DE102005040879A1

DE102005040879A1 - Stellantrieb

Info

Publication number: DE102005040879A1
Application number: DE200510040879
Authority: DE
Inventors: Tobias Dr.-Ing. Melz; Björn Dipl.-Ing. Seipel; Martin Dipl.-Ing. Thomaier; Thorsten Dipl.-Ing. Koch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-01

Abstract

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Stellglied drahtartig, länglich ausgebildet ist, aus einem Wandlerfestkörperwerkstoff besteht, quer zu dessen Längserstreckung biegeelastisch und in Längserstreckung aktiv längenveränderlich ist, dass das Gehäuse eine starre Führungsbahn wenigstens teilweise umschließt, in die das Stellglied einführbar oder einlegbar ist und in ihrer Längserstreckung formstabil ausgebildet ist, so dass sich bei Längenveränderung des Stellglieds eine Stellkraft zwischen dem Stellglied und dem Gehäuse in Längsrichtung oder entgegen der Längsrichtung des Stellgliedes ausbildet, und dass eine Energieeinheit vorgesehen ist, die dem Stellglied kontrolliert elektrische, magnetische und/oder thermische Energie zur Stellkrafterzeugung zuführt oder entzieht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb mit einem Gehäuse und einem relativ zum Gehäuse beweglich ausgebildeten Stellglied.

Der Einsatz von Wandlerwerkstoffen zur Realisierung von Stellantrieben ist bereits bekannt. So nützt beispielsweise ein in der US 6,326,707 B1 beschriebener Stellantrieb die temperaturabhängige Formänderung eines aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Drahtes, der bei Erwärmung auf eine vorbestimmte Grenztemperatur eine Verkürzung um etwa 8% erfährt, wodurch vergleichsweise große Zugkräfte längs des Stellgliedes generiert werden können. Die entsprechende Aufheizung des Drahtes erfolgt im Wege einer elektrischen Spannungsbeaufschlagung, die sich durch Ohmsche Abwärme einstellt. Der in der vorstehenden US-Schrift beschriebene Stellantrieb sieht eine Teleskopanordnung vor, bei der teleskopartig angeordnete Druckelemente miteinander durch Formgedächtnisdrähte gekoppelt sind, so dass durch Verkürzung der Formgedächtnisdrähte oder kurz SMA-Drähte die einzelnen Druckelemente gegeneinander verschoben werden und sich damit insgesamt eine Längung der Teleskopanordnung ergibt.

Aus der DE 103 01 798 A1 ist gleichfalls ein Stellantrieb mit einer SMA-Aktuatoreinrichtung zu entnehmen, die ein Stellglied aus einer ersten Stellglied-Position in eine Zweite zu verlagern vermag, wobei die einzelnen Stellglied-Positionen in Gegenwart einer entsprechend konfektionierten Arretiereinrichtung durch Einrastungen eingenommen werden, in denen das Stellglied ohne Aktivierung der SMA-Aktuatoreinheit verharrt.

Allen bisher bekannten, die Längenänderung von Wandlerfestkörper-Werkstoffen nutzenden Stellantrieben haftet der Nachteil einer nur unbefriedigenden Integrationsfähigkeit in bestehende Systeme bei hinreichend langer Baulänge des aktiven Materials für eine große Stellwirkung an, zumal sie selbst nur über eine unzureichende kompakte, zumeist längliche Bauform verfügen. Darüber hinaus besteht im Bereich des Anlagenbaus sowie insbesondere im Kraftfahrzeugbereich der Wunsch nach sehr präzise arbeitenden, modular einsetzbaren Stellantrieben, die je nach Einsatzzweck nahezu beliebig ausgeformt sein sollen.

Lösungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Stellantrieb mit einem Gehäuse und einem relativ zum Gehäuse beweglich ausgebildeten Stellglied derart auszubilden, dass das Stellglied drahtartig, länglich ausgebildet ist und aus einem Wandlertestkörper-Werkstoff besteht, der quer zu dessen Längserstreckung biegeelastisch und in Längserstreckung aktiv längenveränderlich ist. Ferner umschließt das Gehäuse wenigstens teilweise eine starre Führungsbahn, in die das Stellglied einführbar oder einlegbar ist und die zudem in ihrer Längserstreckung formstabil ausgebildet ist, so dass sich bei Längenveränderung des Stellglieds eine Stellkraft zwischen dem Stellglied und dem Gehäuse in Längsrichtung oder entgegen der Längsrichtung des Stellgliedes ausbildet. Schließlich ist eine Energieeinheit vorgesehen, die dem Stellglied kontrolliert elektrische, magnetische und/oder thermische Energie zur Stellkrafterzeugung zuführt oder entzieht.

