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Die Erfindung betrifft einen Aktuator mit einem Stellglied, das ein oder mehrere dünne, längliche Formwandlungselemente, insbesondere einen oder mehrere Drähte, aus einem Formgedächtnismaterial aufweist.
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Um eine lineare oder rotatorische Bewegung zu erzeugen, werden je nach Anforderung verschiedene Aktuatoren eingesetzt, die auf Elektromagneten, Elektromotoren (mit Getriebe), vorgespannten Federsystemen, Pneumatik oder Hydraulik basieren. Es sind auch Aktuatoren bekannt, in denen sogenannte Formgedächtnislegierungen (FGL, engl.: shape memory alloy, SMA) zum Einsatz kommen.
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Formgedächtnislegierungen werden auch als Memorymetalle bezeichnet, da sie sich nach einer Verformung an eine frühere Formgebung „erinnern” können. Physikalisch betrachtet basiert die Formwandlung auf der temperaturabhängigen Gitterumwandlung zweier verschiedener Kristallstrukturen der Legierung. Die Strukturumwandlung kann nicht nur thermisch, sondern auch spannungsinduziert herbeigeführt werden. Für die Aktuatorik sind Formgedächtnislegierungen von Interesse, weil sie sehr große Kräfte praktisch ermüdungsfrei übertragen, auch bei einer sehr großen Anzahl von Bewegungszyklen. Außerdem weisen sie ein im Vergleich zu anderen Aktuator-Werkstoffen auffallend großes spezifisches Arbeitsvermögen (Verhältnis von geleisteter Arbeit zu Werkstoffvolumen) auf.
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Die Verwendung von Stellelementen aus Formgedächtnislegierungen ist auch in der Fahrzeugtechnik bekannt. In der
EP 1 850 359 A2 wird eine rekonfigurierbare, formveränderliche Bedientaste mit einem zentralen Tastenbereich vorgeschlagen, der ein Formgedächtnismaterial mit einer Bistabilität aufweist. Im aktiven Zustand der Taste bildet das Formgedächtnismaterial eine Vorwölbung auf der durch den Randbereich festgelegten Oberflächenebene. Im inaktiven Zustand der Taste bildet das Formgedächtnismaterial eine flache, sich in der Oberflächenebene erstreckende Schicht. Die formveränderlichen Eigenschaften der Taste werden durch Einbetten eines Drahtgeflechts oder eines Dünnfilms aus einer Formgedächtnislegierung in ein dehnbares Material oder alternativ durch Formen der Taste aus einen Formgedächtnispolymer erreicht.
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Die
DE 60 2004 008 189 T2 betrifft eine Stoßfängervorrichtung mit verformbaren Elementen aus Formgedächtnismaterial, die bei einem Aufprall verformt werden. Die verformbaren Elemente sind vor oder zu Beginn des Aufpralls von einer Betriebstemperatur selektiv auf eine höhere Temperatur erwärmbar, um die Energieabsorptionsfähigkeit der Vorrichtung abzustimmen, ohne dabei die Form der Elemente zu verändern. Das Formgedächtnismaterial wird in Form eines oder mehrerer Körper, gerollter Tafeln, Drahtgeflechten, Schäumen oder zusammenschiebbaren Rohren verwendet, die eine voraussagbare Verformung durchmachen, wenn sie Aufprallenergie absorbieren.
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Ein gattungsgemäßer Aktuator ist aus der
DE 10 2010 004 162 A1 bekannt. Bei einem Sicherheitsgurtschlossbringer ist ein Aktuator mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial vorgesehen, um ein Gurtschloss zwischen einer ausgefahrenen und einer verstauten Position zu verrücken. Der Aktuator kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel angeordneten Drähten oder auch aus einem Band aus einer Formgedächtnislegierung bestehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aktuator zu schaffen, der den hohen Anforderungen der Fahrzeugsicherheitstechnik genügt und eine erweiterte Funktionalität bietet.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aktuators sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Aktuator umfasst ein Stellglied, das ein oder mehrere dünne, längliche Formwandlungselemente, insbesondere einen oder mehrere Drähte, aus einem Formgedächtnismaterial aufweist. Das bzw. die Formwandlungselemente sind mittels einer Anregungseinrichtung reversibel verformbar. Gemäß der Erfindung ist zusätzlich zur Anregungseinrichtung eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des einen oder der mehreren Formwandlungselemente vorgesehen.
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Unter einem Formgedächtnismaterial soll hier allgemein ein Material verstanden werden, das eine reversible Formwandlung durchführen kann, wenn es einer Aktivierung, in der Regel eine thermische Stimulation, ausgesetzt wird. Hierzu sind Formgedächtnislegierungen ebenso wie Formgedächtnispolymere, Formgedächtniskeramiken und weitere Materialien zu zählen, welche sich trotz starker Verformung an eine frühere Formgebung erinnern können.
