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Die Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung und einen Handschuhkasten für ein Kraftfahrzeug mit einer Aktuatorvorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Aktuatorvorrichtungen bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2006 030 140 A1 einen Aktuator basierend auf einer Formgedächtnislegierung. Die
WO 02/068820 A1 offenbart einen Aktuator bestehend aus einem Formgedächtnismaterial mit einer verbesserten Temperaturkontrolle. Die
DE 10 2005 040 879 A1 offenbart einen Stellantrieb, welcher einen Wandlerfestkörperwerkstoff aufweist.
US 7 464 548 B2 offenbart einen linearen SMA-Aktuator, welcher aus drei miteinander gekoppelten und teleskopförmig zueinander angeordneten Aktuatorelementen besteht.
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Nachteilig ist hier jeweils, dass bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur der Umgebung, in welcher entsprechende Aktuatoren mit Formgedächtnislegierungen, im Folgenden auch als SMA-Elemente bezeichnet, betrieben werden, auch die Betriebstemperatur der SMA-Elemente erhöht wird. Dies kann zu unerwünschten Effekten führen, da die SMA-Elemente „ausgelöst” werden können, d. h. eine Längenänderung in ungewollter Weise erfahren können. Durch diese Längenänderung kann damit in ungewollter Weise eine an den Aktuator gekoppelte Mechanik ausgelöst werden.
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Um dieses Problem zu lösen, schlägt die
US 6 928 812 B2 vor, einen passiven und einen aktiven Aktuator zu verwenden, welche identische SMA-Drähte verwenden, die so miteinander verbunden sind, um exakt gegensätzlich zur Kompensation von Umgebungstemperatur induzierten Längenveränderungen zu wirken. Hierzu werden die SMA-Drähte in entgegengesetzte Richtungen gerichtet aneinander gekoppelt, wobei der aktive SMA-Draht mit elektrischer Leistung beaufschlagt werden kann und der passive SMA-Draht lediglich zu Drift-Kompensationszwecken dient.
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Demgegenüber liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Aktuatorvorrichtung und einen verbesserten Handschuhkasten für ein Kraftfahrzeug zu schaffen.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine Aktuatorvorrichtung mit einem Gehäuse und einem ersten und einem zweiten länglichen Aktuator geschaffen, wobei der erste und der zweite Aktuator aus einem Formgedächtnismaterial bestehen und wobei der erste Aktuator ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und an seinem ersten Ende am Gehäuse fixiert ist. Der zweite Aktuator ist am zweiten Ende des ersten Aktuators in Richtung des ersten Endes weisend und parallel zur Erstreckungsrichtung des ersten Aktuators angeordnet. Am zweiten Aktuator ist ein erstes Stellglied zur Übertragung einer Aktuatorbewegung parallel zur Erstreckungsrichtung des zweiten Aktuators angeordnet, wobei der erste und der zweite Aktuator so ausgebildet sind, dass eine gleiche Temperatureinwirkung auf den ersten und zweiten Aktuator zu einer gleichen Längenänderung des ersten und zweiten Aktuators führt.
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Die erfindungsgemäße Aktuatorvorrichtung hat den Vorteil einer platzsparenden Ausgestaltung, ohne jedoch auf eine hohe Aktuatorleistung verzichten zu müssen. Anstatt die länglichen Aktuatoren wie aus dem Stand der Technik bekannt schräg, d. h. gewinkelt zueinander anzuordnen, sind hier die länglichen ersten und zweiten Aktuatoren parallel zueinander ausgerichtet. Außerdem ist das Stellglied parallel zum ersten und zweiten Aktuator ausgerichtet. Da die maximale Kraftentwicklung in Richtung des zweiten Aktuators erfolgt, kann damit in optimaler Weise eine Aktuatorvorrichtung bereitgestellt werden, welche nichtsdestotrotz gegen eine ungewollte Positionsveränderung des Stellglieds aufgrund einer äußeren Temperatureinwirkung gesichert ist. Im Falle einer äußeren Temperatureinwirkung wirkt diese Temperatur sowohl auf den ersten und zweiten Aktuator in gleicher Weise. Der erste und der zweite Aktuator erfahren daraufhin die gleiche Längenänderung, wobei die jeweiligen Längenänderungen in entgegengesetzter Richtung wirken. Durch die entgegengesetzt wirkenden Längenänderungen kompensieren sich diese gegenseitig, sodass die resultierende Positionsveränderung des Stellglieds im Wesentlichen null beträgt.