Im Unterschied zum eingangs erläuterten Stand der Technik ist das Stellglied beim lösungsgemäßen Stallantrieb vorzugsweise vollständig als Aktor, d.h. aus Wandlerwerkstoff ausgebildet und in einer starren Führungsbahn zwangsgeführt. Je nach Verwendungszweck des Stellantriebes ist das Gehäuse aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff oder aus einem Kunststoffmaterial gefertigt, in dessen Inneren eine hohle Führungsbahn vorgesehen ist, längs der das drahtartige Stellglied, vorzugsweise in Form eines Drahtes aus Formgedächtnismetall oder aus einer Formgedächtnislegierung, kurz SMA-Draht, eingeführt ist. Die starr innerhalb des Gehäuses vorgegebene Führungsbahn kann sowohl geradlinig ausgebildet sein, weist jedoch zumindest abschnittsweise gekrümmte Führungsbahnverläufe auf, zum Zwecke einer möglichst langen Ausbildung der Führungsbahn durch das Volumen des Gehäuses, zumal sich der SMA-Draht proportional zu seiner Gesamtlänge auszudehnen bzw. zu verkürzen vermag, d.h. je länger der durch die Führungsbahn zwangsgeführte Drahtabschnitt umso größere Stellwege können mit dem Stellantrieb erzielt werden. Durch die starr vorgegebene Führungsbahn ist überdies nicht nur der Stellweg, sondern auch die generierbare Stellkraft exakt einstellbar. Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, zumal das gewählte Gehäusematerial über eine hohe Eigensteifigkeit und über eine damit verbundene geringe Kompressibilität verfügt, so dass die innerhalb des Gehäuses eingebrachte Führungsbahn eine hohe Formstabilität aufweist, die maßgeblich ist für eine präzise Führung des SMA-Drahtes sowie dessen exakt einstellbare Stellweglänge.

Zur Ansteuerung des SMA-Drahtes eignet sich, wie eingangs erwähnt, die kontrollierte Beaufschlagung des Drahtes mit elektrischer Spannung, die im Wege einer durch Ohmsche Abwärme bedingten Erwärmung zu einer Längenverkürzung des SMA-Drahtes von bis zu 8% führt. In diesem Falle der elektrischen Kontaktierung des SMA-Drahtes ist dafür Sorge zu tragen, dass das Gehäusewandmaterial, das die Führungsbahn unmittelbar umgibt, aus nicht oder sehr schlecht leitendem Material besteht. Dies kann durch geeignete Gehäusematerialwahl oder durch eine inwandige Beschichtung der Gehäusekanalwand ermöglicht werden. Auch sollte das die Führungsbahn umgebende Gehäusewandmaterial möglichst thermisch stabil sein, um Materialdegradationen im Wege lokaler Aufschmelzprozesse durch den sich erhitzenden Draht zu vermeiden. Besonders geeignet für derartige Gehäusematerialien sind Metalle, vorzugsweise mit einer inwandigen elektrischen Isolatormaterialbeschichtung, sowie auch keramische Werkstoffe, die zu den bereits genannten vorteilhaften Eigenschaften reibungs- und verschleißfrei in Bezug auf den innen liegend eingeführten SMA-Draht sind.

Alternativ oder in Kombination mit der Maßnahme die innerhalb des Gehäuses vorgesehene Führungsbahn innwandig mit einer zusätzlichen Materialschicht auszukleiden, könnte eine derartige Beschichtung auch auf der Oberfläche des drahtförmig ausgebildeten Stellgliedes vorgesehen werden, sofern die Beschichtung die Eigenschaften des jeweils gewählten Wandlerfestkörper-Werkstoffes nicht nachhaltig beeinflusst.

Zur Herstellung des lösungsgemäßen Stellantriebes eignet sich bspw. bei Verwendung eines geeignet gewählten Kunststoffmaterials das Spritzgussverfahren, mit dem es möglich ist, das Gehäuse samt integrierter Führungsbahn in einem einzigen Prozessschritt zu fertigen. Handelt es sich bei dem Gehäusematerial um metallische Werkstoffe, so können diese im Rahmen entsprechend konfektionierter Gießverfahren in die gewünschte Form gebracht werden, in der zugleich auch die entsprechend dimensionierte und konfektionierte Führungsbahn enthalten ist.

Auch ist es denkbar, das Gehäuse aus wenigstens zwei Gehäusehälften zu fertigen, indem in wenigstens eine Gehäusehälfte durch oberflächigen Materialabtrag die Führungsbahn eingearbeitet wird, die durch ein nachträgliches Zusammenfügen der wenigstens zwei Gehäusehälften in einer vollständig innerhalb des Gehäuses integrierten Führungsbahn resultiert.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Stellentriebs sieht vor, dass die innerhalb des Gehäuses eingebrachte Führungsbahn zwei Enden aufweist, wovon wenigstens ein Ende frei mündet und von dem SMA-Draht überragt wird. Das dem freien Ende des Stellgliedes entgegen gesetzte Drahtende ist hingegen fest mit dem Gehäuse verbunden, so dass im Wege einer elektrischen Energiezufuhr und eine damit verbundene Erwärmung des SMA-Drahtes eine Verkürzung der Drahtlänge hervorgerufen wird, wodurch eine am freien Ende des Stellgliedes abrufbare Zugkraft generiert bzw. mechanische Arbeit verrichtet wird. Kühlt hingegen der SMA-Draht ab, so nimmt der SMA-Draht seine ursprünglich bei Raumtemperatur vorhandene Form an und dehnt sich entsprechend aus. Auf diese Weise kann eine relativ zum Gehäuse wirkende Druckkraft generiert bzw. mechanische Arbeit verrichtet werden.