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Der auf der Formwandlung des Stellglieds basierende erfindungsgemäße Aktuator kann dank der zusätzlichen Heizeinrichtung auf zwei verschiedene Arten aktiviert werden. Dies ermöglicht insbesondere einen regulären Betrieb, bei dem der Aktuator mittels der Anregungseinrichtung reversible Kontraktionen bzw. Expansionen durchführt, und unabhängig davon einen Notfallbetrieb, bei dem (primär) die Heizeinrichtung für eine Formwandlung des Stellglieds sorgt.
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Ein solcher Notfallbetrieb ist z. B. bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Aktuators in einem Gurtschlossbringer sinnvoll. Während im regulären Betrieb, der hier auch als Komfortbetrieb bezeichnet werden kann, der Aktuator zur Unterstützung der Bewegung des Gurtschlosses zum Fahrzeuginsassen hin (vor dem Anschnallen) und von diesem weg (nach dem Anschnallen) genutzt wird, sorgt die Heizeinrichtung im Notfallbetrieb des Aktuators, beispielsweise bei Erkennung eines Aufpralls oder einer Kollision des Fahrzeugs, für ein schnelles Wegziehen des Gurtschlosses, um den Sicherheitsgurt zu straffen. Der erfindungsgemäße Aktuator ermöglicht in diesem Anwendungsbeispiel dank der zusätzlichen Funktionalität eine kostengünstige und bauraumoptimierte Integration eines Gurtstraffers in einen Gurtschlossbringer.
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Für eine solche oder ähnliche Anwendungen sollte die Heizeinrichtung so ausgelegt sein, dass sie eine stärkere Verformung des Stellelements herbeiführen kann als die Anregungseinrichtung, die für die „normale” reversible Verformung des Stellelements zuständig ist. Wenn die starke Verformung für einen Notfall vorgesehen ist, kann in Kauf genommen werden, dass diese Verformung irreversibel ist.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktuators ist die Heizeinrichtung innerhalb des Stellelements angeordnet, insbesondere in einem vom Stellelement umgebenen Rohr. Bei einer solchen Anordnung wird die von der Heizeinrichtung nach außen abstrahlende Hitze optimal genutzt, ohne dass eine Umlenkeinrichtung oder dergleichen benötigt wird.
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Die zur reversiblen Anregung der Formwandlung nötige thermische Energie wird am einfachsten elektrisch durch Bestromung des bzw. der Formwandlungselemente zugeführt. Die Anregungseinrichtung umfasst deshalb bevorzugt einen Aktivierungsstromkreis, an den das bzw. die Formwandlungselemente jeweils elektrisch angeschlossen sind.
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Eine besondere Ausführungsform des Stellelements des erfindungsgemäßen Aktuators beruht auf der Erkenntnis, dass die mögliche Kürzung und/oder Längung eines aus einem Formgedächtnisdrahts gebildeten Stellelements signifikant durch die verwendete Drahtlänge, und das Kraftniveau der Formwandlung durch den Drahtdurchmesser und die Anzahl der Drähte sowie durch das verwendete Material bestimmt werden. Für einen leistungsfähigen Aktuator sind somit eine große Drahtlänge und eine hohe Dichte von Drähten aus Formgedächtnismaterial vorteilhaft. Diese Voraussetzungen sind in besonderer Weise bei einer Ausführungsform erfüllt, bei der das eine oder die mehreren Formwandlungselemente eine Maschenware (insbesondere Strick-, Wirk- oder Häkelware), Webware oder Gitterstruktur bilden. Durch eine solche Ausbildung des bzw. der Formwandlungselemente kann eine große effektive Länge an verformbarem Material in einer kompakten Bauform untergebracht werden. Von Vorteil ist, dass das bzw. die Formwandlungselemente eine definierte, regelmäßige Anordnung haben. Dadurch wird neben einer vereinfachten Herstellung, z. B. nach dem Vorbild von entsprechend ausgebildeten Textilien, eine einheitliche, gleichmäßige Formwandlung des gesamten Stellglieds erreicht. Zudem sind dadurch die Bestimmung der Kürzung bzw. Längung des gesamten Stellglieds bei der Produktentwicklung und allgemein die Handhabung des Stellglieds vereinfacht.
