是热、磁、电、化学、和/或其它类似的激活信号或这些激活信号的组合,这取决于所使用的活性材料。例如,源可以是车辆的充电系统(也未示出)。
本发明的致动器14大体上包括至少一个加固连接器18(图1-8b),该连接器18限定了到结构12的连接点,并且给组件10添加了机械强度和应力消除。如在图2中所示,相对的连接器18可被固定地附接到形状记忆金属丝致动器14的每个远端,其中术语“金属丝”包括其它可拉长构造,例如穗、条、缕、缆线、链、薄片等。连接器18结构上被构造成本身在致动时间长度上无故障地承受预期载荷和过载。由此,连接器18由耐久性材料形成,该材料具有足够(抗拉、抗扭、抗剪切等)强度以支撑该载荷,并且提供乐乐到结构12的合适的附接方式(例如,紧固、焊接、键合等)。在应用焦耳加热的情况下,连接器18优选地被构造成将致动器14与结构12和/或金属表面附近电隔离。
例如,连接器18可具有O形环压接部,该压接部除了按如下描述改进外被用传统方式构造。也就是说,连接器18可具有O形的头部部分18,该头部部分可操作以接收螺栓、螺钉、销或其它紧固件,并具有压接部分,该压接部分包括相对的蝶壁或翼片20(图1-2a)。如意识到的,壁20是可折叠的,通过压接过程,从而限定大致围封的空间22。可使用手工工具、终端压接工具、液压机或其它装置对压接部18进行附接。意识到连接器18可被构造成通过传统压接、并通过本发明扩大形成物16的应用来施加保持力,从而可使用更小的连接器18。下面对扩大形成物16进行进一步描述。
在优选实施例中,空间22被构造成压缩并定义在放置在其内的致动器的压接部分24处的保持强度(图1-2a)。这里,保持强度传统上被用于将致动器14和结构12互连,使得仅在过载故障期间才采用下面描述的本发明的益处和方面。也就是说,扩大形成物16仅在压接部分打滑时才接合连接器18。替换地,代替蝶壁20或在蝶壁20的基础上,可通过将携带金属丝14的一个或多个管子或者夹住金属丝14的一个或多个薄片压平来完成压接。
扩大形成物16可通过紧固、键合、浇铸、焊接等被联结到金属丝14,或者与其一体地展示为同质本体。圆珠16可被形成在金属丝14的远端(图2-3),或者形成在纵向内部点(图7)。如图2-5所示,尽管如此,优选的扩大形成物16是附接到金属丝14或者更优选地是形成在金属丝14内的焊珠,其中术语“焊珠”更具体地描述了金属丝14的一部分已被熔化,通过表面张力再成形并且此后被重新固化以形成球状特征。焊珠16可通过可用的传统装置来形成,并且尤其适合于通过微脉冲电弧焊机的适当使用来产生。也就是说,焊珠16可使用传统的微焊机来形成,该微焊机具有适合于例如在约2毫秒的时间长度上以电弧形式提供约6瓦特的功率给0.02cm(即,0.008英寸)直径的SMA金属丝的设置。在优选设置中,具有0.5mm直径的钨电极优选地被用在触针中以形成焊珠16。最终的焊珠16优选地具有是金属丝14的最大侧向尺寸(例如,直径)的至少两倍,并且更优选地至少三倍的直径,使得焊珠16不能通过空间22,即使是在金属丝14能够滑动通过时。例如,对于具有0.02cm的恒定直径的圆柱形形状记忆合金金属丝,优选地采用具有不小于0.04cm(即,0.016英寸)的最大外径的焊珠16。最后,意识到焊接过程使焊珠16退火,从而去除了其形状记忆性能并因此去除了其响应温度变化而收缩的能力。
在产生焊池以形成焊珠16的情况下,外来材料可被添加以产生期望的效果,如本领域技术人员理解的那样。例如,在致动器14包括第一形状记忆合金的情况下,可将具有比第一形状记忆合金更低的转换温度的第二形状记忆合金添加到焊珠16,从而使焊珠16在金属丝14的转换或激活之前就转换到其更高模量或奥氏体相。更具体地,在金属丝14具有激活开始温度的情况下,扩大形成物16至少部分地由具有比金属丝14的激活开始温度低的激活结束温度的形状记忆合金形成,使得扩大形成物16在金属丝14之前被热激活。由此,对拉动通过的阻力(即,“抗拉动通过的强度”)在最需要时被被动地增强。
在图2中,远端球形焊珠16被示出为邻近金属丝14的与该金属丝14的质心相对的压接部分24,其中应意识到在被激活时,产生具有径向向内矢量(远离焊珠16)的驱动力26。在O形环压接部18要么由于疲劳、损坏,要么由于不正确的组装而不能应用克服驱动力26所必需的摩擦保持力到压接部分24时,将促使焊珠16接合折叠的壁22。通过这样做,焊珠16用作使得致动器14能继续正常工作的紧急止动件。意识到由焊珠16提供的抗拉动通过强度源自其成分材料的压缩和剪切强度,并且更具体地,源自焊珠16的几何形状(相对于空间22)和构成,这些随着时间的流逝保持不变并且可预测。意识到在焊珠16的最大侧向尺寸远远(例如,至少50%)大于空间22的最大侧向尺寸时,对于完全故障焊珠16必须通过空间22,由焊珠16提供的抗拉动通过强度远远大于由传统压接提供的保持强度。
