DE102008038813A1

DE102008038813A1 - Körper auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren von Reibungskraftniveaus an der Grenzfläche zwischen zwei Oberflächen

Info

Publication number: DE102008038813A1
Application number: DE102008038813A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Grosse Pointe Browne; Nancy L. Northville Johnson; Nilesh D. Ann Arbor Mankame; William Ventura Barvosa-Carter; Norman K. Troy Bucknor; Christopher P. Newbury Park Henry; Geoffrey P. Los Angeles Mc Knight; Guillermo A. Winnetka Herrera; Andrew C. Encino Keefe
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2028-08-14
Also published as: CN101368664B; DE102008038813B4; CN101368664A; US8550222B2; US20090045042A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum selektiven Steuern und Variieren eines Reibungskraftniveaus an einer Grenzfläche zwischen zwei Körpern umfasst einen ersten Kontaktkörper mit zumindest einer Oberfläche, einen zweiten Kontaktkörper mit zumindest einer Oberfläche in physikalischer Verbindung mit dem ersten Kontaktkörper und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit einem ausgewählten oder beiden von dem ersten Kontaktkörper und dem zweiten Kontaktkörper, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um das Reibungskraftniveau an der Grenzfläche zwischen der zumindest einen Oberfläche des ersten Kontaktkörpers und der zumindest einen Oberfläche des zweiten Kontaktkörpers zu ändern.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Offenlegung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern und Variieren von Reibungskraftniveaus an einer Grenzfläche zwischen den Oberflächen von zwei Körpern.
Verschiedene Vorrichtungen oder Prozesse beruhen auf der Erzeugung oder Beseitigung einer Reibungskraft zwischen zwei entgegengesetzten Kontaktflächen von zwei Körpern, um eine/n spezifische/n Funktion oder Betrieb auszuführen. Beispielhafte Vorrichtungen mit Oberflächen, die ausgebildet sind, um eine Reibungskraft zu entwickeln oder zu beseitigen, umfassen Kupplungen, Bremsen (Trommelbremsen, Scheibenbremsen und dergleichen), Lager, Traktionsvorrichtungen, Vorrichtungen, die ein Fluid über oder zwischen Oberflächen steuern, Reifen, mechanische Dichtungen, Einspannvorrichtungen und dergleichen. Viele dieser Vorrichtungen sind nicht in der Lage, entweder das Reibungskraftniveau zu steuern oder das Reibungskraftniveau durch Anpassen der Geschwindigkeit von zumindest einer der Kontaktflächen oder einer durch diese ausgeübte Normalkraft zu steuern.
Bestehende Vorrichtungen verwenden Aktuatoren und Motoren, um relative Geschwindigkeiten von zumindest einer der Kontaktflächen und/oder durch diese ausgeübte Normalkräfte zu ändern. Zum Beispiel können Bremsaktuatoren eine Normalkraft zwischen Bremsklötzen ändern, um Reibungskraftniveaus zu ändern. Heutige Vorrichtungen zum Ändern von Reibungskraftniveaus können jedoch aufgrund der hohen Kosten für separate Aktuatoren und Motoren kostspielig sein. Ferner können andere betriebliche oder funktionelle Notwendigkeiten unter Umständen nicht zulassen, dass Aktuatoren und Motoren verwendet werden, um Reibungskraftniveaus zu steuern.
Demgemäß besteht weiterhin Bedarf an verbesserten Vorrichtungen und Verfahren zum Steuern der Reibungskraft an der Grenzfläche von zwei in Kontakt stehenden Körpern.
Kurzzusammenfassung
Hierin offenbart sind beispielhafte Ausführungsformen von Vorrichtungen und Verfahren zum Steuern eines zwischen einem ersten Kontaktkörper und einem zweiten Kontaktkörper erzeugten Reibungskraftniveaus. Eine Vorrichtung zum selektiven Steuern und Variieren eines Reibungskraftniveaus an einer Grenzfläche zwischen zwei Körpern umfasst einen ersten Kontaktkörper mit zumindest einer Oberfläche, einen zweiten Kontaktkörper mit zumindest einer Oberfläche in physikalischer Verbindung mit dem ersten Kontaktkörper und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit einem ausgewählten oder beiden von dem ersten Kontaktkörper und dem zweiten Kontaktkörper, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um das Reibungskraftniveau an der Grenzfläche zwischen der zumindest einen Oberfläche des ersten Kontaktkörpers und der zumindest einen Oberfläche des zweiten Kontaktkörpers zu ändern.
Eine Einspannvorrichtung umfasst einen ersten Kontaktkörper mit einer Kontaktfläche, einen zweiten Kontaktkörper, der dem ersten Kontaktkör per entgegengesetzt angeordnet ist und eine Kontaktfläche aufweist, die zu der Kontaktfläche des ersten Kontaktkörpers weist, wobei die Kombination aus dem ersten und dem zweiten Kontaktkörper ausgebildet ist, um einen Gegenstand zu halten, und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit einem ausgewählten oder beiden von dem ersten Kontaktkörper und dem zweiten Kontaktkörper, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um das Reibungskraftniveau zwischen dem ersten und zweiten Kontaktkörper und dem Gegenstand zu ändern, wodurch das Kraftniveau zum Zurückhalten des Gegenstandes vor einer relativen Bewegung in Bezug auf die Einspannvorrichtung geändert ist.
Ein Verfahren zum Steuern eines Reibungskraftniveaus an der Grenzfläche zwischen einem ersten Kontaktkörper und einem zweiten Kontaktkörper umfasst, dass eine erste Kontaktfläche des ersten Kontaktkörpers und eine zweite Kontaktfläche des zweiten Kontaktkörpers in Kontakt gebracht werden, um ein Reibungskraftniveau zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche zu erzeugen, und ein Aktivierungssignal an ein aktives Material angelegt wird und eine Änderung einer Eigenschaft des aktiven Materials bewirkt wird, wobei das aktive Material in funktioneller Verbindung mit dem ersten Kontaktkörper steht, und wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um das Reibungskraftniveau zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche zu ändern.
Die oben beschriebenen und weitere Merkmale sind durch die nachfolgenden Fig. und die detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig., die beispielhafte Ausführungsformen sind und in denen gleiche Elemente gleich bezeichnet sind, ist:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials, die den Kontaktkörper auf der Basis eines aktiven Materials mit (a) einer isotropen Reibungsfläche in physikalischer Verbindung mit einem zweiten Kontaktkörper und (b) einer anisotropen Reibungsfläche in physikalischer Verbindung mit einem zweiten Kontaktkörper zeigt;
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren von Reibungskraftniveaus, die den Kontaktkörper auf der Basis eines aktiven Materials mit zwei Reibungselementen zeigt, die (a) ein erstes Reibungskraftniveau und (b) ein zweites Reibungskraftniveau besitzen;
3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren von Reibungskraftniveaus über die Steuerung einer Fluidströmung, welche die Oberfläche des Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials in (a) einer ersten Position und (b) einer zweiten Position zeigt;
4 eine schematische Darstellung eines Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren von Reibungskraftniveaus, welche die Oberfläche des Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials mit (a) einem ersten Gleitrei bungskoeffizienten und (b) einem zweiten Rollreibungskoeffizienten zeigt;
5 eine schematische Darstellung eines Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren von Reibungskraftniveaus, welche den Kontaktkörper auf der Basis eines aktiven Materials mit zwei Schichten zeigt, wobei (a) eine Oberfläche einen ersten Reibungskoeffizienten besitzt und (b) eine weitere Oberfläche einen zweiten Reibungskoeffizienten besitzt;
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren von Reibungskraftniveaus, welche die Oberfläche des Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials mit (a) einem ersten Reibungskoeffizienten und (b) einem zweiten Reibungskoeffizienten zeigt;
7 eine schematische Darstellung eines Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren von Reibungskraftniveaus, welche den Kontaktkörper auf der Basis eines aktiven Materials zeigt, der (a) eine erste Normalkraft auf einen zweiten Kontaktkörper (die Null beträgt, wie in der Abbildung in 7a gezeigt) und (b) eine zweite Normalkraft auf den zweiten Kontaktkörper aufbringt;
8 eine schematische Darstellung eines Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren von Reibungskraftniveaus, welche den Kontaktkörper auf der Basis eines aktiven Materials mit (a) einer ersten Kontaktfläche (mit offe nen Öffnungen oder Löchern oder anderen Arten von Durchlässen) und (b) einer zweiten Kontaktfläche (mit geschlossenen Öffnungen, Löchern etc.) zeigt;
9 eine schematische Darstellung eines Kontaktkörpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren von Reibungskraftniveaus, welche den Kontaktkörper auf der Basis eines aktiven Materials in einer Position mit einem Orientierungswinkel Tetha relativ zu der Position eines zweiten Kontaktkörpers zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Hierin sind Verfahren und Vorrichtungen zum Variieren einer Oberflächenstruktur und Steuern der Reibungskraft an Grenzflächen zwischen Kontaktkörpern beschrieben. Im Gegensatz zum Stand der Technik verwenden die hierin offenbarten Verfahren und Vorrichtungen vorteilhafterweise aktive Materialien, um die an einer Grenzfläche zwischen zwei oder mehreren Körpern erzeugte Reibungskraft zu modifizieren. Eine Komponente aus einem aktiven Material der Vorrichtung lässt eine Steuerung der Reibungskraft durch Variieren der Oberflächenmorphologie, der Orientierung, der aufgebrachten Normalkraft und dergleichen der Komponente aus einem aktiven Material über eine Änderung einer Eigenschaft des aktiven Materials nach Empfang eines Aktivierungssignals zu. Diese Änderung kann, abhängig vom Wesen der Änderung des aktiven Materials und/oder dem Vorhandensein eines Vorspann- oder Rückstellmechanismus, entweder reversibel oder permanent sein. Der Begriff „aktives Material", wie hierin verwendet, bezieht sich allgemein auf ein Material, das nach Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft wie z. B. einer Abmessung, einer Form, einer Orientierung, einer Scher kraft, einer Phase, eines Elastizitätsmoduls, eines Biegemoduls, einer Fließgrenze, einer Steifigkeit und dergleichen zeigt. Geeignete aktive Materialien umfassen ohne Einschränkung Formgedächtnislegierungen (SMAs), ferromagnetische Formgedächtnislegierungen (MSMAs), elektroaktive Polymere (EAPs), piezoelektrische Materialien, magnetorheologische (MR) Elastomere, elektrorheologische (ER) Elastomere, elektrostriktive Materialien, magnetostriktive Materialien und dergleichen. Abhängig von dem speziellen aktiven Material kann das Aktivierungssignal ohne Einschränkung die Form eines elektrischen Stromes, eines elektrischen Feldes (Spannung), einer Temperaturänderung, eines magnetischen Feldes, einer mechanischen Belastung oder Spannung (wie z. B. eine Superelastizität einer SMA), eine Änderung der Chemie (z. B. eine pH-Änderung) und dergleichen besitzen.