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Für bestimmte Anwendungen ist eine Ausbildung des Stellglieds als Schlauch vorteilhaft, da in diesem Fall im Vergleich zu einem zweidimensionalen Geflecht, Gestrick, Gewirke Gewebe, etc. bezogen auf die Bewegungsrichtung des Aktuators eine noch größere Menge an verformbarem Formgedächtnismaterial zur Verfügung steht. Alternativ kann dass das Stellglied aber auch als flaches Band ausgebildet sein, das weniger Bauraum einnimmt. Selbstverständlich sind auch noch andere Formen des Stellglieds denkbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Stellglieds des erfindungsgemäßen Aktuators weisen das eine oder die mehreren Formwandlungselemente eine Vielzahl von Schlingen auf, die in andere Schlingen des bzw. der Formwandlungselemente eingehängt sind. Eine solche Maschenbindung ist im Textilbereich bewährt und lässt sich maschinell ohne Probleme herstellen. Ebenfalls leicht herstellbar ist ein Stellglied, bei dem das eine oder die mehreren Formwandlungselemente nach Art eines Maschendrahtzauns geflochten sind.
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Damit die Kontraktion oder Expansion des Stellglieds in den konkreten Anwendungen des erfindungsgemäßen Aktuators optimal umgesetzt werden kann, ist das Stellglied vorzugsweise auf einer Seite mit einem festen ersten Lager und auf einer anderen Seite mit einem beweglichen zweiten Lager verbunden. Die Formwandlung des bzw. der Formwandlungselement führen dann zu einer Bewegung des zweiten Lagers zum ersten Lager hin bzw. von diesem weg. Diese definierte Bewegung kann zum Verschieben eines Elements, zum Auslösen eines Schaltvorgangs, etc. genutzt werden.
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Die Erfindung schafft auch eine kombinierte Komfort- und aktive Sicherheitsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Aktuator. Die Vorrichtung ist zum einen in einem Komfortmodus so betreibbar, dass die Anregungseinrichtung eine reversible Verformung des Stellelements herbeiführt; zum anderen ist die Vorrichtung in einem Sicherheitsmodus so betreibbar, dass die Heizeinrichtung eine Verformung des Stellelements verursacht.
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Im Hinblick auf eine Nutzung der Heizeinrichtung für einen Notfallbetrieb des Aktuators ist eine Kopplung der Heizeinrichtung an eine Auslösesteuerung vorgesehen, die wiederum mit einer Sensorik zur Detektion eines passiven Lastfalls verbunden ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1a einen Aktuator mit einem Formwandlungselement in einem ersten Zustand;
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1b den Aktuator aus 1a in einem zweiten Zustand;
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2 eine vergrößerte Detailansicht des Stellglieds des Aktuators aus 1a;
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3 eine weiter vergrößerte Detailansicht des Stellglieds des Aktuators aus 1a mit Kraftvektoren; und
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4 einen erfindungsgemäßen Aktuator;
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In den 1a und 1b ist schematisch ein Linearaktuator 10' gezeigt, der reversibel zwischen einem stabilen entspannten Zustand (1a) und einem stabilen kontrahierten Zustand (1b) wechseln kann. Der Aktuator 10' umfasst als wesentliche Bestandteile zwei Lager 12, 14 und ein zwischen den beiden Lagern angeordnetes Stellglied 16.
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Aus 2 geht hervor, dass das Stellglied 16 ein im Verhältnis zu seiner Länge dünnes Formwandlungselement 18 aufweist, das vorzugsweise als Draht ausgebildet ist. Das Formwandlungselement 18 besteht aus einem eingangs beschriebenen Formgedächtnismaterial und ist zu einer Maschenware geformt. Genauer gesagt weist das Formwandlungselement 18 eine Vielzahl von Schlingen 20 auf, die in andere Schlingen eingehängt sind, wie am besten in der Detailansicht der 3 zu erkennen ist.
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Die aus dem Formwandlungselement 18 gebildete Maschenware bildet selbst wiederum einen Schlauch, dessen entgegengesetzte axiale Enden jeweils mit einem der Lager 12 bzw. 14 verbunden sind. In der praktischen Anwendung des Aktuators 10' ist das erste Lager 12 fest, d. h. unbeweglich installiert, während das zweite Lager 14 in axialer Richtung beweglich ist. An den beiden Lagern 12, 14 ist auch jeweils ein Ende des elektrisch leitfähigen Formwandlungselements 18 an einen Aktivierungsstromkreis angeschlossen, der Teil einer Anregungseinrichtung für das Stellelement 16 ist.
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Durch Bestromung und die dadurch herbeigeführte Erwärmung des Formwandlungselements 18 wird dieses zu einer Formwandlung angeregt. Die Formwandlung führt in Axialrichtung zu einer starken Kontraktion des Schlauchs, der aus der Maschenware des Formwandlungselements 18 gebildet ist. Die Ursache für diese Kontraktion ist die thermisch angeregte Verkürzung des länglichen Formwandlungselements 18, die durch dessen Maschenbindung zu einem Schlauch insgesamt zu einer starken, gleichmäßigen Anziehung des beweglichen zweiten Lagers 14 hin zum festen ersten Lager 12 führt. Die Kräfte, die hierbei im Formwandlungselement 18 wirken, sind durch die Kraftvektoren in 3 verdeutlicht. Diese Formwandlung ist reversibel und kann vielfach wiederholt werden.