本发明的范围当然地包括省略连接器18的压接部件(例如蝶壁20)代之以携带金属丝14的保持环28(图3a-d)。在这种构造中,焊珠16通过选择性地接合环28在所有正常操作过程中应用连接的抗拉动通过强度。该优选的环28提供了倒棱或倒角的边缘28a(图3d)以更加均匀地传递驱动力26并且减少在接合焊珠16时的切割/剪切。意识到在组件10内必须进行限量以确保在期望响应性致动时焊珠16被安置在环28内,以避免延迟。也就是说,例如通过预应变金属丝14应该在激活之前去除组件10内的松弛和/或间隙。不过,在被安置后,还应该意识到球和座构造给致动器提供了改善的运动范围(图3d),这减少了在连接处的应力性破裂断裂的可能性。
如图3a-d所示,构建组件10的优选方法包括第一步骤:使用合适的装置将连接器18附接到结构12。接着,传统的金属丝致动器14被部分地放置在空间22或环28内或从其穿过(图3a)。在预定的距离处,金属丝14被微脉冲电弧焊机接合,从而在远端或在纵向内部点处形成焊珠16(图3b)。意识到金属丝14由于材料被用于形成焊珠16而被缩短。金属丝14和焊珠16然后被拉入到与环28的安置位置或邻近空间22的安置位置,在那里其自由地旋转和摇摆(图3c-d)。意识到外形设计独特的环28仅沿着张力载荷方向约束金属丝14,允许SMA金属丝在致动期间在相反的/垂直的方向上移动/枢转。还意识到由这种连接提供的额外的自由度通过提供销接的而不是固定的端部条件减少了应力水平。在替换的构造模式中,金属丝14可被预先制造成包括扩大形成物16,并且从相对端被引导通过空间22或环28。
在不期望枢转的情况下,优选的扩大形成物16在几何形状上被构造成还通过限定相对于驱动力26的正交取向的接合表面而增加了连接的抗拉动通过强度。该表面具有足够的尺寸(例如,长度、面积等)来横跨或覆盖环28或空间22。在第一示例中,扩大形成物16可还包括横跨金属丝14的短的、刚性部分或杆30(图4)。短部分30可在脉冲电弧焊接过程中被焊接到金属丝14,并且优选地具有比金属丝14更高的模量。在致动由热驱动的情况下,优选的短部分30还具有比金属丝14更高的熔化温度。因此,增加了对拉动通过的机械阻力。替换地,扩大形成物16可限定了焊接形状,该形状的特征在于正交接合表面。例如,在产生焊池的情况下,可使用非粘模具来将焊珠16压成圆锥或棱锥形状(图5),其中所形成的焊珠16的基部具有比空间22的最大侧向尺寸或环28的内部直径更宽的直径。这里,在使扩大形成物16接合连接器18时,圆锥或棱锥将以齐平的方式正交地接合环28,该方式最大化力传递。在优选实施例中,增强的形状(例如圆锥的、棱锥的等)由形状记忆合金金属丝14记忆,使得致动器14的激活进一步产生扩大形成物16。
最后,意识到扩大形成物16的产生不限于焊接过程。例如,金属丝14可被人工地压平以产生具有比金属丝14的其余部分更宽的最大侧向尺寸的部分,而不产生焊池。图6示出了具有压平的远端的金属丝致动器14。
在本发明的另一方面,扩大形成物16可构成致动器14的压接部分24,从而增加致动器14和连接器18之间的接合和机械干涉的表面积(图7-8b)。意识到这种构造尤其适用于具有更小(例如小于0.020cm)直径的金属丝致动器,这是由于已经经历的压接中的困难。在图7-8b中示出的示例性实施例中,扩大形成物16被放置在空间22内,使得O形环压接部18的壁20在被折叠在其上时接合扩大形成物16。这增加了应用到压接部分24的保持强度。再一次,扩大形成物16可被形成在远端或者形成在沿着金属丝14的纵向轮廓的内部位置。对于后者,意识到具有在压接部分24附近的暴露的金属丝14的远端部分有利于正确的对准和放置。而且,意识到扩大形成物16的更大尺寸通过减少了接合金属丝14所必须的精度而有利于组装过程。在这种构造中,扩大形成物16持续地由连接器18接合;尽管经受了与传统上所经受的相同的疲劳和可变打滑条件,然而增加的表面面积产生了更强且更稳健的连接。