Wie hierin verwendet, bezeichnen die Begriffe „erste/r/s", „zweite/r/s" und dergleichen auch keinerlei Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern dienen vielmehr dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe „der/die/das", „ein/e" bezeichnen keine Begrenzung einer Menge, sondern bezeichnen das Vorhandensein von zumindest einem der Elemente, auf die Bezug genommen wird. Darüber hinaus schließen alle Bereiche, die sich auf dieselbe Menge einer vorhandenen Komponente oder eine Abmessung beziehen, die Endpunkte ein und sind einzeln kombinierbar.
Eine Vorrichtung zum selektiven Steuern und Variieren eines Reibungskraftniveaus an einer Grenzfläche zwischen zwei Körpern umfasst einen ersten Kontaktkörper mit zumindest einer Oberfläche, einen zweiten Kontaktkörper mit zumindest einer Oberfläche in physikalischer Verbindung mit dem ersten Kontaktkörper und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit einem ausgewählten oder beiden von dem ersten Kon taktkörper und dem zweiten Kontaktkörper, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um das Reibungskraftniveau an der Grenzfläche zwischen der zumindest einen Oberfläche des ersten Kontaktkörpers und der zumindest einen Oberfläche des zweiten Kontaktkörpers zu ändern.
Die Vorrichtungen zum selektiven Steuern und Variieren von Reibungskraftniveaus an einer Grenzfläche zwischen zwei Körpern, wie hierin offenbart, können in jeder Anwendung eingesetzt werden, die durch Reibung negativ oder positiv beeinflusst wird, wie z. B. Traktionsvorrichtungen, Kupplungen, Bremsen, Lagern, Einspannvorrichtungen und dergleichen. Als ein Beispiel wird/werden in einer Ausführungsform ein oder mehrere Körper auf der Basis eines aktiven Materials verwendet, um eine Zapfenlagerleistung zu modifizieren. Das Grenzflächenprofil zwischen dem Zapfen und dem Lager kann reversibel verstellbar sein, indem aktive Materialien verwendet werden, um das Radialspiel zwischen dem Zapfengehäuse und dem Lager zu ändern. Wenn sich das Radialspiel zwischen dem Zapfen und dem Lager unter einem Minimumschwellenwert verringert hat, sodass die Schmiermitteldicke zu gering ist und das Lager unerwünschte Wärmegrade entwickelt, kann das Spiel z. B. erhöht werden, indem die jeweiligen Grenzflächenprofile des Zapfens und des Lagers geändert werden. Hingegen kann, wenn das Radialspiel zu groß ist, sodass das Lager unerwünschte Geräuschpegel entwickelt, das Spiel verringert werden, indem die jeweiligen Grenzflächenprofile des Zapfens und des Lagers geändert werden. In einem weiteren Beispiel können die Körper auf der Basis eines aktiven Materials verwendet werden, um eine Strömungsrate, ein Volumen und dergleichen eines Fluids oder Gases zwischen zwei Oberflächen zu steuern.
Dies sind nur einige der vielen Beispiele, bei denen die Fähigkeit, die Reibungskräfte anzupassen und/oder die Struktur einer Oberfläche zu variieren, vorteilhaft wären. Weitere Anwendungen, die in vorteilhafter Weise Gebrauch von der unten stehend offenbarten Ausführungsformen des Körpers auf der Basis eines aktiven Materials und Verfahren machen könnten, werden dem Fachmann bekannt sein und können ohne Einschränkung das Steuern des Schlupfbetrages in einem Antrieb mit variabler Drehzahl, die Wirkung als eine Kupplung an einer Grenzfläche, das Einrasten und Lösen von Wählknöpfen, die Erhöhung der Traktion auf rutschigen Oberflächen z. B. durch Strukturieren einer Schuhsole beim Gehen über Eis, das Strukturieren einer Reifenoberfläche nach Bedarf, das Strukturieren eines Sicherheitsgurts oder einer Sitzfläche, um eine Gleitreibung zu erhöhen, das Strukturieren von Griffen an Werkzeugen, Sportausrüstungen und dergleichen, um den Halt zu verbessern, das Verringern einer Struktur, um eine mechanische Verblockung zwischen Oberflächen zu beseitigen (d. h. eine Traktion auf Null zu reduzieren), um eine relative Bewegung wie z. B. bei einer Demontage zuzulassen, das Erhöhen einer Struktur relativ zu einem Reifenverschleiß, um ein konstantes Traktionsniveau aufrechtzuerhalten, und weitere ähnliche Anwendungen umfassen. Darüber hinaus sollte einzusehen sein, dass die Oberflächenstruktur und/oder Reibungskraftniveaus der Oberfläche durch aktive Materialien in Verbindung mit dem Körper, der die Oberfläche aufweist, gesteuert ist. Überdies sollte einzusehen sein, dass, während bestimmte Verfahren unter Bezugnahme auf spezifische aktive Materialien beschrieben wurden, jedes beliebige aktive Material zur Verwendung für ein/e bestimmte/s Anwendung und Verfahren geeignet sein kann und von den physikalischen Eigenschaften der Materialien abhängig sein kann. Die aktiven Materialien können auch jede physikalische Form annehmen wie z. B. porös, fest, in einem zweiten Material eingebettet (zufällig oder orientiert), ein Laminat, ein Gitter, Partikel, Fasern und dergleichen.
Das aktive Material kann zumindest eine Eigenschaft in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal ändern und zu dem ursprünglichen Zustand der zumindest einen Eigenschaft nach Unterbrechen des Aktivierungssignals zurückkehren, oder, für die Klassen von aktiven Materialien, die nach Unterbrechen des Aktivierungssignals nicht automatisch zurückkehren, können alternative Mittel verwendet werden, um die aktiven Materialien in ihren ursprünglichen Zustand zurückzubringen. Auf diese Weise fungieren die Körper auf der Basis eines aktiven Materials, um sich an sich ändernde Bedingungen anzupassen, während die Einfachheit einer Vorrichtung erhöht und die Ausfallhäufigkeit reduziert ist.
Die Aktivierung der aktiven Materialien kann auch derart ausgebildet sein, dass sie mit der Zeit variiert. Außerdem kann die mit der Zeit variierende Aktivierung kontinuierlich erfolgen, wobei das aktive Material eine Eigenschaft mit der zeitlichen Veränderung des Aktivierungssignals ändert, im Gegensatz zu einer nicht variierenden Aktivierung, bei der das aktive Material eine Eigenschaft zwischen zwei diskreten Aktivierungszuständen ändert. Die oben angeführten geeigneten aktiven Materialien zur Verwendung in den Körpern auf der Basis eines aktiven Materials werden unten stehend in größerem Detail erläutert.
Mit dem Körper auf der Basis eines aktiven Materials gekoppelt und in funktioneller Verbindung mit diesem ist eine Aktivierungsvorrichtung, die mit einem Steuersystem verbunden sein kann. Die Aktivierungsvorrichtung dient dazu, ein Aktivierungssignal selektiv an den/die Körper auf der Basis eines aktiven Materials bereitzustellen und das Reibungskraftniveau zwischen zwei in Kontakt stehenden Körpern durch Ändern zumindest einer Eigenschaft des/der aktiven Materials/ien zu andern. Die Aktivierungsvorrichtung kann ausgebildet sein, um das Wesen der Änderung der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials und daher die Änderung des Reibungskraftniveaus an der Grenzfläche zwischen zwei Oberflächen der Körper zu steuern. Beispiele für das steuerbare Wesen der Änderung umfassen ohne Einschränkung eine Änderung einer Form, eine Änderung einer Orientierung, eine Änderung von Nachgiebigkeitseigenschaften, eine Änderung der aufgebrachten Normalkraft und derartige Änderungen des Körpers auf der Basis eines aktiven Materials. Zum Beispiel kann das aktive Material zumindest eine Eigenschaft, z. B. während der Anwendung einer Bremse oder das Einrücken einer Kupplung, ändern. Die Aktivierungsvorrichtung stellt bei Bedarf das/den Aktivierungssignal oder -reiz an das aktive Material des Körpers auf der Basis eines aktiven Materials bereit, um die Änderung eines Merkmals wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf die Reibungskraft zumindest eines Abschnitts der Oberfläche des Körpers zu bewirken. In einer Ausführungsform bleibt die Änderung eines Merkmals allgemein für die Dauer des angelegten Aktivierungssignals erhalten. Nach Unterbrechen des Aktivierungssignals kehrt das aktive Material allgemein in eine deaktivierte Form zurück und kehrt im Wesentlichen zu der mindestens einen ursprünglichen Eigenschaft zurück und bringt somit den Körper auf der Basis eines aktiven Materials und daher das Reibungskraftniveau zu dem ursprünglichen Grenzflächen-Kraftniveau zurück. In einer weiteren Ausführungsform kann die Änderung zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials und/oder eines Merkmals zumindest eines Abschnitts des Körpers auf der Basis eines aktiven Materials nach Unterbrechen des Aktivierungssignals erhalten bleiben. Die unten stehend beschriebenen Ausführungsformen sind rein beispielhaft und sollen auf kein/e bestimmte/s Form, Größe, Abmessung oder Konfiguration, Material oder dergleichen beschränkt sein.
Alternativ kann das Aktivierungssignal an das aktive Material passiv anstatt durch die Verwendung einer Aktivierungsvorrichtung angelegt wer den. Auf diese Weise kann das Aktivierungssignal durch die Umgebung bereitgestellt sein, in welcher der Körper auf der Basis eines aktiven Materials angeordnet ist. Eine Änderung zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials kann daher passiv aktiviert sein. Als ein erstes Beispiel wird im Fall einer ferromagnetischen SMA oder magnetostriktiver Materialien im Allgemeinen die Einwirkung eines magnetischen Feldes Abmessungsänderungen in diesen aktiven Materialien bewirken, die, wenn sie geeignet angeordnet oder ausgebildet sind, entweder zu einer Erhöhung oder einer Verringerung der Reibungskraft an der Grenzfläche mit einem zweiten Körper führen werden. Als ein zweites Beispiel dehnt sich eine Dichtungskappe an einem Flüssigkeitsbehälter wie z. B. einer Gasflasche aus, wenn sie einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, wodurch die Dichtung der Kappe von der Flasche freigegeben wird, sodass Überdruck entweichen kann. In einem weiteren Beispiel kann ein Körper auf der Basis eines aktiven Materials in einer Kupplungsanwendung verwendet werden, wobei das aktive Material passiv aktiviert werden kann, wenn die Umgebungstemperatur ein vorbestimmtes Niveau überschreitet. Das aktivierte aktive Material kann dann die Struktur des Körpers erhöhen und dadurch die Kupplung eines Entlüftungs/Zirkulationsgebläses/ventilators einrücken, um ein System wie z. B. den Motor eines Kraftfahrzeuges zu kühlen.