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Die Aktuatorvorrichtung kann hierbei ohne Beschränkung der Allgemeinheit zur Übertragung von Betätigungskräften auf verschiedenste Arten von Vorrichtungen verwendet werden. Dazu zählen Kraftübertragungen für Öffnungs- und Schließvorgänge von beliebigen Arten von Öffnungen und der Betätigung von mechanischen Verstellvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Flugzeugen und im allgemeinen Maschinenbau.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Aktuator biegesteif ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass ohne eine zusätzliche Verwendung von zusätzlichen Lagerungsmitteln eine Aktuatorvorrichtung in kostengünstiger Weise hergestellt werden kann. Außerdem kann insbesondere auch in dieser Ausgestaltung die Aktuatorvorrichtung platzsparend bereitgestellt werden, da insbesondere auf zusätzliche Halte- und Führungsmittel für die einzelnen Aktuatoren verzichtet werden kann.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Aktuatorvorrichtung zur Übertragung der Aktuatorbewegung durch eine ausschließliche Bestromung des zweiten Aktuators ausgebildet. Der erste Aktuator dient hier lediglich zu Temperaturdrift-Kompensationszwecken, wohingegen der zweite Aktuator zur Durchführung der eigentlichen Aktuatorbewegung, gesteuert durch eine entsprechende Stromaufprägung und damit verbundene Temperaturerhöhung dient.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Aktuatorvorrichtung ferner einen Hebel, wobei der Hebel über eine gehäusefeste Welle am Gehäuse angeordnet ist, wobei das erste Stellglied mit dem Hebel in Wirkverbindung steht, wobei der Hebel zur Weiterleitung der Aktuatorbewegung auf ein am Hebel angeordnetes zweites Stellglied ausgebildet ist. Die Verwendung eines zusätzlichen Hebels hat den Vorteil, dass je nach Hebelausgestaltung entweder durch die Aktuatorvorrichtung höhere Kräfte am zweiten Stellglied bereitgestellt werden können, als dies lediglich unter Verwendung des ersten Stellglieds möglich wäre. Alternativ dazu ist es möglich, den Stellweg der Aktuatorvorrichtung durch die Verwendung des zweiten Stellgliedes zu vergrößern.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Hebel rechtwinklig zur Erstreckungsrichtung des zweiten Aktuators angeordnet, wobei das zweite Stellglied zur Weiterleitung der Aktuatorbewegung parallel zur Erstreckungsrichtung des zweiten Aktuators ausgebildet ist. Auch hier ergibt sich wiederum der Vorteil einer optimalen räumlichen Ausgestaltung der Aktuatorvorrichtung, da durch diese Ausgestaltung in platzsparender Weise Kräfte über das zweite Stellglied auf entsprechende mechanische Komponenten übertragen werden können. Aktuatorkräfte werden hierbei durch die rechtwinklige Anordnung von zweitem Aktuator, Hebel und zweitem Stellglied in maximal wirksamer Weise übertragen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist der erste Aktuator am zweiten Ende einen vom ersten Aktuator abstehenden Anschlag auf, wobei der zweite Aktuator am Anschlag angeordnet ist. Vorzugsweise sind der Anschlag und der erste Aktuator rechtwinklig zueinander angeordnet, sodass in platzsparender Weise eine Aktuatorvorrichtung geschaffen werden kann, die in der Lage ist, eine Längenänderung des zweiten Aktuators durch eine ungewollte äußere Temperatureinwirkung zu kompensieren.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht der Anschlag aus einem Material, welches im Arbeitstemperaturbereich des ersten und zweiten Aktuators im Wesentlichen verformungsfrei ausgebildet ist. In anderen Worten besteht der Anschlag aus einem Material, welches in jenem Temperaturbereich verformungsfrei ausgebildet ist, in welchem der erste und der zweite Aktuator in reversibler Weise betrieben werden kann.
