-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Aktuatorvorrichtung.
-
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, magnetisch wirksame Formgedächtnislegierungsmaterialien (MSM-Materialien = Magnetic Shape Memory) für die Aktorik zu benutzen. Zu diesem Zweck wird, wie schematisch in 19 zum vorausgesetzten Stand der Technik gezeigt, ein MSM-Kristallkörper (als Repräsentant für eine Vielzahl von MSM-basierten Materialien, wie etwa Schäumen, Polykristallen, Composites usw. und daraus zu fertigenden Körpern), typischerweise realisiert auf der Basis einer NiMnGa-Legierung, einer Magnetfeldbeaufschlagung ausgesetzt. In der Schemadarstellung der 19 ist in soweit der langgestreckt dargestellte MSM-Kristallkörper 10 geeignet gehalten zwischen einem Paar von Magnetspulen 12, welche, verdeutlicht durch die Strichdarstellung 14, ein horizontal verlaufendes Feld erzeugen und mit diesem den Körper 10 beaufschlagen. Als Reaktion auf die magnetische Feldbeaufschlagung führt der Kristallkörper 10 eine Expansionsbewegung in Pfeilrichtung 16 durch und kann, in einer konkreten Anwendung, mit einem entsprechend angekoppelten Stellpartner zusammenwirken.
-
Damit bieten derartige magnetisch wirksame Formgedächtnislegierungsmaterialien und damit realisierte Aktuatorvorrichtungen eine interessante Möglichkeit, gängige Aktuatorprinzipien (wie etwa elektromagnetische Aktuatoren) zu ersetzen, bzw. zu ergänzen; vorteilhaft ist bei dem verwendeten magnetischen Formgedächtnislegierungsprinzip neben prinzipieller mechanisch-konstruktiver Einfachheit in der Realisierung solcher Vorrichtungen (es bewegt sich kein Anker als Ganzes, es findet lediglich eine Expansion eines Körpers statt), vor allem eine potenziell schnelle Reaktionszeit der Expansion auf das Anlegen eines Magnetfeldes der notwendigen Stärke, darüber hinaus lassen sich, je nach Ausgestaltung, bereits bei aktuellem Technologiestand für viele Anwendungszwecke ausreichende Stellkräfte erzeugen.
-
Gleichwohl bieten derartige, prinzipiell als bekannt vorausgesetzte Aktuatorvorrichtungen auch (prinzip- bzw. konstruktionsbedingt) Nachteile, welche bislang eine wirklich universelle Verwendbarkeit derartiger Aktuatoren einschränken. So ist etwa ein nutzbarer Hub der Expansionsbewegung (d. h. ein Streckenmaß einer von dem Aktuatorkristall durchgeführten Streckbewegung) typischerweise beschränkt auf ca. 3 bis 6% einer entsprechenden axialen Erstreckung des Kristalls, so dass gerade großhubige Bewegungen nur schwierig mittels FGL-Aktuatoren realisierbar sind und daher Bedarf besteht, diesen Expansionshub zu erweitern bzw. bestmöglich zu optimieren.
-
Darüber hinaus weisen typische FGL-Materialien die Eigenschaft auf, dass als Reaktion auf ein Magnetfeld (einer entsprechenden Mindest-Feldstärke) die beabsichtigte Expansionsbewegung stattfindet, nach einem Abfall des Magnetfeldes unter diese Schwelle findet dann jedoch nicht automatisch eine Kompression zurück in den ursprünglichen komprimierten Zustand der mittels Form-Gedächtnislegierungskristall realisierten Expansionseinheit statt. Vielmehr verbleibt der Kristall auch bei Abfall unter eine Expansionsschwelle bzw. bei völligem Abschalten in der expandierten Position. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wird daher diskutiert, das Zurückstellen (d. h. Zurückführen der Expansion in die nicht-expandierte Ausgangsstellung) mit Rückstellmitteln zu realisieren, welche entweder selbst ein (entsprechend gegengesetzt expandierendes) FGL-Stellelement aufweisen, alternativ eine solche Rückstellvorrichtung durch eine eine Rückstellkraft in der Rückstellrichtung und damit entgegen der Expansionsrichtung ausüben. Wenn die Federkraft einer solchen Rückstellfeder bezogen auf eine (unbelastete) Expansionskraft des FGL-Kristalls so eingerichtet ist, dass bei Magnetfeld beaufschlagtem FGL-Material die Expansionskraft die Federkraft übersteigt, findet die beabsichtige Expansionsbewegung statt. Bei Abfall des Magnetfeldes und entsprechendem Abnehmen der Expansionskraft liegt dann jedoch die Federkraft oberhalb der Expansionskraft und führt entsprechend den Kristall zurück in seine kontrahierte Ausgangsposition.