Mehrere Ausführungsformen der Vorrichtungen auf der Basis eines aktiven Materials und Verfahren zum Variieren von Reibungseigenschaften eines Körpers und damit der Grenzflächen-Kraftniveaus zwischen dem Körper und einem zweiten Körper sind unten stehend offenbart. In jeder der Fig. ist die spezielle Ausführungsform der einfachen Erläuterung wegen und zum Verständnis der Funktion der speziellen Anwendung mit der Komponente aus einem aktiven Material in sowohl einem (a) aktivierten Zustand als auch (b) einem deaktivierten Zustand gezeigt. Überdies sollte einzusehen sein, dass ein ausgewählter oder mehrere der in Kontakt stehenden Körper aktive Materialen umfassen kann/können.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 ist ein erster Kontaktkörper 10 auf der Basis eines aktiven Materials mit einer anpassbaren Oberflächenmorphologie veranschaulicht. Der erste Körper 10 weist eine Kontaktfläche 12 auf, die ein aktives Material umfasst. Ein zweiter Kontaktkörper 20, der ein aktives Material umfassen kann oder nicht, steht in physikalischer Verbindung mit dem Kontaktkörper 10 auf der Basis eines aktiven Materials und ein erstes Reibungskraftniveau ist an der Grenzfläche 16 zwischen der Kontaktfläche 12 und dem zweiten Körper 20 vorhanden. 1 veranschaulicht, wie die Änderung der Oberflächenmorphologie des Kontaktkörpers 10 auf der Basis eines aktiven Materials den zweiten Kontaktkörper 20 beeinflusst. Wenn sich das aktive Material in der Kontaktfläche 12 in einem deaktivierten Zustand befindet, wie in 1(a) gezeigt, ist der Kontaktbereich zwischen dem Kontaktkörper 10 auf der Basis eines aktiven Materials und dem zweiten Kontaktkörper 20 maximiert und eine erste Reibungskraft ist vorhanden. Wenn das aktive Material aktiviert wird, ändert sich die Form der Kontaktfläche 12, zum Beispiel faltet sie sich, wodurch die Oberflächenmorphologie des ersten Kontaktkörpers 10 wesentlich verändert wird und der Kontaktbereich mit dem zweiten Kontaktkörper 20 reduziert wird, wie in 2(b) gezeigt. Die Reduktion des Kontaktbereiches erzeugt ein zweites Reibungskraftniveau an der Grenzfläche des ersten Kontaktkörpers 10 und des zweiten Kontaktkörpers 20.
Des Weiteren wechselt die Kontaktfläche 12 durch Ändern der Form von einer isotropen Reibungsfläche (1(a)) zu einer anisotropen Reibungsfläche (1(b)). Wenn er deaktiviert ist, besitzt der erste Kontaktkörper 10 eine isotrope Reibungsfläche mit einem Reibungskoeffizienten der im Wesentlichen gleich ist, unabhängig von der Richtung, in der sich der ers te Kontaktkörper 10 relativ zu dem zweiten Kontaktkörper 20 bewegt. Wenn er sich in einem aktivierten Zustand befindet, besitzt der erste Kontaktkörper 10 eine anisotrope Reibungsfläche mit einem Reibungskoeffizienten, der auf der Basis der Richtung variiert, in der sich der Kontaktkörper 10 relativ zu dem zweiten Kontaktkörper 20 bewegt. Wenn z. B. der Kontaktkörper 10 aktiviert ist und die Kontaktfläche 12 die Form ändert, besitzen der Kontaktkörper 10 und der zweite Kontaktkörper 20 einen ersten Reibungskoeffizienten, wenn sich der zweite Kontaktkörper in der Richtung bewegt, die parallel zu der allgemeinen Richtung steht, in der sich die erhöhten „Falten" erstrecken, und besitzen einen zweiten Reibungskoeffizienten, wenn sich der zweite Körper in der Richtung bewegt, die rechtwinklig zu der allgemeinen Richtung steht, in der sich die erhöhten „Falten" erstrecken.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann der erste Kontaktkörper 10 auf der Basis eines aktiven Materials die Reibungskraftniveaus zwischen sich und dem zweiten Kontaktkörper 20 andern, wenn das aktive Material nach Empfang eines Aktivierungssignals aktiviert ist. In den hierin offenbarten Ausführungsformen können die Aktivierungssignale aktiv oder passiv sein. Wie in 1 gezeigt, stellt eine Aktivierungsvorrichtung 18 das Aktivierungssignal an den ersten Kontaktkörper 10 auf der Basis eines aktiven Materials bereit. Das von der Aktivierungsvorrichtung 18 bereitgestellte Aktivierungssignal kann ein Wärmesignal, ein magnetisches Signal, ein elektrisches Signal, ein pneumatisches Signal, ein mechanisches Signal, ein chemisches Signal und dergleichen und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden Signale umfassen, wobei das spezielle Aktivierungssignal von den Materialien und/oder der Ausgestaltung des aktiven Materials abhängig ist. Zum Beispiel kann ein Wärmesignal angelegt werden, um die Eigenschaft des aus einer SMA und/oder einem SMP hergestellten aktiven Materials zu ändern. Ein elektrisches Signal kann angelegt werden, um die Eigenschaft des aus einem EAP, piezoelektrischen Materialien, elektrostriktiven Materialien und/oder elektronischen EAPs hergestellten aktiven Materials zu ändern. Ein magnetisches Feld kann angewendet (entfernt oder geändert) werden, um die Eigenschaft des aus magnetostriktiven Materialien wie z. B. MSMA, Terfenol D, Galfenol und MR-Elstomeren hergestellten aktiven Materials zu ändern.
Wendet man sich nun 2 zu, ist eine weitere Ausführungsform eines Kontaktkörpers 40 auf der Basis eines aktiven Materials veranschaulicht. Der Kontaktkörper 40 fungiert auf eine Weise, die der des oben beschriebenen ersten Kontaktkörpers 10 ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass in dieser Ausführungsform die Kontaktfläche 41 zwei Reibungselemente 42 und 44 umfasst. Der Kontaktkörper 40 umfasst eine Schicht 46 aus einem aktiven Material, wobei das erste Reibungselement 42 innerhalb der Schicht 46 aus einem aktiven Material angeordnet ist und durch die Kontaktfläche 42 hindurch vorsteht, während das zweite Reibungselement 44 auf der Kontaktfläche 41 der Schicht angeordnet ist. Die Schicht 46 aus einem aktiven Material ist ausgebildet, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren. Wenn die Schicht 46 aus einem aktiven Material z. B. ein SMP umfasst, kann das SMP von einem ersten Steifigkeitsniveau zu einem zweiten Steifigkeitsniveau wechseln, wenn das thermische Aktivierungssignal das SMP über die Glasumwandlungstemperatur erwärmt. Wenn die SMP-Schicht 46 das erste Steifigkeitsniveau aufweist, stehen die ersten Reibungselemente 42 von der Oberfläche der SMP-Schicht 46 vor, sodass nur die ersten Reibungselemente 42 in physikalischer Verbindung mit einem zweiten Kontaktkörper 48 stehen, wie in 2(a) gezeigt. Wenn eine Normalkraft 50 auf den zweiten Kontaktkörper 48 aufgebracht wird, wird ein erstes Reibungskraftniveau an der Grenzfläche 47 zwischen dem ersten Kon taktkörper 40 und dem zweiten Kontaktkörper 48 erzeugt. Wenn die SMP-Schicht 46 aktiviert wird und das zweite Steifigkeitsniveau aufweist, kehren die ersten Reibungselemente 42 in die weichere SMP-Schicht 46 zurück, wenn sie unter einer Normalkraft 50 stehen. Dieser Effekt kann verstärkt werden, indem nur die Bereiche erweicht werden, die das erste Reibungselement 42 tragen. Infolgedessen gelangen auch die zweiten Reibungselemente 42 in physikalische Verbindung mit dem zweiten Kontaktkörper 48, wodurch ein zweites Reibungskraftniveau an der Grenzfläche 47 erzeugt wird, wie in 2(b) gezeigt. Der Kontaktkörper 40 auf der Basis eines aktiven Materials ist daher in der Lage, auf der Basis des an das SMP angelegten thermischen Signals wie auch der Normalkräfte, die auf einen oder beide der in Kontakt stehenden Körper aufgebracht werden, zwischen zwei Reibungselementen zu wählen, die zwei verschiedene Reibungskraftniveaus bereitstellen. Im Fall eines SMP kann es notwendig sein, die Normalbelastung 50 zu entfernen, um den anfänglichen Reibungskoeffizienten wieder einzustellen.
In 3 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Kontaktkörpers 80 auf der Basis eines aktiven Materials veranschaulicht. Der Kontaktkörper 80 kann Reibungskraftniveaus steuern, indem er einen Betrag, einen Ort oder einen Strömungspfad eines Fluids 82 ändert, das auf einer Kontaktfläche 84 des Kontaktkörpers 80 angeordnet ist. Durch Steuern des Fluids kann der Kontaktkörper 80 Reibungskraftniveaus zwischen der Kontaktfläche 84 und der Kontaktfläche eines zweiten Kontaktkörpers (nicht gezeigt) steuern.
Das Fluid 82 ist innerhalb des Kontaktkörpers 80 eingebettet. In dieser Ausführungsform ist das Fluid genau unter der Oberfläche 84 in Kanälen 86 angeordnet. Die Kanäle 86 unter der Oberfläche erstrecken sich durch den Kontaktkörper 80 hindurch, wie durch die Strichlinien in 3 ange zeigt. Der Kontaktkörper 80 umfasst ferner Abschnitte 88 aus einem aktiven Material, die in der Oberfläche 84 direkt über den Kanälen 86 angeordnet sind. Die Abschnitte 88 aus einem aktiven Material sind ausgebildet, um durch eine Änderung zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials nach Empfang eines Aktivierungssignals zwischen einer ersten Position (in 3(a) gezeigt) und einer zweiten Position (in 3(b) gezeigt) zu wechseln. Wenn die Abschnitte 88 aus einem aktiven Material sich in der ersten Position befinden, sind die Kanäle 86 vollständig unter der Oberfläche 84 eingekapselt, sodass kein Fluid 82 die Oberfläche des Kontaktkörpers 80 erreichen kann. Wenn das aktive Material der Abschnitte 88 einem aktiven Material nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Formänderung erfahren, gehen die Abschnitte 88 in die zweite Position über, sodass die Abschnitte 88 aus einem aktiven Material zurückgezogen werden und dadurch zulassen, dass das Fluid 82 der Kanäle 86 in fluidmäßiger Verbindung mit der Oberfläche 84 steht. Wenn die Abschnitte 88 aus einem aktiven Material sich in der zweiten Position befinden, wird zugelassen, dass das Fluid 82 sich von den Kanälen 86 zu der Oberfläche 84 bewegt und dadurch die Reibungskraft zwischen dem Kontaktkörper 80 und einem zweiten Kontaktkörper ändert.