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Die Verwendung eines solch verformungsfreien Materials hat den Vorteil, dass einer Längenänderungskompensation der Aktuatoren lediglich in der Erstreckungsrichtung der Aktuatoren Rechnung getragen werden muss. Längenänderungen von Aktuatoren senkrecht zu dieser Erstreckungsrichtung können damit vernachlässigt werden, was den mechanischen Aufbau einer entsprechenden Aktuatorvorrichtung vereinfacht.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Aktuator röhrenförmig ausgebildet, wobei der Anschlag am Röhrenende angeordnet ist. Die Verwendung eines röhrenförmig ausgebildeten ersten Aktuators hat den Vorteil einer hohen Biegesteifigkeit. Außerdem wird durch die Röhrenform des ersten Aktuators eine Führung für den zweiten Aktuator gebildet, sodass insbesondere hier auf die zusätzliche Verwendung von weiteren Lagerungselementen zur frei verschiebbaren Lagerung des zweiten Aktuators verzichtet werden kann.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Anschlag durch zumindest eine sich über den Röhrendurchmesser erstreckende Speiche ausgebildet. Allerdings ist es auch möglich, dass mehrere, sich über den Röhrendurchmesser erstreckende Speichen verwendet werden, welche sich im Querschnittsmittelpunkt des Röhrendurchmessers am Röhrenende kreuzen. An diesem Kreuzungspunkt ist dann vorzugsweise der zweite Aktuator angeordnet. Die Verwendung einer solchen Speiche bzw. einer solchen Art von Speichen hat den Vorteil, dass eine mechanisch hochstabile Anbindung des zweiten Aktuators an den ersten Aktuator möglich ist. Auf den ersten Aktuator wirkende Kräfte werden grundsätzlich von zwei gegenüberliegenden Punkten des Röhrenprofils aufgenommen, sodass ein Abreißen des Anschlags aufgrund eines Wegbiegens des Anschlags vom Röhrenende vermieden wird. Außerdem wird so ein ungewolltes einseitiges Belasten der Röhre verhindert. Die Röhre kann nicht verbogen oder verkantet werden, sodass immer gewährleistet ist, dass der zweite Aktuator und damit das erste Stellglied stets parallel zur Erstreckungsrichtung des ersten Aktuators bewegbar sind, welche die Richtung ist, in welche in effizientester Weise Kräfte auf das erste Stellglied übertragen werden können.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bilden der erste Aktuator und der Anschlag eine L-Form. Durch diese L-Form kann in einfacher und kostengünstiger Weise eine Aktuatorvorrichtung bereitgestellt werden, welche nichtsdestotrotz ungewollte Längenänderungen des zweiten Aktuators aufgrund einer äußeren Temperatureinwirkung kompensieren kann.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Handschuhkasten für ein Kraftfahrzeug, wobei der Handschuhkasten eine Handschuhkastenentriegelung mit einer erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung aufweist.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Aktuatorvorrichtung mit einem Hebel,
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2 eine weitere schematische Ansicht einer Aktuatorvorrichtung,
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3 eine weitere schematische Ansicht einer Aktuatorvorrichtung,
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4 eine weitere schematische Ansicht einer Aktuatorvorrichtung,
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5 eine schematische Ansicht des Röhrenquerschnitts einer röhrenförmigen Aktuatorvorrichtung.
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Im Folgenden sind einander ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer röhrenförmigen Aktuatorvorrichtung 100. Die Aktuatorvorrichtung 100 besteht aus einem Träger 102, welcher im Folgenden als Teil eines hier nicht gezeigten Gehäuses des Aktuatorvorrichtung 100 gesehen wird. Der Träger 102 ist über ein mechanisches Verbindungselement 110 mit dem ersten Aktuator 104 starr verbunden. Dieser erste Aktuator 104 weist ein erstes Ende 118 und ein zweites Ende 120 auf. Das Verbindungselement 110 ist am ersten Ende bzw. dem Bereich des ersten Endes 118 angeordnet.