-
Dieser Wirkmechanismus wird anhand der 20 zum angenommenen Stand der Technik verdeutlicht. Ein FGL-Expansionskristall, etwa entsprechend der 19 gezeigten Art, zeigt im Kraft-Weg-(Hub-)Diagramm der 20 einen Hubverlauf (Expansionskraftverlauf), wie er in der oberen Kurve 20 verdeutlicht ist. Es zeigt sich, dass, mit annähernd konstantnegativer Steigung, dieser Expansionskraftverlauf bis zu ca. 0,9 mm Hub verläuft und danach steil abfällt. Die untere Kennlinie als Rückstellkennlinie 22 verdeutlicht, im nicht mit einem Magnetfeld beaufschlagten Zustand des Kristalls, den für ein Rückstellen (Zurückführen) entgegen des Hubwegs notwendigen Krafteinsatz.
-
Kombiniert ist der in der 20 anhand der Kennlinien 20, 22 verdeutlichte FGL-Kristallaktor mit einer Rückstellfeder, welche, als typische Spiralfeder realisiert, in nicht in den Figuren gezeigter Weise stirnseitig mit dem Kristall 10 zusammenwirkt und entgegen der Pfeilrichtung 16 (19) eine Rückstellkraft auf den Kristall ausübt, welche durch die Rückstellkennlinie 24, entsprechend einer als potenziell idealisiert anzunehmenden, Hook'schen Geraden 24 eingerichtet ist.
-
Aus den Schnittpunkten dieser Federkennlinie (eine typische, im vorliegenden Hubbereich anzuwendende Steigung liegt bei ca. 5 N/mm) mit der Hubkennlinie 20 bzw. der Rückstellkennlinie 22 führt zu dem zwischen einer unteren Schubgrenze 26 und einer oberen Hubgrenze 28 begrenzten wirksamen Bewegungs- bzw. Hubbereich des exemplarisch gezeigten FGL-Aktuators. Innerhalb dieses Bereichs sorgt einerseits eine ausreichende Magnetfeldbeaufschlagung des Kristalls für eine die Federkraft übersteigende und damit zum Antreiben eines Stellpartners ausreichende Stellkraft, gleichzeitig ermöglicht, nach Ausschalten bzw. Abfallen des Magnetfeldes, die Rückstellkraft der Feder das Zurückführen (Komprimieren) des Expansionskörpers in seine Ausgangsstellung im Hubbereich etwas oberhalb von 0. Der sich so ergebende Maximalhub liegt im Beispiel damit ca. bei 0,8 mm.