Zum Beispiel können die Abschnitte 88 aus einem aktiven Material in einer Ausführungsform eine SMA umfassen. Die SMA-Abschnitte sind derart ausgebildet, dass sie sich nach Empfang eines thermischen Aktivierungssignals in einer Längsdimension von einer ersten Position (3(a)) in eine zweite Position (3(b)) zusammenziehen. Wenn es erwünscht ist, kann das thermische Aktivierungssignal deaktiviert werden und ein Vorspannmechanismus (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um die SMA-Abschnitte von der zweiten Position zurück in die erste Position zu bringen und dadurch die restliche Menge von Fluid 82 in den Kanälen 86 einzuschließen.
Das Fluid 82 kann ein beliebiges Fluid sein, das die Reibungskraftniveaus zwischen zwei Körpern von den Reibungskraftniveaus ändern könnte, die an der Grenzfläche vorhanden sind, wenn kein Fluid vorhanden ist. Das Fluid 82 kann z. B. ein Schmierfluid sein, das ausgebildet ist, um einen Reibungskoeffizienten zwischen der Oberfläche 84 und der Kontaktfläche eines zweiten Körpers zu verringern. Alternativ könnte das Fluid 82 ein Antischmiermittel wie z. B. eine Sand-Fluid-Lösung sein, das den Reibungskoeffizienten zwischen der Oberfläche 84 und jener des zweiten Körpers erhöht.
In einer alternativen Ausführungsform könnte der Kontaktkörper 80 eine Oberfläche 84 umfassen, die in der zweiten Position fixiert ist, wie in 3(b) gezeigt. In dieser Ausführungsform könnten die Kanäle 86 aus einem aktiven Material gebildet sein, anstatt Abschnitte aus einem aktiven Material an der Oberfläche 84 aufzuweisen. In einem deaktivierten Zustand könnten die Kanäle 86 eine erste Tiefe aufweisen. Nach Empfang eines Aktivierungssignals könnten die Kanäle 86 die Form ändern, sodass die Kanäle 86 eine geringere zweite Tiefe aufweisen. Bei dieser aktivierten geringeren zweiten Tiefe würde das Fluid 82 auf die Oberfläche 82 gespritzt werden und dadurch die Reibungskraftniveaus zwischen der Oberfläche 84 des Kontaktkörpers 80 und der entsprechenden Oberfläche eines zweiten Körpers andern. Zusammengefasst verwendet die Ausführungsform des in 3 gezeigten Kontaktkörpers in vorteilhafter Weise aktive Materialien, um die Strömung einer Flüssigkeit an der Grenzfläche zwischen zwei Körpern zuzulassen und/oder einzuschränken.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 ist ein Kontaktkörper 100 auf der Basis eines aktiven Materials gezeigt. Der Kontaktkörper 100 umfasst ein aktives Material und kann das Reibungskraftniveau zwischen sich und einem weiteren Kontaktkörper durch Ändern der Form steuern. Der Kontaktkörper 100 besitzt eine erste Form 102 mit einer ersten Kontaktfläche 104, wie in 4(a) gezeigt. Die erste Oberfläche 104 ist im Wesentlichen flach und steht in physikalischer Verbindung mit einer zweiten Kontaktfläche 104 eines zweiten Kontaktkörpers 108. Wenn der Kontaktkörper 100 die erste Form 102 besitzt, ist ein kinetischer Gleitreibungskoeffizient zwischen dem Kontaktkörper 100 und dem zweiten Körper 108 vorhanden, sodass der Kontaktkörper 100 die zweite Kontaktfläche 106 entlang gleiten wird, wenn eine Kraft 109 aufgebracht wird.
Nach Empfang eines Aktivierungssignals erfährt das aktive Material des Kontaktkörpers 100 eine Änderung zumindest einer Eigenschaft, d. h. eine Formänderung. Die Formänderung führt dazu, dass der Kontaktkörper 100 eine zweite Form 112 besitzt, wenn er aktiviert ist, wie in 4(b) gezeigt. In der zweiten Form 112 ist die erste Kontaktfläche 104 gekrümmt, sodass ein Rollreibungskoeffizient zwischen dem Kontaktkörper 100 und dem zweiten Körper 108 vorhanden ist. Wenn die gleiche Kraft 109 aufgebracht wird, rollt der Kontaktkörper 100 die zweite Kontaktfläche 106 entlang, im Gegensatz zum Gleiten, wenn das aktive Material deaktiviert ist und der Kontaktkörper 100 die erste Form 102 besitzt. Der Kontaktkörper 100 auf der Basis eines aktiven Materials kann daher nach Empfang eines Aktivierungssignals zwischen einer ersten Form und einer zweiten Form wechseln, um den Reibungskoeffizienten zwischen sich und einem weiteren Kontaktkörper zu ändern. Das aktive Material des Kontaktkörpers 100 kann z. B. ein Formgedächtnismaterial wie z. B. ein SMP sein, das eine eingelernte Form besitzt, wenn es auf bestimmte Temperaturen erwärmt ist, wie unten stehend in größerem Detail beschrieben.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Kontaktkörper 100 auf der Basis eines aktiven Materials den Reibungskoeffizienten zwischen sich und einem weiteren Kontaktkörper ändern, indem er die Orientierung der ersten Kontaktfläche 104 ändert, anstatt die Form der Oberfläche zu ändern. In dieser Ausführungsform kann das aktive Material ausgebildet sein, um die Form zu ändern, was zu einer Neuorientierung des Kontaktkörpers 100 nach Empfang eines Aktivierungssignals führen würde. Zum Beispiel könnte der Kontaktkörper 100 sich drehen, anstatt sich von der ersten Form in die zweite Form zu verändern, wie in 4 gezeigt, sodass die flache erste Kontaktfläche 104 von dem zweiten Kontaktkörper 108 weg gedreht wird und der gekrümmte Abschnitt 105 des Kontaktkörpers 100 in physikalische Verbindung mit der zweiten Kontaktfläche 106 gelangt.
In 5 ist ein Kontaktkörper 120 veranschaulicht. Der Kontaktkörper 120 ist ausgebildet, um Reibungskraftniveaus durch die Verwendung von aktiven und/oder die Phase ändernden Materialien zu ändern. So wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck die Phase ändernde Materialien auf ein Material, das eine Phasenänderung in Ansprechen auf eine Änderung der Umgebungsbedingungen erfährt, wie z. B. Wachs, Eis, Baroplaste, Thermoplaste und dergleichen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Kontaktkörper 120 kann ein aktives Material und/oder ein die Phase änderndes Material umfassen und ist ausgebildet, um nach Empfang eines Aktivierungssignals oder durch die Einwirkung von Änderungen von Umgebungsbedingungen einen Übergang von einer ersten Härte zu einer zweiten Härte zu erfahren. 5 zeigt den Kontaktkörper 120, der eine Schicht 122 aus einem aktiven (oder die Phase ändernden) Material und eine Schicht 124 aus einem harten Material aufweist, die oben auf der Schicht 122 aus einem aktiven Material angeordnet ist.
Wenn der Kontaktkörper 120 die erste Härte aufweist, wie in 5(a) gezeigt, weist die Schicht 122 aus einem aktiven Material einen ersten Här tegrad auf, der ausreicht, um den Kontaktkörper 120 mit einer Kontaktfläche 126 zu versehen, die einen ersten Reibungskoeffizienten besitzt. Anders ausgedrückt umfasst die Kontaktfläche 126 die Oberfläche der Schicht 122 aus einem aktiven Material, wie in 5(a) gezeigt, und ein erstes Reibungskraftniveau ist an der Grenzfläche zwischen der Kontaktfläche 126 und dem zweiten Kontaktkörper 130 vorhanden. Wenn die Schicht 122 aus einem aktiven Material einem Aktivierungssignal ausgesetzt ist, wird das aktive Material weich (oder ändert im Fall eines die Phase ändernden Materials die Phase), was in dem zweiten Härtegrad resultiert. Die Schicht 124 aus einem harten Material ist in der Lage, die Schicht 122 aus einem aktiven Material plastisch zu verformen und steht dadurch durch die Schicht aus einem aktiven Material vor, um eine Kontaktfläche 128 zu bilden, die einen zweiten Reibungskoeffizienten besitzt. Anders ausgedrückt umfasst die Kontaktfläche 126 die Oberfläche der Schicht 124 aus einem harten Material, wie in 5(b) gezeigt, und ein zweites Reibungskraftniveau ist an der Grenzfläche zwischen der Kontaktfläche 128 und dem zweiten Kontaktkörper 130 vorhanden. Der Kontaktkörper 120 ist daher in der Lage, die Reibungskräfte zwischen sich und dem zweiten Kontaktkörper 130 selektiv zu ändern, indem er nach Empfang eines Aktivierungssignals die Härte der Schicht 122 aus einem aktiven Material ändert und zulässt, dass die Schicht 124 aus einem harten Material das aktive Material verformt.
Wendet man sich nun 6 zu, ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Kontaktkörpers 140 auf der Basis eines aktiven Materials veranschaulicht. Der Kontaktkörper 140 umfasst ein aktives Material und ist ausgebildet, um Reibungskraftniveaus durch die Änderung einer Eigenschaft, d. h. der Härte des aktiven Materials, nach Empfang eines Aktivierungssignals zu steuern. Der Kontaktkörper 140 weist eine erste Kontaktfläche 142 auf und wechselt in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zwischen einem ersten Härtegrad und einem zweiten Härtegrad. Ein zweiter Kontaktkörper 144 umfasst ein festes Material und weist eine zweite Kontaktfläche 146 auf, die eine raue Struktur relativ zu der ersten Kontaktfläche 142 aufweist. Wenn der Kontaktkörper 140 seinen ersten Härtegrad besitzt, wie in 6(a) gezeigt, weist das aktive Material eine Härte auf, die ausreicht, um den zweiten Kontaktkörper 144 auf der ersten Kontaktfläche 142 abzustützen und stellt dadurch ein erstes Reibungskraftniveau an der Grenzfläche zwischen den zwei in Kontakt stehenden Körpern bereit. Wenn der Kontaktkörper 140 den zweiten Härtegrad besitzt, wie in 6(b) gezeigt, wird das aktive Material weich und der zweite Kontaktkörper 144 ist in der Lage, den Kontaktkörper 140 elastisch und/oder plastisch zu verformen, dadurch eine erste Kontaktfläche 148 zu formen und ein zweites Reibungskraftniveau an der Grenzfläche zwischen den zwei in Kontakt stehenden Körpern bereitzustellen.