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Am zweiten Ende 120 des ersten Aktuators 104 ist ein länglicher zweiter Aktuator 106 angeordnet. Der längliche Aktuator 106 verläuft dabei innerhalb des Hohlzylinders, welcher durch den ersten Aktuator 104 gebildet wird.
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Am zweiten Aktuator 106 ist ein erstes Stellglied 108 angeordnet, mittels welchem eine Kraft, resultierend aus einer Längenveränderung des Aktuators 106, auf mechanische Komponenten übertragen werden kann. So ist es zum Beispiel möglich, dass das erste Stellglied 108 direkt mit einer Handschuhkastenentriegelung eines Handschuhkastens eines Kraftfahrzeugs verbunden ist, welcher in der 1 lediglich schematisch durch das Bezugszeichen 112 gekennzeichnet ist. So kann zum Beispiel durch eine elektrische Bestromung des Aktuators 106 der Aktuator 106 in seiner Länge aufgrund einer durch die Bestromung resultierenden Temperaturerhöhung verkürzt werden. Durch diese Verkürzung wird das Stellglied 108 in die Richtung 124 bewegt, wodurch eine entsprechende Entriegelung des Handschuhkastens 112 betätigt wird. Beispielsweise kann ein entsprechender Verschlussbolzen der Handschuhkastenentriegelung von einer Verschlussposition in eine Entriegelungsposition des Handschuhkastens 112 bewegt werden.
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Um nun die Wirkung eines solchen Entriegelungsvorgangs zu verstärken, ist in der 1 ferner eine Hebelvorrichtung 114 vorgesehen, welche starr am Träger 102 angeordnet ist. Die Hebelvorrichtung 114 weist eine Welle 119 auf, die das Biegemoment eines Hebels 116 aufnimmt und als Drehmoment an ein weiteres Stellglied 122 weiterleitet. Hierzu ist der Hebel an einem Ende mit dem zweiten Stellglied 122 verbunden und mit dem anderen Ende mit dem Hebel 108 verbunden. Im Beispiel der 1 ist das zweite Stellglied 122 mit der Handschuhkastenentriegelung des Handschuhkastens 112 verbunden.
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Durch den Hebel kann nun durch geeignete Wahl des Lagerungspunktes des Hebels 116 an der Welle 119 entweder die Übertragung einer großen Hebelkraft auf das Stellglied 122 gewährleistet werden, oder es ist möglich, einen großen Hebelweg bereitzustellen, um somit den Stellweg des Stellgliedes 122 zu maximieren.
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Dadurch, dass der Aktuator 104 über das Befestigungselement 110 am Träger 102 mit seinem Ende 118 befestigt ist und der Aktuator 106 am anderen Ende 120 des Aktuators 104 befestigt ist, wirkt sich eine gleiche Temperatureinwirkung auf den Aktuator 104 und den Aktuator 106 dahingehend aus, dass sich beide Aktuatoren bei entsprechender Ausgestaltung in gleicher Weise zusammenziehen. Dadurch, dass der erste Aktuator 104 über das Verbindungselement 110 am Träger 102 befestigt ist, wird sich bei einer Temperaturerhöhung des Aktuators 104 das Ende 120 entgegen der Richtung 124 bewegen. Dadurch wird auch der Aktuator 106 entgegen der Richtung 124 bewegt. Da nun jedoch auch gleichzeitig eine Temperaturerhöhung des Aktuators 106 aufgrund der äußeren Temperatureinwirkung stattfindet, verkürzt sich der Aktuator 106. Aufgrund der starren Anbindung an das Ende 120 des ersten Aktuators 104 wird sich dadurch das „freie” Ende des Aktuators 106 in Richtung 124 verkürzen. Die resultierende Gesamtlängenveränderung der Aktuatoren 106 und 104 kompensiert sich dabei gegenseitig, sodass damit keine Bewegung des Stellgliedes 108 in ungewollter Weise stattfindet.