-
Zusätzlich eingezeichnet in die Grafik der 20 mittels der schattierten Fläche 30 ist die sich aus dem Zusammenwirken von Expansionseinheit (bei Magnetfeldbeaufschlagung) und (dieser entgegenwirkenden) Rückstellkraft ergebende effektive (wirksame) Expansionsarbeit, beschrieben als das Integral der Kraftdifferenz beider Partner über den wirksamen Expansionshub (d. h. dem Bereich zwischen den Abschnitten 26 und 28). Nicht nur zeigt sich, dass diese für ein Stellverhalten benutzte Kraftdifferenz im ausgefahrenen (rechtsseitigen) Expansionsbereich kontinuierlich abnimmt und insoweit in Richtung auf die Expansionsrichtung einem Stellpartner zunehmend weniger Antriebskraft zur Verfügung stellt, auch verdeutlicht etwa eine Gegenüberstellung der effektiven Expansionsarbeit (Fläche 30) relativ etwa zur Hysterese-Differenz zwischen Hubkennlinie 20 und Rückstellkennlinie 22 im Expansionsbereich (und darüber hinaus), dass nur ein Bruchteil der vom FGL-Körper ermöglichten Expansionsarbeit, bedingt durch das Zusammenwirken mit der Rückstellfeder, genutzt werden kann.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Aktuatorvorrichtung mit einer ein magnetisch wirksames Formgedächtnislegierungsmaterial aufweisenden Expansionseinheit und einer damit rückstellend zusammenwirkenden Federeinheit so zu verbessern, dass einerseits ein wirksamer Expansionshub (d. h. ein Hub- bzw. Expansionsabstand sowie eine Längendifferenz der Expansionseinheit im komprimierten sowie im expandierten Zustand gegenüber einer einen linear-elastischen Kraftverlauf anbietenden Federkennlinie im Zusammenwirken mit dem Expansionskristall) vergrößert ist, dazu die Möglichkeit geschaffen werden kann, eine wirksame Expansionsarbeit, definiert als die Fläche zwischen dem Expansionskraftverlauf der Expansionseinheit und dem Federkraftverlauf im wirksamen Expansions-Hubbereich, gegenüber einem Zusammenwirken der Expansionseinheit mit einer den linear ansteigenden Kraftverlauf anbietenden Feder zu erhöhen.
-
Die Aufgabe wird durch die Aktuatorvorrichtung mit dem Merkmal des Hauptanspruchs gelöst, ferner durch das Verfahren zum Herstellen einer Aktuatorvorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Dabei bedeutet die erfindungsgemäße „Expansionseinheit” jegliche, mittels eines MSM-Materials realisierte Verkörperung eines solchen Formgedächtinislegierungsmaterials, wobei zwar ein MSM-Kristallkörper eine günstige und übliche Realisierungsform ist, die vorliegende Erfindung hierauf jedoch nicht beschränkt ist. So könnte die Erfindung mittels beliebigen anderen MSM-basierten Materialien, etwa Composites, Schäumen und Polykristallen realisiert werden, sofern diese in der erfindungsgemäßen Weise aktorisch eingesetzt werden können.
-
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise findet, sowohl bei der erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung, als auch beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der Aktuatorvorrichtung, eine gezielte Einstellung, Einrichtung bzw. Auswahl der Federeinheit mittels mindestens einer Feder dieser Federeinheit so statt, dass der Federkraftverlauf der Federeinheit im Hubbereich der Expansionseinheit (d. h. zwischen dem komprimierten und dem expandierten Zustand, bei Belastung durch die Federeinheit) nicht mehr kontinuierlich-linear ansteigend verläuft, sondern einen anderen Kurvenverlauf erfährt, nämlich insbesondere zumindest abschnittsweise im Hubbereich horizontal verläuft (d. h. eine Steigung 0 aufweist), oder gar eine negative Steigung besitzt, insoweit dann einem mit wachsendem Hub abfallendem Expansionskraftverlauf der Expansionseinheit folgt, in einer besonderen Ausführungsform diesem Verlauf parallel oder annähernd parallel folgt. Erfindungsgemäß vorgesehene und durch besondere Ausgestaltung bzw. Einrichtung und Vorwahl der Feder bzw. ihrer Federkennlinieneigenschaften erfindungsgemäß bevorzugte Federkraftverläufe sind eine degressive Kurve, d. h. eine Kurve, deren Steigung (abfallend) mit steigendem Hub zunimmt, ergänzend oder alternativ eine Kurve, welche im Hubbereich einen Extremwert, typischerweise ein Maximum, aufweist, nach welchem (bei wachsendem Hub) die Federkraft abfällt.
