DE102010015447A1 - Aktuator zur Erzeugung von Stellbewegungen - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur Erzeugung von Stellbewegungen mittels Formgedächtniselementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Formgedächtniselemente sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen zur Erzeugung von Stellbewegungen, initiiert durch eine Erwärmung und eine damit verbundene kristalline Umwandlung. Dabei können sich Formgedächtniselemente an eine durch eine Glühbehandlung zuvor eingeprägte Form erinnern. Diesen Effekt bezeichnet man als thermischen Effekt. Damit eine Wiederholbarkeit der Stellbewegung gewährleistet werden kann, muss ein Rückstellelement vorgesehen sein, welches im kalten Zustand das Formgedächtniselement wieder verformt. Herkömmliche Rückstellfederelemente besitzen jedoch den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer ansteigenden Federkennlinie die Arbeitsleistung des Formgedächtniselementes in nicht unerheblichem Maße reduzieren. Wird das Formgedächtniselement im Anschluss wieder erwärmt, stellt es sich in seine Ausgangsform zurück. Die Erwärmung erfolgt dabei durch ein umgebendes Medium oder durch den elektrischen Eigenwiderstand des Formgedächtniselementes. Die Erwärmung mittels Umgebungsmedium regelt zwar das System intern, lässt jedoch keine externe Regelung der Stellbewegung zu. Die Erwärmung durch den elektrischen Eigenwiderstand ist aufgrund der in technischen Anwendungen oft begrenzten Stromstärke bzw. Spannung zwar nur für kleinere Querschnitte geeignet, besitzt aber den Vorteil einer externen Regelbarkeit.
- Aus der
US 4 806 815 ist ein Linearbewegungsaktor bekannt, der ein Formgedächtniselement in Form eines Drahtes enthält, der sich bei Überschreitung der Umwandlungstemperatur zusammenzieht und dabei ein Betätigungsglied in Form eines Stabes nach oben drückt. Bei Abkühlung des Formgedächtniselementes zieht eine Stahlfeder den Stab wieder in die Ausgangsposition zurück. Das Betätigungsglied führt dazu nur allgemeine Translationsbewegungen aus. In derDE 198 02 639 A1 wird weiterhin eine Bewegungseinrichtung mit Formgedächtnisantrieb beschrieben, bei der ein Formgedächtniselement an einem Betätigungselement durch eine Hülle geführt so angeordnet ist, dass bei einer Kontraktion oder Dehnung des Formgedächtniselementes durch Temperaturänderung eine Stellbewegung des Betätigungselementes ausgelöst wird. Die Rückstellung in den Ausgangszustand erfolgt wiederum durch eine Stahlfeder. - Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator zur Erzeugung von Stellbewegungen mittels Formgedächtniselementen zu schaffen, indem die Rückstellung ebenfalls durch ein Formgedächtniselement übernommen wird, so dass man dadurch eine sehr kompakte und einfache Bauweise eines Aktuators erhält und zusätzlich die Leistungsfähigkeit des Aktuators erhöht wird.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch einen modularen Aufbau, z. B. durch die Integration oder den Anschluss von mechanischen Umformern die Flexibilität und das Einsatzpotential zu erhöhen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen modular ausgebildeten Aktuator mit einem an einem Gehäuse angeordneten, längsgeführten und Stellbewegungen ausführenden Betätigungselement vor, das mit zwei Formgedächtniselementen so gekoppelt ist, dass das erste Formgedächtniselement bei Überschreiten einer Umwandlungstemperatur eine translatorische oder rotatorische Stellbewegung des Betätigungselementes und das zweite Formgedächtniselement eine einstellbare Rückstellbewegung des Betätigungselementes erzeugt.
- Dadurch, dass entgegen dem Stand der Technik bei dieser Ausbildung des Aktuators durch Kopplung des Betätigungselementes mit zwei Formgedächtniselementen mittels des zweiten Formgedächtniselementes eine Rückstellbewegung des Betätigungselementes mit einer optimierten oder einstellbaren Stellbewegung erzeugt wird, ist der Aktuator kompakt aufgebaut und leistungsfähig. Ein wesentlicher Vorteil besteht auch darin, dass durch die modulare Ausbildung des Aktuators sowohl translatorische als auch rotatorische Stellbewegungen des Betätigungselementes mit verschiedenen Stellwegen und -kräften bzw. Stellwinkeln und Momenten erzeugbar sind, als auch eine vielfältige Einsetzbarkeit gewährleitet wird.