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Die 2 zeigt eine weitere schematische Ansicht einer Aktuatorvorrichtung 100. Hier ist der Träger 102 schematisch in Form eines Gehäuses dargestellt, welches sowohl den röhrenförmigen Aktuator 104 als auch den Aktuator 106 umgibt. Der Aktuator 106 ist wiederum am Ende 120 des Aktuators 104 befestigt. Der Aktuator 104 ist mit dem anderen Ende 118 über ein Verbindungselement 110 fest mit dem Gehäuse 102 verbunden.
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Die 3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Aktuatorvorrichtung, bei welcher anstatt eines röhrenförmigen Aktuatorelements 104 lediglich ein längliches Aktuatorelement 300 verwendet wird. Am Ende 120 des Aktuatorelements 300 ist wiederum der Aktuator 106 befestigt. Am gegenüberliegenden Ende ist der Aktuator 300 über ein Befestigungselement 110 fest mit dem Gehäuse 102 verbunden. Zur Befestigung des Aktuators 106 am Aktuator 300 dient nun ein rechtwinklig vom Aktuator 300 abstehender Anschlag 302, sodass der Anschlag 302 und der Aktuator 300 eine L-Form bilden. Der Aktuator 300 und der Aktuator 106 verlaufen parallel zueinander. Ähnlich wie bereits hinsichtlich der 1 erläutert, sind die Aktuatoren 300 und 106 so angeordnet, dass eine gleichmäßig auf beide Aktuatoren einwirkende Temperaturveränderung zu einer gegenseitig kompensierenden Längenveränderung der Aktuatoren 300 und 106 führt.
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Es sei angemerkt, dass zu einer gegenseitigen Kompensation der Längenveränderungen der Aktuatoren 300 und 106 in der 3 bzw. der Aktuatoren 104 und 106 in der 1 die jeweiligen Aktuatoren nicht dieselbe Länge haben müssen und auch nicht aus demselben Aktuatormaterial bestehen müssen. Entscheidend ist lediglich, dass jeweils parallel zueinander angeordnete Aktuatoren so ausgebildet sind, dass eine gleiche Temperatureinwirkung auf die beiden Aktuatoren zu einer gleichen Längenänderung derselben führt. Beispielsweise ist es hier möglich, dass der Aktuator 300 aus einem Material besteht, welches in wesentlich stärkerer Weise als das Material des Aktuators 106 auf eine äußere Temperatureinwirkung längenverkürzend reagiert. In diesem Fall genügt es, wenn die Länge des Aktuators 300 entsprechend kürzer als die Länge des Aktuators 106 ausgelegt ist. Dies ist beispielsweise schematisch in den 1 bis 4 dargestellt. Besonders bevorzugter Weise sind jedoch die in einer Aktuatorvorrichtung verwendeten Aktuatoren aus demselben Material hergestellt und weisen außerdem auch dieselbe Länge auf, sodass hier keine aufwendige Dimensionierung der jeweiligen Aktuatoren für eine Längenkompensation bei einer gleichmäßigen äußeren Temperatureinwirkung notwendig ist.
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Das Aktuatorelement 300 kann jede beliebige längliche Form annehmen, es kann sich hierbei zum Beispiel um einen länglichen Rundstab oder um einen quaderförmigen oder eckigen Stab handeln.