-
Diese Varianten der Erfindung verdeutlicht das Diagramm der 1, welches, analog zur Darstellung der 20, als Kraft-Weg-Kennlinie wiederum die Hubkennlinie 20 bzw. die Rückstell-Kennlinie 22 eines FGL-Aktuatorkristalls zeigt, wiederum darin eingezeichnet die Hook'sche linearelastische Federkraftkennlinie 24, welche, etwa repräsentiert durch eine eingriffsseitig am Kristall ansitzende Spiralfeder, durch den linearansteigenden Federkraftverlauf über den Hub beschrieben werden kann und als Maßstab bzw. Vergleich für die erfindungsgemäßen Verbesserungen gilt: So zeigt etwa ein durch die horizontale Kennlinie 31 symbolisierter konstanter Federkraftverlauf (d. h. Steigung = 0), wie nicht nur, insbesondere im rechten (expandierten) Hubbereich, der Schnittpunkt mit der Expansionskennlinie 20 (Expandierungskraftverlauf) zum Erweitern des wirksamen (nutzbaren) Expansionshubs nach rechts verschoben werden kann, (auch würde sich die die nutzbare Expansionsarbeit repräsentierende Fläche 30 um den damit ermöglichten Flächenzuwachs vergrößern. Die degressiv verlaufende Federkennlinie 32, hier mit größerer Steigung im linksseitigen Bereich, verdeutlicht ebenso eine Möglichkeit zur Vergrößerung des wirksamen Bewegungshubs der Gesamtanordnung (bei weiter vergrößerter Hubarbeit), wie ein prinzipiell möglicher abschnittsweise progressiver und damit nicht-linear verlaufender Kurvenverlauf 34. Damit würde zwar in der Regel eine positive Kennlinie (34) nicht zu einer Hubvergrößerung gegenüber der linearen Kennlinie führen aber eine größere resultierende Nettokraft ermöglichen können.
-
All diesen Prinzipien ist gemeinsam, dass sie, relativ zu einer konstantlinearen Federkraftkurve, die Möglichkeit bieten, erfindungsgemäß vorteilhaft, insbesondere im rechtsseitigen (expandierten) Bereich der Kraft-Weg-Kennlinie, den nutzbaren Bewegungshub zu vergrößern und/oder den Flächenbereich zwischen Expansionskraftverlauf und Federkraftverlauf im wirksamen Hubbereich (und damit die Hubarbeit) zu erhöhen.
-
Zur bevorzugten Realisierung der Erfindung bieten sich zahlreiche Vorgehensweisen an, wobei insbesondere Flachfedern bzw., etwa in der Ausprägung als Blatt-, Teller- oder Mäanderfedern, sich als besonderes geeignete Partner für die Expansionseinheit erwiesen haben, zum Zusammenwirken mit dieser in erfindungsgemäß vorteilhafter Weise eine nichtlineare weiter bevorzugt abfallende Federkraftkennlinie anzubieten und insoweit den Hubbereich erfindungsgemäß zu vergrößern.
-
Dabei ist es sowohl möglich, die gewünschten Kennlinieneigenschaften und/oder Nichtlinearitäten der (mindestens einen) Feder durch geeignete Materialwahl zu realisieren, wobei sich etwa Gummi- oder Kunststoffmaterialien als bevorzugte Mittel zum Realisieren eines nicht-linearen Kennlinienverlaufs in erfindungsgemäßer Weise als günstig erwiesen haben, gleichwohl ist es auch weiterbildungsgemäß von der Erfindung umfasst, mehrere (Einzel-) Federn miteinander zu kombinieren, wobei sich hier insbesondere die Möglichkeit ergibt, diese Einzelfedern mit jeweils verschiedenen Feder-Kennlinien-Eigenschaften vorzusehen und dann durch Kombination (etwa dann Addition der jeweiligen Kennlinien) das gewünschte Verhalten der (Gesamt-) Federeinheit einzustellen bzw. zu steuern.
-
Dies gilt insbesondere für solche Federn bzw. Federkombinationen, bei welchen weiterbildungsgemäß ein Extremwert (also z. B. ein Kraftmaximum) im Federkraftverlauf innerhalb des Hubbereichs vorliegt. So kann z. B. in der Art einer so genannten Knackfrosch-Feder ein solcher Extremwert (alternativ auch ein Kennlinien-Wendepunkt und/oder eine starke Anstiegs- bzw. Abfallsposition) eingestellt bzw. gesteuert werden, entsprechend einer jeweiligen beabsichtigten Stellaufgabe.