In 7 ist eine noch weitere beispielhafte Ausführungsform eines Kontaktkörpers 160 auf der Basis eines aktiven Materials gezeigt. Der Kontaktkörper 160 ist ausgebildet, um Reibungskraftniveaus durch Ändern eines Normalkraftniveaus zwischen sich und einem zweiten Kontaktkörper 162 zu steuern. Der Kontaktkörper 160 umfasst einen ersten Kontaktabschnitt 164 und einen zweiten Abschnitt 165 mit Komponenten 166 aus einem aktiven Material und einen Basisabschnitt 168. Die Komponente 166 aus einem aktiven Material kann aus jedem geeigneten aktiven Material bestehen wie z. B. einem piezoelektrischen Material oder einem Formgedächtnislegierungsmaterial. Die Komponenten aus einem aktiven Material sind ausgebildet, um nach Einwirkung eines Aktivierungssignals wie z. B. eines elektrischen Stromes eine Änderung einer Eigenschaft, z. B. eine Formänderung, zu erfahren. Die Komponenten 166 aus einem aktiven Material wechseln zwischen einer ersten Form mit einer ersten Dicke 170, wie in 7(a) gezeigt, und einer zweiten Form mit einer zweiten Dicke 172, wie in 7(b) gezeigt.
Wenn die Komponenten 166 aus einem aktiven Material die erste Dicke 170 aufweisen, ist das erste Kontaktelement 164 ausgebildet, um mit dem zweiten Kontaktkörper 162 mit einer ersten Normalkraft (null in der Abbildung von 7a) in Kontakt zu stehen. Wenn die Komponenten 166 aus einem aktiven Material die zweite Dicke 172 aufweisen, ist der erste Kontaktabschnitt 164 ausgebildet, um mit dem zweiten Kontaktkörper 162 mit einer zweiten Normalkraft in Kontakt zu stehen. Durch Ändern der Normalkraft zwischen den zwei Kontaktkörpern wird die Reibungskraft an der Grenzfläche zwischen den zwei Körpern geändert, ohne den Reibungskoeffizienten zwischen diesen zu ändern. In dieser besonderen Ausführungsform stellen die Komponenten 166 aus einem aktiven Material im Wesentlichen eine variable Einspannkraft bereit, wenn der Kontaktkörper 160 in physikalischer Verbindung mit dem zweiten Kontaktkörper steht.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 8 ist ein weiterer Kontaktkörper 200 auf der Basis eines aktiven Materials veranschaulicht. Der Kontaktkörper 160 ist in der Lage, Reibungskraftniveaus durch Ändern einer Normalkraft zwischen sich und einem zweiten Kontaktkörper zu steuern. In dieser speziellen Ausführungsform ist der Kontaktkörper 200 ein Vakuumansaugkopf, der Reibungskraftniveaus durch Steuern von Luftdruckniveaus zwischen sich und einem zweiten Kontaktkörper steuert. In einer weiteren Ausführungsform kann der Kontaktkörper 200 eine Fluidlagerstruktur sein. Der Vakuumansaugkopf 200 umfasst eine Kontaktfläche 202, die darauf angeordnete Öffnungen 204 aufweist. Eine Kraftquelle, in diesem Fall eine Vakuumpumpe 206, steht über eine Leitung 208 in funktioneller Verbindung mit dem Vakuumansaugkopf 200. Die Leitung 208 verbindet die Vakuumpumpe 206 fluidmäßig mit dem Vakuumansaugkopf 200.
Die Kontaktfläche 202 des Vakuumansaugkopfes 200 umfasst ein aktives Material. Das aktive Material der Kontaktfläche ist ausgebildet, um durch Ändern einer Eigenschaft des aktiven Materials nach Empfang eines Aktivierungssignals zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu wechseln. Wenn das aktive Material sich in der ersten Position befindet, wie in 8(a) gezeigt, weist die Kontaktfläche 202 die Öffnungen 204 auf. Wenn das aktive Material sich in der zweiten Position befindet, wie in 8(b) gezeigt, deckt das aktive Material die Öffnungen 204 ab, sodass die Kontaktfläche 202 eine feste, gleichmäßige Ebene ist. Das aktive Material des Vakuumansaugkopfes 200 lässt ein variables Auswählen des Ausmaßes einer fluidmäßigen Verbindung zwischen der Kontaktfläche 202 und einem zweiten Kontaktkörper zu. Anders ausgedrückt ist das aktive Material ausgebildet, um den Betrag des Vakuums zu steuern, der von der Vakuumpumpe 206 an den Vakuumansaugkopf 200 geliefert wird. Der Betrag des Vakuums auf der Kontaktfläche 202 steuert das Reibungskraftniveau an der Grenzfläche zwischen der Ansaugkopfoberfläche 202 und dem zweiten Kontaktkörper. Wenn das aktive Material sich in der ersten Position befindet, weisen der Ansaugkopf und der zweite Körper eine erste Normalkraft zwischen sich auf. Wenn das aktive Material sich in der zweiten Position befindet, weisen der Ansaugkopf und der zweite Körper eine zweite Normalkraft zwischen sich auf. Des Weiteren kann das aktive Material des Vakuumansaugkopfes 200 ausgebildet sein, um ein Vakuum durch bestimmte Öffnungen hindurch zuzulassen, während es andere abdeckt. Zum Beispiel kann eine Aktivierungsvorrichtung verwendet werden, um selektiv Elektrizität an Widerstandsheizeinrichtungen an ausgewählten Abschnitten der Kontaktfläche 202 zu liefern, um ausgewählte Öffnungen 204 zu öffnen, während es keine Elektrizität an jene Wider standsheizeinrichtungen liefert, die die anderen Öffnungen umgeben, sodass diese geschlossen bleiben. Wenn der Vakuumansaugkopf 200 auf diese Weise betrieben wird, ist er in der Lage, selektiv mehr als zwei Normalkraftniveaus auf einen zweiten Kontaktkörper aufzubringen.
Wie oben erwähnt, kann der Kontaktkörper 200 in einer weiteren Ausführungsform als eine fluidlagerartige Struktur fungieren, wobei ein Verdichter, der in diesem Fall die Kraftquelle ist, einen Überdruck durch die Öffnungen 204 hindurch liefern kann und dadurch abstoßende Kräfte zwischen den zwei Kontaktkörpern bereitstellt. Des Weiteren können aktive Materialien an anderen Orten in dem Kontaktkörper 200 angeordnet sein, um eine Fluidströmung zu steuern. Zum Beispiel kann ein Ventil, das ein aktives Material umfasst, in der Leitung 208 angeordnet sein, wobei das Ventil ausgebildet ist, um verschiedene Fluidströmungsniveaus durch die Leitung 208 hindurch in Ansprechen auf verschiedene Aktivierungssignale zuzulassen. In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Vakuumpumpe 206 Komponenten aus einem aktiven Material umfassen. Zum Beispiel kann die Pumpe 206 ein piezoelektrisches Material umfassen, wobei eine Änderung in der Form des piezoelektrischen Materials in Ansprechen auf einen elektrischen Strom ausgebildet ist, um ein Fluid zu pumpen.
Wendet man sich nun 9 zu, so ist eine weitere Ausführungsform eines Kontaktkörpers 220 auf der Basis eines aktiven Materials veranschaulicht. In dieser Ausführungsform kann der Kontaktkörper 220 ein Reibungskraftniveau zwischen sich und einem zweiten Kontaktkörper 240 durch Ändern der Orientierung des ersten Kontaktkörpers 220 relativ zu dem zweiten Kontaktkörper 240 ändern. Der Kontaktkörper 220 weist eine erste Kontaktfläche 224 auf und besteht aus einem aktiven Material. Das aktive Material, z. B. ein SMP, ist ausgebildet, um die Orientierung der ersten Kontaktfläche 224 relativ zu einer zweiten Kontaktfläche 244 des zweiten Kontaktkörpers 240 zu andern. Nach Empfang eines Aktivierungssignals erfährt das aktive Material des ersten Kontaktkörpers 220 eine Änderung einer Eigenschaft, z. B. eine Formänderung, was zu einer Neuorientierung der ersten Kontaktfläche 224 relativ zu der zweiten Kontaktfläche 244 führt. Diese Neuorientierung, die in 9 als ein Winkel θ relativ dazu, wenn die zwei Körper parallel übereinander liegen, d. h. wenn die Wellenformen parallel sind, dargestellt ist, beeinflusst stark die Grenzflächenreibung zwischen den zwei Kontaktkörpern, insbesondere wenn die zwei Kontaktflächen anisotrope Strukturen aufweisen. Zum Beispiel können die erste und die zweite Kontaktfläche 224, 244 übereinstimmende Wellenformen aufweisen. Wenn das aktive Material des ersten Kontaktkörpers 220 sich in einer ersten Position befindet und deaktiviert ist, ist eine erste Reibungskraft zwischen den zwei Kontaktflächen vorhanden. Wenn das aktive Material jedoch aktiviert wird, wechselt der erste Kontaktkörper 220 in Ansprechen auf die Änderung der Eigenschaft des aktiven Materials in eine zweite Position und infolgedessen ist eine zweite, größere Reibungskraft zwischen den zwei Körpern auf Grund der anisotropen Beschaffenheit der jeweiligen Oberflächen vorhanden. In dieser besonderen Ausführungsform können z. B. Reibungsniveaus für Kräfte axial rechtwinklig zu den Wellen von einem höchsten Reibungskoeffizienten, wenn Wellen 228 des ersten Kontaktkörpers 220 parallel zu Wellen 248 des zweiten Kontaktkörpers 240 stehen, zu einem niedrigsten Reibungskoeffizienten variieren, wenn die Wellen 228 des ersten Kontaktkörpers 220 sich unter einem Winkel zu den Wellen 248 des zweiten Kontaktkörpers 240 neu orientieren (wie in 9 gezeigt).
Des Weiteren kann die Grenzflächenreibungskraft zwischen den zwei Kontaktkörpern ferner mit Änderungen in der Oberflächenstruktur des ersten und/oder zweiten Kontaktkörpers 220, 240 geändert werden. So wie in ähnlichen Verfahren oben stehend beschrieben, kann/können die erste und/oder die zweite Kontaktfläche 224, 244 die Struktur, z. B. die Form, ändern, um die Grenzflächenreibung zu beeinflussen. Die Grenzflächenreibungskraft kann durch reversibles Anpassen der Wellenlänge und/oder der Amplitude der Wellen 228, 248 der jeweiligen wellenförmigen Kontaktflächen geändert werden. Des Weiteren kann das aktive Material des ersten Kontaktkörpers 220 in weiteren beispielhaften Ausführungsformen die Orientierung relativ zu dem zweiten Kontaktkörper 240 ändern, sodass verschiedene Abschnitte der ersten Kontaktfläche 224 mit verschiedenen Abschnitten der zweiten Kontaktfläche 244 in Kontakt stehen. Zum Beispiel kann die Neuorientierung des ersten Kontaktkörpers 220 bewirken, dass ein Abschnitt der ersten Kontaktfläche 224 mit einer Oberflächenstruktur, die sich von der des Abschnitts unterscheidet, der zuvor die zweite Kontaktfläche 244 berührt hat, in Kontakt mit dem zweiten Körper gelangt, wodurch das Reibungskraftniveau geändert wird.