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Die 4 zeigt eine weitere schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Aktuatorvorrichtung. Im Unterschied zur 3 ist in der Aktuatorvorrichtung der 4 ein weiteres Aktuatorelement 400 vorgesehen, welches parallel zum Aktuatorelement 300 und senkrecht zum Anschlag 302 angeordnet ist. Das Aktuatorelement 300, der Anschlag 302 und das Aktuatorelement 400 bilden damit eine U-Form. In gleicher Weise wie das Aktuatorelement 300 ist das Aktuatorelement 400 an dem vom Anschlag 302 beabstandeten Ende über ein Befestigungselement 110 am Gehäuse 102 befestigt. Könnte es in der 3 aufgrund einer Kontraktion des Aktuatorelements 106 in Richtung 306 aufgrund der L-Form von Aktuator 300 und Anschlag 302 über eine einseitige Belastung zu einem starken Biegemoment kommen, welches auf den Aktuator 300 in Richtung 304 wirkt, so wird dies aufgrund der U-förmigen Ausgestaltung der Aktuatoren 300 und 400 in der 4 verhindert. Damit wird einer ungewollten Verformung von Aktuatoren vorgebeugt.
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Die 5 zeigt verschiedene Querschnitte von röhrenförmigen Aktuatoren 104. In der 5a ist ein Querschnitt eines Aktuators 104 gezeigt, wobei der Aktuator 106 im röhrenförmigen Aktuator 104 verläuft. Zur Befestigung des Aktuators 106 am Aktuator 104 ist am Ende 120 des Aktuators 104 ein speichenförmiger Anschlag 500 ausgebildet, wobei sich dieser speichenförmige Anschlag 500 über den Röhrendurchmesser erstreckt und damit auf gleicher Höhe liegende gegenüberliegende Enden des Röhrenquerschnitts miteinander verbindet. Durch eine Längenveränderung des Aktuators 106 auftretende Kräfte werden somit von diesen gegenüberliegenden Enden des Querschnitts des Aktuators 104 aufgenommen.
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In der 5b ist eine weitere Speiche 502 gezeigt, welche rechtwinklig zur Speiche 500 angeordnet ist. Auch diese Speiche 502 verbindet gegenüberliegende Enden des Querschnitts des röhrenförmigen Aktuators 104 miteinander. Im Schnittpunkt der Speichen 500 und 502 ist das Ende des Aktuators 106 zentriert angeordnet.
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Es sei angemerkt, dass anstatt der Verwendung von Speichen auch eine vollflächige Anbindung des Aktuators 106 am Aktuator 104 stattfinden kann, indem am Ende des Aktuators 104 als Anschlag eine Fläche zum Einsatz kommt, wobei sich diese Fläche über den gesamten Röhrendurchmesser erstreckt und damit auf gleicher Höhe liegende gegenüberliegende Enden des Röhrenquerschnitts vollflächig miteinander verbindet. Das bis dahin offene Röhrenende des Aktuators 104 ist damit vollständig von diesem vollflächigen Anschlag abgeschlossen.
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Wichtig ist hier, dass beide Aktuatoren gleichzeitig in gleicher Weise der gleichen Umgebungstemperatur ausgesetzt werden können.
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Es sei noch darauf hingewiesen, dass es allgemein anstatt der Verwendung von lediglich zwei entgegengesetzt wirkenden Aktuatoren auch möglich ist, mehrere Aktuatoren miteinander so zu verbinden, dass die resultierende Bewegung des ersten Stellglieds entsprechend vergrößert wird. In diesem Fall muss jedoch Sorge dafür getragen werden, dass eine kombinierte Längenveränderung aller Aktuatoren aufgrund einer homogenen äußeren Temperatureinwirkung insgesamt zu einer Bewegungskompensation aller Aktuatoren führt, sodass eine Bewegung des ersten Stellgliedes aufgrund einer äußeren Temperatureinwirkung selbst nicht stattfindet.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Aktuatorvorrichtung
- 102
- Träger
- 104
- Aktuator
- 106
- Aktuator
- 108
- erstes Stellglied
- 110
- Verbindungselement
- 112
- Handschuhkasten
- 114
- Hebelvorrichtung
- 116
- Hebel
- 118
- Ende
- 119
- Welle
- 120
- Ende
- 122
- zweites Stellglied
- 300
- Aktuator
- 302
- Anschlag
- 304
- Richtung
- 306
- Richtung
- 400
- Aktuator
- 500
- Speiche
- 502
- Speiche