- Eine vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass die zwei Formgedächtniselemente unterschiedlich zueinander anordenbar und an dem im Gehäuse längsgeführten Betätigungselement gehalten sind, wobei die zwei Formgedächtniselemente mit ihren beiden freien Enden jeweils an den einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses befestigt sind. Die Befestigung der zwei Formgedächtniselemente ist sowohl an dem Betätigungselement als auch an dem Gehäuse form-, kraft- oder stoffschlüssig vorgesehen. Beispielsweise können die Formgedächtniselemente mittels Schrauben am Gehäuse befestigt werden oder direkt in das Kunststoffgehäuse mit eingegossen bzw. eingespritzt werden.
- In einem Grundaufbau sind die beiden Formgedächtniselemente jeweils mittig an dem im Gehäuse längsgeführten Betätigungselement gehalten und mit ihren beiden freien Enden jeweils an den einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses befestigt, wobei das erste Formgedächtniselement in einer Ausgangslage V-förmig ausgebildet ist und sich bei Überschreiten einer Umwandlungstemperatur der vorliegende Winkel ändert und dadurch das Betätigungselement eine Stellbewegung ausführt. Das zweite Formgedächtniselement weist in dieser Ausgangslage eine im wesentlichen gradlinig ausgebildete Form auf, nimmt jedoch nach der Aktivierung des ersten Formgedächtniselementes eine V-förmige Endlage ein.
- Alternativ ist vorzugsweise als Variation vorgesehen, dass die beiden Formgedächtniselemente mit den Gelenkpunkten eines Gelenkvierecks verbunden und dadurch gekreuzt angeordnet sind oder die beiden Formgedächtniselemente sind rechtwinklig zueinander angeordnet. Durch diese Anordnungen sind Stellwege und -kräfte veränderbar.
- Bevorzugt ist vorgesehen, dass das zweite Formgedächtniselement je nach Einsatzgebiet entweder den thermischen Formgedächtniseffekt oder den pseudoelastischen Formgedächtniseffekt aufweist.
- Das zweite Formgedächtniselement ist ansteuerbar vorgesehen und erzeugt mittels seines thermischen Formgedächtniseffektes unabhängig von der Abkühlung des ersten Formgedächtniselementes durch eine Erwärmung eine Rückstellbewegung des Betätigungselementes, wobei stufenförmige Rückstellcharakteristika erzeugbar sind. Besitzt das zweite Formgedächtniselement den pseudoelastischen Formgedächtniseffekt ist durch eine aktive Ansteuerung die Elastizität des Formgedächtniselementes veränderbar, so dass das zweite Formgedächtniselement unterschiedliche Rückstellkräfte erzeugt.
- Eine bevorzugte Ausführungsform des Aktuators wird darin gesehen, dass die Größe der translatorischen oder rotatorischen Stellbewegung oder die Größe der Stellkraft bzw. des Stellmomentes des Betätigungselementes durch unterschiedliche Anordnungen der Formgedächtniselemente zueinander veränderbar sind, wobei die Größe der translatorischen oder rotatorischen Stellbewegung oder die Größe der Stellkraft des Betätigungselementes mittels eines Übersetzungsgetriebes, vorzugsweise durch ein Hebelgetriebe, veränderbar oder mittels eines Umformgetriebes eine translatorische in eine rotatorische Bewegung umformbar vorgesehen ist.