-
So ist es auch weiterbildungsgemäß vorgesehen, eine Feder (auch innerhalb einer Federkombination) zumindest abschnittsweise so auszugestalten, dass diese eine entgegen der Rückstellrichtung gerichtete Federkraft (typischerweise innerhalb eines Teils bzw. Abschnitts des Hubbereichs) ausübt. Insoweit ließe sich dann diese Wirkung auch nutzen, um etwa gezielt die Expansion des Expansionskristalls zu befördern und/oder unerwünscht starke Rückstellkräfte einer benachbarten, zusammenwirkenden Feder in diesem Bereich zu neutralisieren.
-
Besonders interessant werden diese Effekte einer gezielten, potenziell bereichs- bzw. punktweisen Nichtlinearität und/oder eines Extremverlauf innerhalb der Federkennlinie, wenn zwei Formgedächtnis-Legierungskörper, typischerweise entgegengesetzt und aufeinandergerichtet, miteinander gegen derartige Feder(n) zusammenwirken: so lassen sich etwa multi-stabile (d. h. entlang des Hubbereichs an beliebiger Position stabile) Positionen einstellen, wobei die Anordnung der Expansionseinheit in jeder Position (bei deaktiviertem Magnetfeld) stabil steht.
-
Wie auch die erfindungsgemäß beanspruchte Aktuatorvorrichtung, löst das erfindungsgemäß beanspruchte Verfahren zum Herstellen einer Aktuatorvorrichtung das der Erfindung zugrunde liegende Problem, nämlich, das Vorbestimmen und potenzielle Vergrößern des (wirksamen) Expansionshubs bzw. ein Vergrößern der erreichbaren Expansionsarbeit der Aktuatorvorrichtung.
-
Im Ergebnis ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die Einsatzbreite und damit die Nutzbarkeit bekannter, gattungsgemäßer und ein Formgedächtnislegierungsmaterial aufweisender Aktuatorvorrichtungen spürbar zu verbessern, wobei verschiedene Möglichkeiten der Beeinflussung bzw. Einstellung der Federkraftkennlinie der zusammenwirkenden Rückstellfeder die Möglichkeit an eine Anpassung an eine Vielzahl von Einsatzsituationen von Stellpartnern anbietet.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Figuren; diese zeigen in
-
1 ein Schemadiagramm in der Art einer Kraft-Weg-Kennlinie zum Verdeutlichen des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung;
-
2, 3 mögliche schematische Konfigurationen des Zuordnens der erfindungsgemäßen Feder zu einem MSM-Kristallkörper als Expansionseinheit in den gezeigten Ausführungsbeispielen;
-
4, 5 den schematischen Einsatz von Formfedern zum Erreichen eines im Hubbereich annähernd horizontalen Federkennlinienverlaufs;
-
6 einen alternativen Federkennlinienverlauf, welcher einen Extremwert ausbildet und, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einer typischen Knackfrosch-Federwirkung, einen degressiven Kennlinienverlauf mit einem nachfolgenden progressiven Verlauf kombiniert;
-
7 bis 10 verschiedene Konfigurationen von Flachfedern bzw. deren Kombinationen;
-
11 drei Ansichten zum Verdeutlichen einer resultierenden Federkraftkennlinie, zusammengesetzt aus einem linearen sowie einem abschnittsweise degressiv abfallenden Kennlinienverlauf;
-
12 eine Prinzipdarstellung des Zusammenwirkens eines Aktorkristalls mit einer Flachfeder in verschiedenen Positionen und damit verbundenen umgekehrten Richtungen eines Federkrafteintrags auf den MSM-Kristallkörper;
-
13 zwei Federkennlinien-Darstellungen einer aus gekoppelten Federn gebildeten Federeinheit;
-
14 zwei Federkennlinien-Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels gekoppelter Federn;
-
15, 16 Varianten zur weiteren Kennlinienbeeinflussung durch das Vorsehen verschiedener, variierter Federtypen;
-
17 eine Schemadarstellung einer weiteren Ausführungsform mit zwei entlang einer gemeinsamen Expansionsachse und in ihren Expansionsrichtungen aufeinandergerichteten Kristallkörpern mit zwischenliegend angeordneter Federeinheit;
-
18 Darstellungen zum Verdeutlichen des Kraft-Bewegungsverhaltens der Anordnung der 17 als multistabile Push-Push-Anordnung mit Einzeldarstellungen der Einzelaktuatoren bzw. deren Überlagerungen und
-
19, 20 Darstellungen zum Verdeutlichen des als gattungsbildend herangezogenen Standes der Technik.