In einem speziellen Anwendungsgebiet, das die Verwendung der hierin beschriebenen Vorrichtungen nicht einschränken soll, können diese vorteilhafterweise als eine Einspannvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials verwendet werden. Eine Einspannvorrichtung oder ähnliche Einspannwerkzeuge, wie z. B. ohne Einschränkung ein Schraubstock, Schraubstockgreifer, Zangen und dergleichen, können die Verwendung eines oder mehrerer aktiven/r Materialien einsetzen, um die Einspannkraft eines zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktkörper angeordneten Gegenstandes durch Aktivierung des/der aktiven Materials/ien variieren. In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Einspannvorrichtung einen ersten Kontaktkörper mit einer Kontaktfläche, einen zweiten Kontaktkörper umfassen, der dem ersten Kontaktkörper gegenüberliegend angeordnet ist und eine Kontaktfläche aufweist, die zu der Kontaktfläche des ersten Kontaktkörpers weist, wobei die Kombination aus dem ersten und dem zweiten Kontaktkörper ausgebildet ist, um einen Gegenstand zu halten, wie z. B. die in 1 gezeigte Vorrichtung. Ein aktives Material kann in funktioneller Verbindung mit einem ausgewählten oder beiden von dem ersten Kontaktkörper und dem zweiten Kontaktkörper stehen, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren. Die Änderung einer Eigenschaft ist wirksam, um das Reibungskraftniveau zwischen dem ersten und zweiten Kontaktkörper und dem Gegenstand (nicht gezeigt) zu ändern und dadurch eine Einspannkraft an dem Gegenstand zu ändern. Die Einspannvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials kann daher selektiv den Kraftschluss an einem Gegenstand verbessern, indem sie die Reibungskraft zwischen ihren Kontaktkörpern und dem Gegenstand verbessert. Des Weiteren kann für Ausführungsformen, bei denen Änderungen in der Oberflächenstruktur der Kontaktkörper die Reibungskraft variieren, die Einspannvorrichtung derart ausgebildet sein, dass sie keine Struktur (d. h. eine glatte Oberfläche) aufweist, wenn sie einen weichen Gegenstand oder einen Gegenstand hält, der empfindlich oder leicht zerbrechlich ist. Wenn es erwünscht ist, einen robusteren Gegenstand wie z. B. ein Rohr zu halten, kann die Oberflächenstruktur erhöht werden, um eine rauere Struktur zu bilden, die besser geeignet ist, harte Gegenstände zu fixieren.
Wie zuvor erwähnt, umfassen geeignete aktive Materialien für die oben beschriebenen Kontaktkörper, die Grenzflächen-Reibungskraftniveaus zwischen Oberflächen variieren können, ohne Einschränkung Formgedächtnislegierungen („SMAs"; z. B. thermisch und spannungsaktivierte Formgedächtnislegierungen und magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMAs)), elektroaktive Polymere (EAPs) wie z. B. dielektrische Elastomere, ionische Polymermetallverbundstoffe (IPMCs), piezoelektrische Materialien (z. B. Polymere, Keramik) und Formgedächtnispolymere (SMPs), Formgedächtniskeramiken (SMCs), Baroplaste, magnetorheologische (MR) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), elektrorheologische (ER) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), magnetostriktive Materialien und elektrostriktive Materialien und Verbunde aus den vorhergehenden aktiven Materialien mit nicht aktiven Materialien, Systeme, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen, und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen. Der Einfachheit halber und beispielhaft wird hierin auf Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymere Bezug genommen. Die Formgedächtniskeramiken, Baroplaste und dergleichen können auf eine ähnliche Weise verwendet werden. Zum Beispiel bewirkt bei baroplastischen Materialien eine druckinduzierte Vermischung von Nanophasendomänen von Komponenten hoher und niedriger Glasumwandlungstemperatur (Tg) die Formänderung. Baroplaste können bei relativ niedrigen Temperaturen wiederholt ohne Verschlechterung verarbeitet werden. SMCs sind ähnlich wie SMAs, sind jedoch in der Lage, wesentlich höheren Betriebstemperaturen standzuhalten als andere Formgedächtnismaterialien. Ein Beispiel einer SMC ist ein piezoelektrisches Material.
Die Fähigkeit von Formgedächtnismaterialien, nach dem Anlegen oder Entfernen äußerer Reize in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren, hat zu ihrer Verwendung in Aktuatoren geführt, um Kraft aufzubringen, die zu einer gewünschten Bewegung führt. Aktuatoren aus einem aktiven Material bieten die Möglichkeit einer Reduktion der Größe, des Gewichts, des Volumens, der Kosten, des Lärms des Aktuators und einer Erhöhung der Robustheit im Vergleich zu traditionellen elektromechanischen und hydraulischen Betätigungsmitteln. Ferromagnetische SMAs zum Beispiel zeigen schnelle Abmessungsänderungen von bis zu mehreren Prozent in Ansprechen auf ein angelegtes magnetisches Feld (und proportional zu seiner Stärke). Diese Änderungen sind jedoch Änderungen in eine Richtung und nutzen die Aufbringung entweder einer Vorspannkraft oder einer Feldumkehr, um die ferromagnetische SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen.
Formgedächtnislegierungen sind Legierungszusammensetzungen mit mindestens zwei verschiedenen temperaturabhängigen Phasen oder Polarität. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird oft als Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Martensit-Anfangstemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, in den Martensit überzugehen, wird oft als Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Der Bereich zwischen As und Af wird oft als der Martensit-zu-Austenit-Umwandlungstemperaturbereich bezeichnet, während der zwischen Ms und Mf oft als der Austenit-zu-Martensit-Umwandlungstemperaturbereich bezeichnet wird. Es sollte angemerkt werden, dass die oben erwähnten Umwandlungstemperaturen Funktionen der Spannung sind, die die SMA-Probe erfährt. Allgemein steigen diese Temperaturen mit steigender Spannung. Im Hinblick auf die vorhergehenden Eigenschaften erfolgt eine Verformung der Formgedächtnislegierung vorzugsweise bei oder unterhalb der Austenit-Anfangstemperatur (bei oder unterhalb von As). Ein an schließendes Erwärmen über die Austenit-Anfangstemperatur bewirkt, dass die verformte Formgedächtnismaterial-Probe beginnt, bis zur Fertigstellung bei der Austenit-Endtemperatur in ihre ursprüngliche (nicht gespannte) permanente Form zurückzukehren. Somit ist ein geeigneter/s Aktivierungseingang oder -signal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, die ausreicht, um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert (d. h. ihre ursprüngliche, nicht gespannte Form), wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch thermomechanische Verarbeitung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess kann über einen Bereich von nur wenigen Grad stattfinden oder eine allmählichere Wiederherstellung über einen größeren Temperaturbereich an den Tag legen. Der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann innerhalb mehrerer Grade abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihren Übergang überspannt, und stellen typischerweise einen Formgedächtniseffekt und einen superelastischen Effekt bereit. Zum Beispiel wird in der Martensitphase ein niedrigerer Elastizitätsmodul als in der Austenitphase beobachtet. Formgedächtnislegierungen in der Martensitphase können durch Neuausrichtung der Kristallstrukturanordnung mit der aufgebrachten Spannung große Verformungen durchmachen. Das Material behält diese Form, nachdem die Spannung entfernt wurde. Anders ausgedrückt, durch Spannung induzierte Phasenänderungen in der SMA erfolgen von der Art her in zwei Richtungen, die Aufbringung von ausreichend Spannung, wenn sich eine SMA in ihrer Austenitphase befindet, wird eine Änderung in ihre Martensitphase mit niedrigerem Modul bewirken. Das Entfernen der aufgebrachten Spannung wird bewirken, dass die SMA in ihre Austenitphase zurückschaltet und damit ihre Anfangsform und den höheren Modul wiedererlangt.
Beispielhafte Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung weist einen Formgedächtniseffekt auf wie z. B. eine Änderung der Form, der Orientierung, der Fließgrenze, des Biegemoduls, des Dämpfungsvermögens, der Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Wahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung ist zum Teil von dem Temperaturbereich der beabsichtigten Anwendung abhängig.
Die Rückverformung in die Austenitphase bei einer höheren Temperatur ist begleitet von sehr großen Spannungen (im Vergleich mit denen, die erforderlich sind, um das Material zu verformen), die so hoch sein können wie die natürliche Fließgrenze des Austenitmaterials, manchmal bis zu dem Dreifachen oder mehr der verformten Martensitphase. Für Anwendungen, die eine große Anzahl von Betriebszyklen erfordern, kann eine Dehnung von weniger als oder gleich 4% oder dergleichen der verformten Länge des verwendeten Drahtes erhalten werden. In Experimenten, die mit SMA-Drähten mit einem Durchmesser von 0,5 Millimeter (mm) durchgeführt wurden, wurde die maximale Dehnung in der Größenordnung von 4% erhalten. Dieser Prozentsatz kann sich auf bis zu 8% bei dünneren Drähten oder für Anwendungen mit einer geringen Anzahl an Zyklen erhöhen. Diese Grenze bei der erzielbaren Dehnung bedeutet eine beträchtliche Einschränkung bei der Anwendung von SMA-Aktuatoren, wenn der Raum begrenzt ist.
FSMAs sind eine Unterklasse der SMAs. FSMAs können sich wie herkömmliche SMA-Materialien verhalten, die eine spannungs- oder thermisch induzierte Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit aufweisen. Außerdem sind FSMAs ferromagnetisch und besitzen eine starke magnetokristalline Anisotropie, was zulässt, dass ein äußeres magnetisches Feld die Orientierung/Fraktion von feldausgerichteten martensitischen Varianten beeinflusst. Wenn das magnetische Feld entfernt wird, kann das Material ein vollständiges Zweiwege-, ein partielles Zweiwege- oder ein Einweg-Formgedächtnis aufweisen. Für ein partielles oder Einweg-Formgedächtnis kann ein äußerer Reiz, eine Temperatur, ein magnetisches Feld oder eine Spannung zulassen, dass das Material in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Ein vollkommenes Zweiwege-Formgedächtnis kann für eine proportionale Steuerung, bei der eine kontinuierliche Energie zugeführt wird, verwendet werden. Ein Einweg-Formgedächtnis ist am nützlichsten für Sperranwendungen, bei denen ein verzögerter Rückstellreiz eine Sperrfunktion zulässt. Äußere magnetische Felder werden in Kraftfahrzeuganwendungen im Allgemeinen über Elektromagneten mit einem weichmagnetischen Kern erzeugt, obwohl für ein schnelles Ansprechen auch ein Paar Helmholtz-Spulen verwendet werden kann.