- Eine vorteilhafte Weiterbildung wird darin gesehen, dass der Aktuator als Baukastensystem ausgebildet ist, welches aus verschiedenen Grundmodulen sowie Sensor-, Umform-, Rast-, Brems- und Heizmodulen besteht, deren Module als Baureihen ausgeführt sind wobei die Module des Aktuators standardisierte mechanische, elektrische und informationstechnische Schnittstellen aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass durch einen modularen und standardisierten Aufbau der Aktuator effizient herstellbar und durch Variationsmöglichkeiten vielfältig einsetzbar ist.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Aktuators in Ausgangsstellung; -
2 den Aktuator in Schaltstellung; -
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Aktuators mit einem Hebelgetriebemodul; -
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aktuators mit einem Umformgetriebemodul; -
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aktuators mit integriertem Gelenkviereck; -
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aktuators mit senkrecht zueinander angeordneten Formgedächtniselementen; -
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aktuators mit Rastmechanismus. -
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktuator mit einem Grundaufbau in einer Ausgangsstellung. In einem Gehäuse1 ist mittig ein Betätigungselement2 in Bohrungen3 ,4 im Gehäuse1 so längsgeführt, dass das Betätigungselement2 eine Translationsbewegung in beiden Richtungen nach oben und unten ausführt. Das Betätigungselement2 besteht aus einem vorzugsweise stabförmigen durch das Gehäuse1 in Längsrichtung durchgehenden Grundkörper5 , der mit einem Kopfteil6 auf dem Gehäuse1 gehalten ist. Das Betätigungselement2 ist mit zwei Formgedächtniselementen7 ,8 mit dem stabförmigen Grundkörper5 in einer Koppelstelle9 gekoppelt, wobei das erste Formgedächtniselement7 durch eine im stabförmigen Grundkörper5 des Betätigungselementes2 angeordnete Querbohrung9 gesteckt und mit seinen beiden freien Enden10 ,11 an den einander gegenüberliegen Gehäuseenden12 ,13 mit dem Gehäuse1 fest verbunden ist. Dabei weist das erste Formgedächtniselement7 in dieser Ausgangslage eine im wesentlichen V-förmig ausgebildete Form auf. Bei Überschreitung der Umwandlungstemperatur zieht sich das erste Formgedächtniselement7 gemäß2 zusammen und das Betätigungselement2 wird dadurch nach oben gedrückt und führt eine translatorische Stellbewegung aus. Das zweite Formgedächtniselement8 ist ebenfalls durch die im stabförmigen Grundkörper5 des Betätigungselementes2 angeordnete Querbohrung9 gesteckt und mit seinen beiden freien Enden14 ,15 mit dem Gehäuse1 fest verbunden und wird dabei ebenfalls verformt. Dazu weist das zweite Formgedächtniselement8 in der Ausgangslage eine im wesentlichen gradlinig ausgebildete Form auf. Weist das zweite Formgedächtniselement8 den thermischen Formgedächtniseffekt auf, so nimmt es bei Erwärmung seine alte Form wieder ein und erzeugt damit eine Rückstellbewegung des Betätigungselementes2 . Weist das zweite Formgedächtniselement8 dagegen den pseudoelastischen Formgedächtniseffekt auf, so wird es bei Abkühlung des ersten Formgedächtniselementes7 durch seine elastischen Eigenschaften das Betätigungselement2 zurückstellen. Besitzt das zweite Formgedächtniselement8 den pseudoelastischen Formgedächtniseffekt, kann es aktiv angesteuert werden und damit seine Elastizität ändern. Die beiden Formgedächtniselemente7 ,8 sind vorzugsweise als Drähte, Stäbe oder Bleche ausgebildet. Das Gehäuse1 sowie das Betätigungselement2 können je nach Einsatzgebiet unterschiedliche Formen aufweisen. Zur flexiblen Ankopplung des Aktuators an andere Systeme sind jeweils am Kopfteil6 und am stabförmigen Grundkörper5 des Betätigungselementes2 Gewinde16 ,17 angeordnet. - In einem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend
3 wird die Größe der translatorischen Stellbewegung des Betätigungselementes2 mittels eines Übersetzungsgetriebemoduls verändert, welches am Standardaktuator befestigt ist. Das Übersetzungsgetriebe ist dabei als Hebelgetriebe18 ausgebildet. Ein Hebel19 des Hebelgetriebes18 ist an einer Lagerstelle20 in einem am Gehäuse1 angekoppelten Gehäusemodul21 gelagert und besitzt die beiden Hebelarme22 ,23 . Der Hebelarm22 ist gelenkig mit dem Ende des stabförmigen Grundkörpers5 des Betätigungselementes2 und der Hebelarm23 gelenkig mit einem Betätigungsbolzen24 , der mittels einer Führung25 im Gehäusemodul21 längsgeführt ist, verbunden, so dass die Translationsbewegung des Betätigungselementes2 aufgrund des Hebelverhältnisses in eine größere Translationsbewegung des Betätigungsbolzens24 übersetzt wird. -
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aktuators, bei dem die Translationsbewegung des Betätigungselementes2 durch ein Umformgetriebemodul26 in eine Rotationsbewegung umgeformt wird. Die Umformung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Zahnstangengetriebe. Das Ende des stabförmigen Grundkörpers5 des Betätigungselementes2 ist dazu als Zahnstange27 ausgebildet. In die Zahnstange27 greift ein Zahnrad28 ein, das im Gehäusemodul21 gelagert ist. Führt das Betätigungselement2 eine translatorische Stellbewegung aus, wird diese in eine rotatorische Stellbewegung umgeformt und weitergeleitet. - In dem in
5 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel sind die beiden Formgedächtniselemente7 ,8 mit Gelenkpunkten29 ,30 ,31 ,32 eines Gelenkvierecks33 verbunden und dadurch gekreuzt angeordnet. Die Gelenkpunkte des Gelenkvierecks können dabei auch als Festkörpergelenke ausgebildet sein. Das Gelenkviereck33 ist im Gehäuse1 so angeordnet, dass es mit seinen unteren Schenkeln34 ,35 auf das Kopfteil6 des Betätigungselementes2 drückt und bei Erwärmung des ersten Formgedächtniselementes7 das Betätigungselement2 eine translatorische Stellbewegung ausführt. Die vorliegende Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der Stellweg des Formgedächtniselementes vergrößert wird. -
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die beiden Formgedächtniselemente7 ,8 rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Das erste Formgedächtniselement7 ist dabei längs des Betätigungselementes2 so angeordnet, dass es mit einem Ende10 am Betätigungselement2 und mit dem anderen Ende11 am Gehäuse1 befestigt ist. Zieht sich das erste Formgedächtniselement7 aufgrund des Thermoeffektes zusammen wird das Betätigungselement2 nach oben gezogen und führt eine translatorische Stellbewegung aus. Die vorliegende Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Zugbeanspruchung des Formgedächtniselementes große Stellkräfte erreichbar sind. - In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist entsprechend
7 ein Aktuator mit einem integriertem Rastmechanismus dargestellt, der die Aufgabe hat, die Endposition des Aktuators stromlos zu halten, so dass der Aktuator eine bistabile Arbeitsweise aufweist. Dazu ist am stabförmigen Grundkörper5 des Betätigungselementes2 ein Sperrelement36 angeordnet, das mit einem Stift37 in eine im Gehäusemodul21 angeordnete kurvenförmige Nut eingreift, die so gestaltet ist, dass der Stift37 bei der translatorischen Stellbewegung des Betätigungselementes2 in der oberen Stellung einrastet und damit das Betätigungselementes2 in dieser Position hält, bis das Sperrelement36 ausgerastet wird. - Zur effektiven Realisierung des Aktuators ist es zweckmäßig, den Aktuator als Baukastensystem auszubilden, der aus verschiedenen Grundmodulen sowie Sensor-, Umform-, Rast-, Brems- und Heizmodulen besteht, deren Module als Baureihen ausgeführt sind, wobei die Module des Aktuators standardisierte mechanische, elektrische und informationstechnische Schnittstellen aufweisen.
- Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Ausführungsbeispiele, sondern ist in der Anordnung, Gestaltung und Art der eingesetzten Formgedächtniselemente und Anschlussmodule variabel. Sie umfasst insbesondere auch Varianten, die durch Kombination von in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale bzw. Elementen gebildet werden können.
- Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie aus den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und in den Ansprüchen erwähnt sind.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gehäuse
- 2
- Betätigungselement
- 3
- Bohrung im Gehäuse
- 4
- Bohrung im Gehäuse
- 5
- stabförmiger Grundkörper
- 6
- Kopfteil
- 7
- erstes Formgedächtniselement
- 8
- zweites Formgedächtniselement
- 9
- Koppelstelle am Betätigungselement
- 10
- Ende des ersten Formgedächtniselementes
- 11
- Ende des ersten Formgedächtniselementes
- 12
- Gehäuseende
- 13
- Gehäuseende
- 14
- Ende des zweiten Formgedächtniselementes
- 15
- Ende des zweiten Formgedächtniselementes
- 16
- Gewinde am Kopfteil
- 17
- Gewinde am stabförmigen Grundkörper
- 18
- Hebelgetriebemodul
- 19
- Hebel
- 20
- Lagerstelle
- 21
- Gehäusemodul
- 22
- Hebelarm
- 23
- Hebelarm
- 24
- Betätigungsbolzen
- 25
- Führung
- 26
- Umformgetriebemodul
- 27
- Zahnstange
- 28
- Zahnrad
- 29
- Gelenkpunkt
- 30
- Gelenkpunkt
- 31
- Gelenkpunkt
- 32
- Gelenkpunkt
- 33
- Gelenkviereck
- 34
- Schenkel des Gelenkvierecks
- 35
- Schenkel des Gelenkvierecks
- 36
- Sperrelement
- 37
- Stift
- 38
- kurvenförmige Nut
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 4806815 [0003]
- DE 19802639 A1 [0003]
Claims (11)
- Aktuator zur Erzeugung von Stellbewegungen mittels Formgedächtniselementen, umfassend ein Gehäuse, an dem ein Betätigungselement angeordnet ist, das in Kopplung mit Formgedächtniselementen Stellbewegungen ausführt und Mittel zur Einstellung und Veränderung der Stellbewegung des Aktuators, dadurch gekennzeichnet, dass ein modular ausgebildeter Aktuator ein an einem Gehäuse (
1 ) angeordnetes und längsgeführte Stellbewegungen ausführendes Betätigungselement (2 ) aufweist, das mit zwei Formgedächtniselementen (7 ,8 ) so gekoppelt ist, dass das erste Formgedächtniselement (7 ) bei Überschreiten einer Umwandlungstemperatur eine translatorische oder rotatorische Stellbewegung des Betätigungselementes (2 ) und das zweite Formgedächtniselement (8 ) eine einstellbare Rückstellbewegung des Betätigungselementes (2 ) erzeugt. - Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Formgedächtniselemente (
7 ,8 ) unterschiedlich zueinander anordenbar und an dem im Gehäuse (1 ) längsgeführten Betätigungselement (2 ) gehalten sind, wobei die zwei Formgedächtniselemente (7 ,8 ) mit ihren beiden freien Enden (10 ,11 ) und (14 ,15 ) jeweils an den einander gegenüberliegenden Ende (12 ,13 ) des Gehäuses (1 ) befestigt sind, und wobei die Befestigung der zwei Formgedächtniselemente (7 ,8 ) sowohl an dem Betätigungselement (2 ) als auch an dem Gehäuse (1 ) form-, kraft- oder stoffschlüssig vorgesehen ist. - Aktuator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Formgedächtniselemente (
7 ,8 ) insbesondere mittels Schraubverbindungen oder Quetschhülsen an dem Gehäuses (1 ) befestigt oder direkt in das Gehäuse (1 ) eingegossen oder eingespritzt sind. - Aktuator nach einem der den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Formgedächtniselement (
8 ) ansteuerbar vorgesehen ist und mittels seines thermischen Formgedächtniseffektes unabhängig von der Abkühlung des ersten Formgedächtniselementes (7 ) durch eine Erwärmung eine Rückstellbewegung des Betätigungselementes (2 ) erzeugt, wobei durch eine gesteuerte Erwärmung stufenförmige Rückstellcharakteristika erzeugbar sind. - Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Formgedächtniselement (
8 ) mittels seines pseudoelastischen Formgedächtniseffektes bei Abkühlung des ersten Formgedächtniselementes (7 ) eine Rückstellung des Betätigungselementes (2 ) vornimmt, wobei das zweite Formgedächtniselement (8 ) aktiv ansteuerbar vorgesehen ist und derart seine Elastizität ändert, dass unterschiedliche Rückstellkräfte erzeugbar sind. - Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der translatorischen und rotatorischen Stellbewegungen oder die Größe der Stellkraft bzw. des Stellmomentes des Betätigungselementes (
2 ) durch unterschiedliche Anordnungen der Formgedächtniselemente (7 ,8 ) zueinander veränderbar sind. - Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der translatorischen oder rotatorischen Stellbewegung oder die Größe der Stellkraft des Betätigungsgliedes (
2 ) mittels eines Übersetzungsgetriebes, vorzugsweise eines Hebelgetriebes veränderbar ist. - Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Umformgetriebes eine Translationsbewegung in eine Rotationsbewegung umformbar vorgesehen ist.
- Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines integrierten Rastmechanismuses oder eines Rastmoduls die Endposition des Betätigungselementes (
2 ) stromlos haltbar vorgesehen ist. - Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der modular als Baukastensystem ausgebildete Aktuator aus verschiedenen Grundmodulen sowie Sensor-, Umform-, Rast-, Brems- und Heizmodulen besteht, wobei die Module als Baureihen ausgeführt sind.
- Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Module des Aktuators standardisierte mechanische, elektrische und informationstechnische Schnittstellen aufweisen.
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