Um den Modularitätsgedanken des Stellantriebes weiter in den Mittelpunkt zu rücken, sieht eine weitere Ausführungsform die Integration eine die Längung bzw. Verkürzung des Stellgliedes überwachende Ansteuereinheit innerhalb des Gehäuses vor. Alternativ kann die Ansteuereinheit auch an das Gehäuse appliziert werden, um gemeinsam als eine Einheit zusammen mit dem Gehäuse in ein übergeordnetes Gesamtsystem, bspw. in ein Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs, integriert zu werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel sei unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutert, die jedoch den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht beschränken soll.
Aus der einzigen Figur ist ein aufgeschnittenes Gehäuseteil 1 zu entnehmen, dessen oben liegende Schnittebene jener Ebene entspricht, längs der eine Führungsbahn 2 innerhalb des Gehäuses 1 verläuft. Es sei angenommen, dass das Gehäuse 1 aus einem starren Material besteht, das insbesondere im Bereich der Führungsbahn 2 über eine hohe Formstabilität verfügt. Längs der Führungsbahn 2 verläuft der nicht weiter eingezeichnete, vorzugsweise aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Draht, der frei aus dem offenen Ende 3 der Führungsbahn 2 einseitig herausragt, wohingegen am Endpunkt 4 der Führungsbahn 2 der SMA-Draht mit dem Gehäuse 1 befestigt ist. Auf diese Weise bewegt sich das freie Ende des SMA-Drahtes je nach Längungsverhalten relativ zur Öffnung 3 des Gehäuses 1. Die im Ausführungsbeispiel plattenartig ausgebildete Geometrie des Stellantriebes ist unter Maßgabe der Integration des Stellantriebes in ein übergeordnetes Gesamtsystem ausgebildet.
Selbstverständlich ist es möglich, den Verlauf der Führungsbahn auch dreidimensional innerhalb des Gehäuses auszugestalten, um einen möglichst langen Verlauf der Führungsbahn innerhalb des Gehäuses zu erzielen.

1: Gehäuse
2: Führungsbahn
3, 4: Endbereiche der Führungsbahn

Claims

Stellantrieb mit einem Gehäuse und einem relativ zum Gehäuse beweglich ausgebildeten Stellglied, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied drahtartig, länglich ausgebildet ist, aus einem Wandlerfestkörperwerkstoff besteht, quer zu dessen Längserstreckung biegelastisch und in Längserstreckung aktiv längenveränderlich ist, dass das Gehäuse eine starre Führungsbahn wenigstens teilweise umschließt, in die das Stellglied einführbar oder einlegbar ist und in ihrer Längserstreckung formstabil ausgebildet ist, so dass sich bei Längenveränderung des Stellglieds eine Stellkraft zwischen dem Stellglied und dem Gehäuse in Längsrichtung oder entgegen der Längsrichtung des Stellgliedes ausbildet, und dass eine Energieeinheit vorgesehen ist, die dem Stellglied kontrolliert elektrische, magnetische und/oder thermische Energie zur Stellkrafterzeugung zuführt oder entzieht.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandlerfestkörpennrerkstoff aus einem Formgedächtnismaterial, wie einer thermischen oder magnetischen Formgedächtnislegierung besteht.
Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem relativ zum Stellglied starren Material besteht, in das die Führungsbahn eingebracht ist.
Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das Gehäusematerial aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff oder aus einem Kunststoff besteht, und dass das Gehäusematerial die Führungsbahn vollständig ummantelt.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zusammen mit der Führungsbahn in einem Prozessschritt, im Wege eines Spritzguss- oder Gießverfahrens herstellbar ist.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus wenigstens zwei Gehäusehälften besteht, in deren wenigstens eine Gehäusehälfte durch oberflächigen Materialabtrag die Führungsbahn eingebracht ist, die durch Zusammenfügen der wenigstens zwei Gehäusehälften vollständig umschlossen ist.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbahn geradlinig und/oder zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgebildet ist.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbahn längs einer Ebene verläuft oder eine dreidimensional vorgegebene Trajektorie beschreibt.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbahn innerhalb des Gehäuses wenigstens zwei Enden aufweist, wovon wenigstens ein Ende offen mündet, aus dem der Stellantrieb ragt und durch Längung oder Kürzung die Stellwirkung erzeugt.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuereinheit innerhalb des Gehäuses integriert oder an das Gehäuse appliziert ist, die den Stellantrieb mit Energie versorgt, und dass das Gehäuse und die Ansteuereinheit als modulate Einheit ausgebildet sind.
Verwendung des Stellantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als autonom arbeitender Antrieb für eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Stellwegeinstellung mit Wegeinstellzeiten bis hinab in den μ-Sekundenbereich.
Verwendung des Stellantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 10 im Transportmittelbereich, vorzugsweise im Kraftfahrzeugbereich.