-
Die 2 bzw. 3 verdeutlichen mögliche mechanische Konstruktionsvarianten, um die Federeinheit 40 (2) als Zugfeder bzw. eine flache Federeinheit 42 (3) als Druckfeder mit dem MSM-Kristallkörper 10 zusammenwirken zu lassen.
-
Es zeigt sich, dass (über die vorstehend diskutierten prinzipiellen Federkennlininenvorteile hinaus), etwa gegenüber einer Spiralfeder eine bauraumoptimierende Anordnung ermöglicht ist, entweder im Hinblick auf eine minimierte Höhe bzw. Länge (2) bzw. eine minimierte Breite (3). Analog zur Darstellung der 19 würden die Anordnungen von 2 bzw. 3 mit in der Darstellungsebene horizontal verlaufenden Magnetfeldern beaufschlagt.
-
Die 6 verdeutlicht, wie innerhalb eines wirksamen (vorbestimmten) Hubbereichs x zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ein optimierter Federkennlinienverlauf eingesetzt werden kann. Das Diagramm der 6 zeigt mit der Kennlinie 46 einen typischen Verlauf einer so genannten Knackfrosch-Membranfeder, welche sich innerhalb des Hubbereichs (x) zunächst degressiv und dann im letzten Teil des Hubs progressiv verhält. Erkennbar ist, dass (vgl. insoweit die 1) gegenüber einem linear-ansteigenden Hook'schen Federkennlinienverlauf, nicht nur der wirksame Hub effektiv erweitert ist, darüber hinaus folgt die Kennlinie 46 nahezu parallel dem oberen Expansionskraftverlauf des MSM-Kristalls erzeugt insoweit eine über den Hubbereich weitgehend konstante Kraft, bei wiederum vergrößerter Hubarbeit. Eine derartige Feder ließe sich typischerweise durch die Konfiguration der Tellerfeder der 9 erreichen, wobei die einzelnen freien Federabschnitte entsprechend zum Erzeugen des in der 6 gezeigten Umklapp-, Schnapp- bzw. Rückspringeffekts montiert und vorgespannt sind.
-
Alternativen einer derartigen Flachfeder-Konfiguration zeigen die geeignet mäanderartig bzw. flach-spiralförmig ausgestalteten Federvarianten der 7 und 8, eine mögliche Kombination (durch axiales Schichten) die 10.
-
Anhand der 11 bzw. der dortigen Einzeldarstellungen (a) bis (c) wird verdeutlicht, dass eine Federkombination, nämlich eine Federkraft-Addition einer klassisch-linearen Feder (11a) mit dem Verlauf 48 in Verbindung mit einer vorbeschriebenen nicht-linearen, typischerweise rückspringenden Verlaufsform 50 (11b) in der Addition den Kurvenverlauf 52 erbringt. Eingetragen in die Expansionssituation der 11c zeigt dieser resultierende Federkraftverlauf 52 wiederum deutliche Verbesserungen gegenüber dem kontinuierlich-linearen Vergleichsverlauf der 11a, sowohl im Hinblick auf einen erweiterten wirksamen Expansionshub, als auch betreffend die erreichbare Expansionsarbeit.