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Grundsätzlich ist eine umgekehrte Ausführung möglich, bei der eine Bestromung des Formwandlungselements 18 eine Längung und damit eine Expansion des Stellglieds 16 in axialer Richtung bewirkt. Ob eine Erwärmung zu einer Kürzung oder Längung führt, hängt von der Materialauswahl und der Vorbehandlung des Materials ab.
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Das Formwandlungselement 18 kann alleine, oder auch in Verbindung mit einem oder mehreren weiteren Formwandlungselementen, auch auf andere Weise geflochten, gestrickt, gewirkt, gewebt oder zu einer Gitterstruktur (z. B. nach Art eines Maschendrahtzauns) verarbeitet sein. Die beiden Lager 12, 14 können ebenso durch ein einzelnes gerades, linear ausgerichtetes oder optional mit einfacher oder mehrfacher Umlenkung versehenes Formwandlungselement 18 verbunden sein. Auch Drahtpakete mit mehren im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Drähten aus Formgedächtnismaterial können vorgesehen sein. Von wesentlicher Bedeutung ist, dass die Kürzung oder Längung des bzw. der Formwandlungselemente insgesamt zu einer Kontraktion bzw. Expansion des aus dem Geflecht, Gestrick, Gewirke oder Gewebe geformten Stellglieds 16 führt.
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In 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines besonderen Aktuators 10 dargestellt, auf den alles, was zuvor in Bezug auf den in den 1 bis 3 gezeigten Aktuator 10' beschrieben wurde, übertragen werden kann. (Die beiden Lager 12, 14 sind in 4 der besseren Übersichtlichkeit halber nur angedeutet.) Der Aktuator 10 ist speziell für den Einsatz in einer Sicherheitsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen.
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Im Vergleich zum Aktuator 10' weist der Aktuator 10 zusätzlich eine separate Heizeinrichtung 24 auf. Die Heizeinrichtung 24 ist in einem gut wärmeleitenden Rohr 22 aufgenommen, welches wiederum in dem als Schlauch ausgebildeten Stellelement 16 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 24 kann z. B. pyrotechnischer oder elektrischer Art sein und ist an eine Auslösesteuerung gekoppelt, die wiederum mit einer externen Sensorik zur Detektion eines passiven Lastfalls (Aufprall, Kollision) des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Die Heizeinrichtung 24 ist in der Lage, das Stellelement 16, genauer gesagt das bzw. die Formwandlungselemente 18 innerhalb kürzester Zeit so stark aufzuheizen, dass eine sofortige, extrem starke Kontraktion bzw. Expansion des Stellelements 16 erfolgt. Diese Kontraktion bzw. Expansion ist irreversibel.
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Die Auslösesteuerung ist unabhängig vom Aktivierungsstromkreis, mit dem der Aktuator 10 wie zuvor beschrieben reversibel kontrahiert bzw. expandiert werden kann. Es ist jedoch auch eine Ausführungsform möglich, bei der in einem passiven Lastfall die Heizeinrichtung 24 in Kombination mit der thermischen Anregung durch Bestromung für die gewünschte starke Erwärmung des bzw. der Formwandlungselemente 18 betrieben wird.
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Die Heizeinrichtung 24 kann selbstverständlich auch anders ausgebildet sein als in 4 dargestellt. Wichtig ist eine gute Wärmeübertragung auf das bzw. die Formwandlungselemente 18. Die durch die Heizeinrichtung 24 ermöglichte Zusatzfunktion des Aktuators 10 ist grundsätzlich unabhängig von der konkreten Ausbildung oder Form des Formwandlungselements 18 als Maschenware, Gitter o. ä.
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Der Aktuator 10 eignet sich im Fahrzeugbereich somit insbesondere für Komfortanwendungen, die mit einer aktiven Sicherheitseinrichtung gekoppelt sind, wie z. B. ein Gurtschlossbringer mit integriertem Gurtstraffer. Auch für einen Einsatz in einer Fahrzeugsicherheitseinrichtung in Kombination mit pyrotechnischen Aktuatoren ist der Aktuator 10 bestens geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Aktuator
- 12
- erstes Lager
- 14
- zweites Lager
- 16
- Stellglied
- 18
- Formwandlungselement
- 20
- Schlinge
- 22
- Rohr
- 24
- Heizeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1850359 A2 [0004]
- DE 602004008189 T2 [0005]
- DE 102010004162 A1 [0006]