作为图7中所示的替代,本发明的范围包括扩大形成物16是端对端地(即,尾对尾联结)连接第一和第二金属丝14a,b的焊点。这里,组件10服务两个目的:形成邻近的金属丝14a,b之间的更强联结(即,减少对联结要求的拉伸能力),并实现到普通结构12的更强连接。而且,意识到可通过交叠金属丝14a,b的远端部分来产生环对环联结,从而进一步增加接合表面面积和保持强度。第一和第二扩大形成物16a,b可通过将第一金属丝14a的远端焊接到沿着第二金属丝14b的轮廓的内部点来形成,反之亦然(图8a)。在图8b中,环联结被类似地示出并有类似的功能,其中单根金属丝14被对折。扩大形成物16连接金属丝14的远端到沿着金属丝14的轮廓的内部点。意识到环或环对环联结可在壁20的任一侧或两侧延伸到压接部分24的外部。
已经参照示例性实施例描述了本发明;本领域技术人员应该理解,在不脱离本发明范围的情况下,可以进行各种修改并且等同方式可用来替换本发明中的元件。例如,尽管参照压接连接器18进行描述和说明,但是应意识到保持强度可通过其它装置来提供,例如环氧树脂等,其中,本发明所提供的内容用于增强该强度。而且,在不脱离本发明的实质范围的情况下,可进行许多改进以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此,并不意图将本发明限定为被认为是实现本发明的最佳模式而公开的特定的实施例,而本意是本发明将包括所有落入所附权利要求的范围内的实施例。
术语“一”和“一个”在本文中不表示对数量的限制,而是表示存在至少一个所述物品。后缀“(s)”在本文中使用时意在包括其所修饰的物品的单数和复数,由此包括该物品的一个或多个。在整个说明书中对“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等的提及指的是参照该实施例描述的特定元素(例如,特征、结构、和/或特点)被包括在本文描述的至少一个实施例中,并且可出现在其它实施例中或者也可不出现。

Claims (10)

1.一种活性材料致动器,其被驱动地接合到结构、选择性地产生驱动力、并且可操作以支撑增加的载荷,所述致动器包括:
至少一个活性材料金属丝,该金属丝具有最大侧向尺寸,并且可操作以在接触信号或被挡住而不接触该信号时经历基本性质的可逆变化;
扩大形成物,其附接到该金属丝或者与该金属丝一体形成,并且具有比所述最大尺寸更大的第二侧向尺寸;以及
至少一个连接器,其可固定地连接到所述结构、联接到所述金属丝、并构造成在所述力被产生且该连接器被连接到所述结构时物理地接合扩大形成物,从而相对于所述结构固定所述至少一个金属丝,
所述至少一个金属丝和连接器被协作地构造成由于接合扩大形成物而支撑增加的载荷,其中接合扩大形成物是由第二侧向尺寸引起或增强。
2.如权利要求1所述的致动器,其中所述金属丝由形状记忆合金形成。
3.如权利要求2所述的致动器,其中所述金属丝具有激活开始温度,并且扩大形成物至少部分地由具有比所述金属丝的激活开始温度低的激活结束温度的形状记忆合金形成,使得扩大形成物在所述金属丝之前被热激活。
4.如权利要求1所述的致动器,其中所述金属丝具有激活模量,并且扩大形成物至少部分地由具有比所述激活模量大的第二模量的材料形成。
5.如权利要求1所述的致动器,其中所述金属丝具有熔化温度,并且扩大形成物至少部分地由具有比所述金属丝的熔化温度高的第二熔化温度的材料形成。
6.如权利要求1所述的致动器,其中第二侧向尺寸大于所述金属丝的最大尺寸的两倍。
7.如权利要求1所述的致动器,其中所述连接器限定了内部空间,该内部空间具有第三侧向尺寸,该第三侧向尺寸大于所述第一尺寸但小于第二尺寸。
8.如权利要求1所述的致动器,其中所述连接器包括可折叠的壁,所述壁可操作以限定基本上封闭的空间,扩大形成物被插入在该空间内,并且所述壁被压平在扩大形成物上,从而增加接合的表面面积。
9.如权利要求1所述的致动器,其中多根金属丝协作地限定所述扩大形成物。
10.一种加固由结构和活性材料致动器金属丝限定的连接点的方法,其中所述金属丝具有最大侧向尺寸并且产生作用在所述点的驱动力,所述方法包括:
a.将加固连接器接合到所述结构,使得该连接器能够将所述驱动力传递到所述结构;
b.联接所述金属丝到所述连接器,从而限定所述点;
c.产生扩大形成物,其附接到该金属丝或者与该金属丝一体形成,其中所述扩大形成物具有比所述金属丝的最大尺寸更大的第二侧向尺寸;以及
d.在产生所述力时使所述扩大形成物与连接器接合,从而具有抗拉动通过强度或保持强度,所述抗拉动通过强度或保持强度可操作以传递所述力到所述连接器,其中接合所述扩大形成物通过所述第二侧向尺寸引起或增强。
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