-
Die 12 zeigt in der Schemadarstellung (a) bis (c) die Möglichkeiten, wie ein langgestreckter FGL-Kristallkörper als Aktuator zusammenwirken kann mit einer idealisiert gezeigten Flachfeder; so würde etwa in der Darstellung der 12a eine endseitig am Kristallkörper 10 anliegende Feder zunächst eine nach links gerichtete Gegenkraft auf den nach rechts expandierenden Kristallkörper ausüben, über eine Mittellage (b) sich bis hin zu einer Federposition in 12c bewegen, in der die Gegenkraft wiederum die Druckkraft des Kristallkörpers in dieser Expansionslage erreicht. Dieses Verhalten ist vorteilhaft, um die verhältnismäßig große Kraftentwicklung des Kristallkörpers bei geringen Expansionen auszunutzen, die von diesem geleistete Arbeit teilweise als Federenergie zwischen zu speichern und für größere Expansionen, wo ein potentieller Kraftmangel des Kristallkörpers vorliegt, wiederum freizugeben und einer externen Stellaufgabe zuzuführen.
-
Auch die Ausführungsbeispiele der 13 bis 16 verdeutlichen, wie sich weiterbildungsgemäß im Rahmen der Erfindung resultierende Federkraftkennlinien durch Überlagern bzw. Addieren von einzelnen Verläufen gezielt einstellen und einrichten lassen. So verdeutlicht etwa 13a mit einer auf Zug (Kraftverlauf 54) und einer auf Druck (Kraftverlauf 52) eingerichteten Feder mit jeweils linearer Kennlinie, dass sich aus einer derartigen Kombination zweier Einzelfedern im Rahmen der erfindungsgemäßen Federeinheit eine resultierende Federkraftkennlinie 56 mit im Rahmen der Erfindung bevorzugtem Federverlauf erreichen lässt. Die Zugfeder verliert hier an Kraft mit zunehmender Expansion des zugeordneten FGL-Kristallkörpers und damit mit Kompression der Zugfeder, während die Druckfeder gleichzeitig an Kraft zunimmt.
-
Dabei ist es möglich und der erzielten Wirkung nicht abträglich, dass etwa die die Kennlinie 52 anbietende Feder im linksseitigen (gering expandierten) Hubbereich sogar eine negative Kraft, d. h. eine Zugkraft in der Expansionsrichtung, ausübt; in der resultierenden Kennlinie 56 wirkt dieser Effekt insoweit vergleichsmäßigend.
-
Generell ermöglicht uns die vorliegende Erfindung, den Kraftverlauf bzw. die Kraftentfaltung der (durch die Federeinheit belasteten) Expansionseinheit zu beeinflussen: so zeigt etwa der Vergleich der 14a (insoweit entsprechend 6) mit der 14b, bei welcher im Diagramm die Verläufe von Hubkraft 20 bzw. Rückstellkraft 22 um den Federkraftverlauf 58 durch Differenzbildung bereinigt wurden, wie die resultierenden Kraftverläufe 20' bzw. 22', praktisch über den gesamten Hubbereich, annähernd konstant sind, insoweit einem nachgeschalteten Stellpartner über den Hubbereich eine konstante Stellkraft im Expansionsbetrieb anbieten können.
-
Eine Variante verdeutlicht insoweit die 15 und 16: Hier wurden Membranfedern zu Grunde gelegt, mit denen wiederum ein am Hubbeginn erreichter Kraftüberschuss zur Umsetzung in Federenergie genutzt wird, die am Ende der Kennlinie in Richtung der Expansionsposition die zur Verfügung stehende Kraft erhöhen kann.
-
Dies kann auch beispielsweise durch eine Kombination von zwei Spiral- oder Mäanderfedern realisiert werden, die in ihrer jeweiligen Wirkungsrichtung gegeneinander arbeiten.