Beispielhafte ferromagnetische Formgedächtnislegierungen sind Legierungen auf Nickel-Mangan-Gallium-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis, Legierungen auf Cobalt-Nickel-Aluminium-Basis und Legierungen auf Cobalt-Nickel-Gallium-Basis. Wie SMAs können diese Legierungen binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung weist einen Formgedächtniseffekt auf wie z. B. eine Änderung der Form, der Orientierung, der Fließgrenze, des Biegemoduls, des Dämpfungsvermögens, der Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Wahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung ist zum Teil von dem Temperaturbereich und der Art des Ansprechens in der beabsichtigten Anwendung abhängig.
Wie zuvor erwähnt, sind weitere beispielhafte Formgedächtnismaterialien Formgedächtnispolymere (SMPs). „Formgedächtnispolymer" bezieht sich allgemein auf ein Polymermaterial, das beim Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft wie z. B. eines Moduls, einer Abmessung, eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, einer optischen Eigenschaft (z. B. Lichtdurchlässigkeit), oder einer Kombination, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften in Kombination mit einer Änderung in seiner Mikrostruktur und/oder Morphologie umfasst, zeigt. Formgedächtnispolymere können wärmeempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein thermisches Aktivierungssignal bewirkt, das entweder direkt über eine Wärmezufuhr oder -abfuhr oder indirekt über eine Schwingung mit einer Frequenz, die geeignet ist, um hohe Schwingungsamplituden auf dem Molekularniveau anzuregen, die zu einer inneren Wärmeerzeugung führen, geliefert wird), fotoempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein elektromagnetisches Strahlungsaktivierungssignal bewirkt), feuchtigkeitsempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein Flüssigkeitsaktivierungssignal wie z. B. Feuchtigkeit, Wasserdampf oder Wasser bewirkt), chemisch empfindlich (d. h., empfindlich gegenüber einer Veränderung der Konzentration einer oder mehrerer chemischer Spezies in seiner Umgebung, z. B. der Konzentration an H+-ionen, also des pH der Umgebung) oder eine Kombination sein, die zumindest eines der vorhergehenden umfasst.
Im Allgemeinen sind SMPs phasengetrennte Copolymere, die zumindest zwei verschiedene Einheiten umfassen, welche so beschrieben werden können, dass sie verschiedene Segmente innerhalb des SMPs definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMPs beiträgt. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Segment" auf einen Block, einen Pfröpfling oder eine Sequenz desselben oder ähnlicher Monomer- oder Oligomereinheiten, die copolymerisiert sind, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann (semi-)kristallin oder amorph sein und wird eine/n entsprechende/n Schmelzpunkt bzw. eine Glasumwandlungstemperatur (Tg) aufweisen. Der Begriff „Wärmeumwandlungstemperatur" wird hierin einfacherweise verwendet, um allgemein entweder auf eine Tg oder einen Schmelzpunkt Bezug zu nehmen, je nachdem, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMPs, die (n) Segmente umfassen, kann gesagt werden, dass das SMP ein hartes Segment und (n – 1) weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere Wärmeumwandlungstemperatur aufweist als jedes weiche Segment. Somit weist das SMP (n) Wärmeumwandlungstemperaturen auf. Die Wärmeumwandlungstemperatur des harten Segments wird als die „letzte Umwandlungstemperatur" bezeichnet und die niedrigste Wärmeumwandlungstemperatur des so genannten „weichsten" Segments wird als die „erste Umwandlungstemperatur" bezeichnet. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die durch dieselbe Wärmeumwandlungstemperatur, die auch die letzte Umwandlungstemperatur ist, gekennzeichnet sind, gesagt werden kann, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
Wenn das SMP über die letzte Umwandlungstemperatur erwärmt wird, kann dem SMP-Material eine permanente Form verliehen werden. Eine permanente Form für das SMP kann durch ein nachfolgendes Abkühlen des SMPs unter diese Temperatur festgelegt oder ins Gedächtnis eingeprägt werden. Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „ursprüngliche Form", „vorher definierte Form", „vorbestimmte Form" und „permanente Form" gleichbedeutend und sollen untereinander austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als eine Wärmeumwandlungstemperatur eines jeglichen weichen Segments ist, jedoch unter der letzten Umwandlungstemperatur liegt, eine äußere Spannung oder Belastung aufgebracht wird, um das SMP zu verformen, und es dann unter die bestimmte Wärmeumwandlungstemperatur des weichen Segments abgekühlt wird, während die verformende äußere Spannung oder Belastung aufrechterhalten wird.
Die permanente Form kann wiedererlangt werden, indem das Material, während die Spannung oder Belastung entfernt ist, über die bestimmte Wärmeumwandlungstemperatur des weichen Segments, jedoch unter die letzte Umwandlungstemperatur erwärmt wird. Es sollte somit einzusehen sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher Segmente möglich ist, mehrere temporäre Formen zu zeigen, und mit mehreren harten Segmenten kann es möglich sein, mehrere permanente Formen zu zeigen. In ähnlicher Weise wird bei Verwendung eines Ansatzes mit einer Schichtung oder einem Verbund eine Kombination aus mehreren SMPs Übergänge zwischen mehreren temporären und permanenten Formen zeigen.
Das Formgedächtnismaterial kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material auch als ein Aktuator ausgebildet sein, um ein schnelles Ausfahren vorzusehen. Wie hierin verwendet, wird der Begriff „piezoelektrisch" verwendet, um ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die Form ändert), wenn ein Spannungspotential angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Piezoelektrische Materialien zeigen eine geringe Änderung in den Abmessungen, wenn sie der angelegten Spannung unterworfen werden, wobei das Ansprechen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional ist und sehr schnell erfolgt (in der Lage ist, den Bereich von tausend Hertz ohne weiteres zu erreichen). Da ihre Abmessungsänderung gering ist (z. B. kleiner als 0,1%), werden sie, um das Ausmaß ihrer Abmessungsänderung drastisch zu erhöhen, üblicherweise in Form von piezokeramischen unimorphen und bimorphen flachen Patch-Aktuatoren verwendet, die derart aufgebaut sind, dass sie sich beim Anlegen einer relativ niedrigen Spannung in eine konkave oder konvexe Form verbiegen. Die Formänderung/Verbiegung solcher Patches innerhalb der Auskleidung des Halters ist geeignet, um den gehaltenen Gegenstand zu ergreifen/freizugeben.
Ein Typ eines Unimorphs ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen Element besteht, das außen mit einer/m flexiblen Metallfolie oder -streifen verbunden ist, die/der durch das piezoelektrische Element stimuliert wird, wenn sie/er mit einer sich ändernden Spannung aktiviert wird, und zu einer axialen Wölbung oder Auslenkung führt, wenn sie/er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt. Die Aktuatorbewegung für einen Unimorph kann durch Zusammenziehung oder Ausdehnung erfolgen. Unimorphe können eine Dehnung bis zu einer Höhe von etwa 10% zeigen, jedoch können sie im Allgemeinen nur geringen Be lastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten.
Im Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst eine bimorphe Vorrichtung eine dazwischen liegende flexible Metallfolie, die zwischen zwei piezoelektrischen Elementen geschichtet angeordnet ist. Bimorphe zeigen mehr Verschiebung als Unimorphe, da sich ein keramisches Element unter der angelegten Spannung zusammenziehen wird, während sich das andere ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen bis zu etwa 20% zeigen, aber können im Allgemeinen, ähnlich wie Unimorphe, keinen hohen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten.
Beispielhafte piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele für Polymere umfassen Polynatrium-4-Styrolsulfonatat („PSS"), Poly S-119 (Polyvinylamin-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid („PVDF"), sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF"), Trifluorethylen (TrFE) und ihre Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylchlorid („PVC"), Polyvinylidenchlorid („PVC2") und ihre Derivate; Polyacrylonitrile („PAN") und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Polymethacrylsäure („PMA") und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane („PU") und ihre Derivate; Biopolymermoleküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Membranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate der Tetraamine; Polyimide, umfassend Kapton^®-Moleküle und Polyetherimid („PEI") und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-(N-Vinylpyrrolidon) („PVP")-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat („PVAc")-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten; sowie Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Des Weiteren können piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, T, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metall-Legierungen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, und Kombinationen umfassen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können z. B. auch ein Metalloxid wie z. B. SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden umfassen; sowie Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Beispielhafte Materialien mit variablem Modul umfassen auch magnetorheologische (MR)- und ER-Polymere. MR-Polymere sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln mit Mikrometergröße (z. B. ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln, wie unten beschrieben) in einem Polymer (z. B. einem duroplastischen elastischen Polymer oder Kautschuk). Beispielhafte Polymermatrizen umfassen Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden.
Die Steifigkeit und unter Umständen die Form der Polymerstruktur werden erzielt, indem die Scher- und Kompressions/Zug-Moduln dadurch verändert werden, dass die Stärke des angelegten magnetischen Feldes variiert wird. Die MR-Polymere entwickeln ihre Struktur typischerweise, wenn sie einem magnetischen Feld so kurz wie einige wenige Millisekunden ausgesetzt werden, wobei die Steifigkeits- und Formänderungen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional sind. Werden die MR-Polymere nicht länger dem magnetischen Feld ausgesetzt, kehrt sich der Vorgang um und das Elastomer kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem Modul zurück. Die kompakte Unterbringung der felderzeugenden Spulen stellt allerdings eine Herausforderung dar.
Elektronische elektroaktive Polymere (EAPs) sind ein Laminat aus einem Paar Elektroden mit einer Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul. Ein Anlegen eines Potentials zwischen den Elektroden drückt die Zwischenschicht zusammen und bewirkt, dass sie sich in der Ebene ausdehnt. Sie zeigen ein Ansprechen, das proportional zu dem angelegten Feld ist, und können mit hohen Frequenzen betätigt werden. Formverändernde EAP-Laminatfolien wurden demonstriert. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie angelegte Spannungen benötigen, die um ungefähr drei Größenordnungen größer sind als jene, die von einer Piezoelektrik benötigt werden.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften aufweisen. Ein Beispiel eines elektrostriktiven Pfropfelastomers mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer und/oder Gummi umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorgedehntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, Haftklebstoffe, Fluorelastomere und Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen (z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermischungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer und dergleichen umfassen).
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchbruchsfeldstärke, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (z. B. für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 Megapascal (MPa) und etwa 10 MPa oder im Spezielleren zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und im Spezielleren zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein, die z. B. eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 Mikrometer aufweisen.
Da elektroaktive Polymere sich bei hohen Dehnungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, sie sind in der Lage, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, können fügsam sein und sich der sich ändernden Form des Polymers anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, strukturierte Elektroden mit verschiedenen Maßen außerhalb der Ebene, leitfähige Pasten (wie z. B. Kohlepasten und Silberpasten), kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis (wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus ionisch leitfähigen Materialien) wie auch Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Beispielhafte Elektrodenmaterialien können Grafit, Ruß, kolloidale Suspensionen, Metalle (einschließlich Silber und Gold), gefüllte Gele und Polymere (z. B. silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere) und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere wie auch Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden umfassen. Es ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen Polymeren gut funktionieren können und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Bei spiel funktionieren Kohlenstofffilamente gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so gut mit Silikonpolymeren.
Magnetostriktiva sind Festkörper, die eine starke mechanische Verformung entwickeln, wenn sie einem äußeren magnetischen Feld unterworfen werden. Dieses Phänomen der Magnetostriktion wird den Drehungen von kleinen magnetischen Domänen in den Materialien zugeschrieben, die zufällig orientiert sind, wenn das Material keinem magnetischen Feld ausgesetzt ist. Die Formänderung ist am größten bei ferromagnetischen oder ferromagnetischen Festkörpern. Diese Materialien besitzen ein sehr schnelles Ansprechvermögen, wobei die Dehnung proportional zu der Stärke des angelegten magnetischen Feldes ist, und sie kehren nach dem Entfernen des Feldes in ihre Ausgangsabmessung zurück. Diese Materialien besitzen jedoch maximale Dehnungen von etwa 0,1 bis etwa 0,2 Prozent.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird für den Fachmann einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt sein können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Überdies können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Die Erfindung soll daher nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein, die als beste Art, die Offenlegung auszuführen, in Erwägung gezogen wird. Vielmehr wird die Offenlegung alle Ausführungsformen einschließen, die in den Umfang der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Vorrichtung zum selektiven Steuern und Variieren eines Reibungskraftniveaus an einer Grenzfläche zwischen zwei Körpern, die umfasst: einen ersten Kontaktkörper mit zumindest einer Oberfläche; einen zweiten Kontaktkörper mit zumindest einer Oberfläche in physikalischer Verbindung mit dem ersten Kontaktkörper; und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit einem ausgewählten oder beiden von dem ersten Kontaktkörper und dem zweiten Kontaktkörper, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um das Reibungskraftniveau an der Grenzfläche zwischen der zumindest einen Oberfläche des ersten Kontaktkörpers und der zumindest einen Oberfläche des zweiten Kontaktkörpers zu andern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Material ein Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein piezoelektrisches Material, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Elastomer, ein elektrostriktives Material, ein magnetostriktives Material oder eine Kombination mit zumindest einem der vorhergehenden aktiven Materialien umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Eigenschaft eine Abmessungsänderung, eine Formänderung, eine Orientie rungsänderung, eine Phasenänderung, eine Biegemoduländerung, eine Elastizitätsmoduländerung oder Kombinationen mit zumindest einer der vorhergehenden Eigenschaften umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal, eine mechanische Belastung oder eine Kombination mit zumindest einem der vorhergehenden Aktivierungssignale umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Aktivierungsvorrichtung umfasst, welche ausgebildet ist, um das Aktivierungssignal an das aktive Material bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung einer Eigenschaft des aktiven Materials ausgebildet ist, um eine Form der zumindest einen Oberfläche des ersten Kontaktkörpers zu andern.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Änderung der Form der zumindest einen Oberfläche ausgebildet ist, um einen Reibungskoeffizienten des ersten Kontaktkörpers von einem Gleitreibungskoeffizienten zu einem Rollreibungskoeffizienten zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Kontaktkörper umfasst: eine Schicht aus einem aktiven Material, die ausgebildet ist, um sich nach Empfang des Aktivierungssignals von einem ersten Steifigkeitsniveau zu einem zweiten Steifigkeitsniveau zu ändern; ein erstes Reibungselement, das in der Schicht aus einem aktiven Material angeordnet ist; und ein zweites Reibungselement, das auf einer Oberfläche der Schicht aus einem aktiven Material angeordnet ist, wobei das erste Reibungselement in physikalischer Verbindung mit dem zweiten Kontaktkörper steht, wenn die Schicht aus einem aktiven Material das erste Steifigkeitsniveau besitzt und eine Normalkraft auf den zweiten Kontaktkörper aufgebracht ist, und sowohl das erste als auch das zweite Reibungselement in physikalischer Verbindung mit dem zweiten Kontaktkörper stehen, wenn die Schicht aus einem aktiven Material das zweite Steifigkeitsniveau besitzt und die Normalkraft auf den zweiten Kontaktkörper aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Kontaktkörper das aktive Material umfasst und ausgebildet ist, um sich von einer ersten Härte zu einer zweiten Härte zu ändern, wenn das aktive Material die Änderung einer Eigenschaft erfährt, wobei, wenn der erste Kontaktkörper die erste Härte besitzt, ein erster Reibungskoeffizient mit dem zweiten Körper vorhanden ist, und, wenn der erste Kontaktkörper die zweite Härte besitzt, der zweite Körper ausgebildet ist, um den ersten Kontaktkörper plastisch zu verformen, und ein zweiter Reibungskoeffizient dazwischen vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Kontaktkörper umfasst: eine erste Schicht, die das aktive Material und eine erste Kontaktfläche mit einem ersten Reibungskoeffizienten umfasst, wobei die erste Schicht ausgebildet ist, um sich von einer ersten Härte zu einer zweiten Härte zu andern, wenn das aktive Material die Änderung einer Eigenschaft erfährt, und wobei die erste Kontaktfläche in physikalischer Verbindung mit dem zweiten Kontaktkörper steht, wenn die erste Schicht die erste Härte besitzt; und eine zweite Schicht, die eine zweite Kontaktfläche mit einem zweiten Reibungskoeffizienten umfasst, wobei die zweite Kontaktfläche ausgebildet ist, um die erste Schicht elastisch und/oder plastisch zu verformen, und in physikalischer Verbindung mit dem zweiten Kontaktkörper steht, wenn die erste Schicht die zweite Härte besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung einer Eigenschaft des aktiven Materials wirksam ist, um die Orientierung der zumindest einen Oberfläche des ersten Kontaktkörpers relativ zu der zumindest einen Oberfläche des zweiten Kontaktkörpers zu ändern und dadurch das Reibungskraftniveau zwischen dem ersten Kontaktkörper und dem zweiten Kontaktkörper zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Kontaktkörper umfasst: einen ersten Abschnitt, der ausgebildet ist, um in physikalischer Verbindung mit dem zweiten Kontaktkörper zu stehen; und einen zweiten Abschnitt, der das aktive Material umfasst, wobei der zweite Abschnitt ausgebildet ist, um sich von einer ersten Dicke zu einer zweiten Dicke zu ändern, wenn das aktive Material die Änderung einer Eigenschaft erfährt, und wobei eine erste Normalkraft zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Kontaktkörper vorhanden ist, wenn der zweite Abschnitt die erste Dicke besitzt, und eine zweite Normalkraft zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Kontaktkörper vorhanden ist, wenn der zweite Abschnitt die zweite Dicke besitzt; und wobei die Änderung von der ersten Normalkraft zu der zweiten Normalkraft wirksam ist, um das Reibungskraftniveau an der Grenzfläche zwischen dem ersten Kontaktkörper und dem zweiten Kontaktkörper zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Kontaktkörper umfasst: das aktive Material und eine Öffnung, die auf der zumindest einen Oberfläche angeordnet ist, wobei die Änderung einer Eigenschaft des aktiven Materials wirksam ist, um die Öffnung selektiv zu öffnen und zu schließen; eine Kraftquelle in funktioneller Verbindung mit der zumindest einen Oberfläche, wobei die Kraftquelle ausgebildet ist, um eine Normalkraft zwischen der zumindest einen Oberfläche des ersten Kontaktkörpers und der zumindest einen Oberfläche des zweiten Kontaktkörpers aufzubringen, und wobei das selektive Öffnen und Schließen der Öffnung das Reibungskraftniveau dazwischen ändert; und eine Leitung in fluidmäßiger Verbindung mit der zumindest einen Oberfläche des ersten Kontaktkörpers und der Kraftquelle.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Kraftquelle eine Vakuumpumpe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Kontaktkörper umfasst: eine erste Kontaktfläche; einen Kanal, der unter der ersten Kontaktfläche angeordnet ist; ein Fluid, das in dem Kanal angeordnet ist; und das aktive Material in funktioneller Verbindung mit der ersten Kontaktfläche, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um eine Strömung des Fluids zu der ersten Kontaktfläche zu steuern, und wobei die Strömung des Fluids zu der ersten Kontaktfläche wirksam ist, um das Reibungskraftniveau zwischen dem ersten Kontaktkörper und dem zweiten Kontaktkörper zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung des Reibungskraftniveaus an der Grenzfläche zwischen den zwei Körpern wirksam ist, um das Radialspiel zwischen einem Zapfengehäuse und einem Lager zu andern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung des Reibungskraftniveaus an der Grenzfläche zwischen den zwei Körpern wirksam ist, um die Strömung eines Fluids zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung des Reibungskraftniveaus an der Grenzfläche zwischen den zwei Körpern wirksam ist, um die Traktion zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche zu erhöhen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung des Reibungskraftniveaus an der Grenzfläche zwischen den zwei Körpern wirksam ist, um einen Steuerknopf selektiv einzurücken und auszurücken.
Einspannvorrichtung, die umfasst: einen ersten Kontaktkörper mit einer Kontaktfläche; einen zweiten Kontaktkörper, der dem ersten Kontaktkörper entgegengesetzt angeordnet ist und eine Kontaktfläche aufweist, die zu der Kontaktfläche des ersten Kontaktkörpers weist, wobei die Kom bination aus dem ersten und dem zweiten Kontaktkörper ausgebildet ist, um einen Gegenstand zu halten; und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit einem ausgewählten oder beiden von dem ersten Kontaktkörper und dem zweiten Kontaktkörper, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um das Reibungskraftniveau zwischen dem ersten und zweiten Kontaktkörper und dem Gegenstand zu ändern.
Verfahren zum Steuern eines Reibungskraftniveaus an der Grenzfläche zwischen einem ersten Kontaktkörper und einem zweiten Kontaktkörper, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine erste Kontaktfläche des ersten Kontaktkörpers und eine zweite Kontaktfläche des zweiten Kontaktkörpers in Kontakt gebracht werden, um ein Reibungskraftniveau zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche zu erzeugen; und ein Aktivierungssignal an ein aktives Material angelegt wird und eine Änderung einer Eigenschaft des aktiven Materials bewirkt wird, wobei das aktive Material in funktioneller Verbindung mit einem ausgewählten oder beiden von dem ersten Kontaktkörper und dem zweiten Kontaktkörper steht, und wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um das Reibungskraftniveau zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche zu andern.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das aktive Material ein Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein piezoelektrisches Material, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Elastomer, ein elektrostriktives Material, ein