-
Eine zum Realisieren einer multistabilen Push-Push-Anordnung geeigneter Ausführungsformen der Erfindung zeigen die 17 bzw. 18: hier sind zwei Aktuatoren (10, 10a) gegeneinander gerichtet und wirken entlang einer gemeinsamen Expansionsachse gegen im Mittelbereich vorgesehene Federn, wobei die 18 eine Hubarbeit bzw. jeweilige Kraftverläufe verdeutlicht. Interessant ist, dass eine Mehrzahl entlang der Expansionsrichtung verschiedener und durch das Schnapp- und Klappverhalten der eingesetzten Federn stabiler Positionen erreichbar ist.
-
Im Prinzip dient bei einem solchen System mit zwei aufeinander gerichteten Aktuatoren gemäß 17 (ohne das Vorsehen von Federn) einer dieser MSM-Aktuatoren als Rücksteller in der Art einer Rückstellfeder, für den jeweils anderen MSM-Aktuator.
-
Werden in ein solches System nun Federn integriert, etwa Federn zum Bewirken eines vorbeschriebenen Knackfrosch-Effektes (siehe die vorgelagerte Beschreibung), entstehen die einzelnen und kombinierten Kurvenverläufe der 18: Es kann der „Kraftüberschuss” bei geringen Dehnungen und der „Kraftmangel” bei größeren Dehnungen eines drückenden, expandierenden Elements ausgeglichen werden, in dem die Energie zunächst anteilig in das Überdrücken der zugeordneten Feder (etwa typischerweise bis zur Mittelposition) geht und diese Feder ab dort durchschnappt, die Energie also bei größeren Hüben wieder frei gibt und den expandierenden Aktuator unterstützt. Damit lässt sich in der Kennlinienbetrachtung das Kraft-Weg-Verhalten des MSM-Elements und der zugeordneten Feder addieren. Wird dann eine zweite Feder für das zweite, gegenüberliegende MSM-Element eingesetzt, gilt dieses Prinzip für zunächst beide Partner getrennt. Die gegeneinander wirkenden summierten Kennlinien können, je nach Federkennlinie (n) dann wiederum für einen größeren Netto-Hub und/oder eine größere Nettoarbeit sorgen, wie die nachfolgenden Darstellungen der 18 im Zusammenwirken verdeutlichen.
-
So beschreibt etwa (a) der 18 die Hub- sowie die Rückstellkennlinie für den ersten, linksseitigen Aktuator A in 17 unter Einschluss der Kraftbeiträge der beiden Federn (Aktionskraft, durchgezogene Linie bzw. Rückstellkraft, gestrichelte Linie), ebenso wie analog in Diagramm (b) diese Hub- sowie Rückstellkennlinie für den rechtzeitigen Aktuator B (17) isoliert dargestellt ist. Diagramm c) überlagert diese Kennlinien über den gemeinsamen Bewegungshub in horizontaler Richtung.
-
Die Diagramme (d) und (e) für den Aktuator A beschreiben die Bewegung dieses Aktuators im Zusammenwirken mit dem Partner B der Gestalt, dass als schraffierter Bereich die sich zwischen dem aus der Hubkraft A und der (gekoppelten) Rückstellkraft des Partners B ergebene Arbeit, wobei die Pfeilrichtung in (e) die Expansion von Aktuator A beschreibt. Entgegengesetzt und analog verdeutlichen die Diagramme (f) und (g) Aktion in entgegengesetzter Richtung, nämlich Hub durch Aktuator B bei Kompression von Aktuator A und entsprechend zwischen diesen Kurven beschriebener Arbeit (siehe Pfeilrichtung in (g)). Grafik (h) überlagert nun diese jeweiligen Arbeitsflächen.
-
Im praktischen Betrieb einer Realisierungsform gem. 17 bedeutet dies zunächst, dass eine Bewegung eines ersten Aktuators in positiver Richtung, etwa eine Dehnung, eine Kompression des jeweiligen anderen Partners bewirkt und umgekehrt, jeweils unterstützt durch die zugeordneten Federn. Entlang der gemeinsamen Bewegungsachse ist damit dieses Prinzip wirksam bis zur derjenigen Position, an welcher eine erzeugte Kraft des drückenden expandierenden Elements die erforderliche Rückstell- bzw. Kompressionskraft des entsprechend komprimierten Partners unterschreitet.
