DE102012223602A1

DE102012223602A1 - Aktuator aus Formgedächtnislegierung

Info

Publication number: DE102012223602A1
Application number: DE102012223602A
Authority: DE
Inventors: Bret M. Olson; Vijay A. Neelakantan; Zhe Xie
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-06-27
Also published as: CN103174862B; US20130160445A1; US8707694B2; CN103174862A

Abstract

Eine Vorrichtung oder ein Aktuator weist eine erste Komponente auf, die aus einer Formgedächtnislegierung (SMA) besteht und eine Kraft auf eine zweite Komponente der Vorrichtung anlegt, um einen steuerbaren Aktuator bereitzustellen. Die SMA-Komponente wird durch Verwendung eines aktiven elektrischen Stroms hindurch selektiv erregt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Aktuatoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Aktuatoren mit Komponenten, die aus einer Formgedächtnislegierung bestehen.
HINTERGRUND
Die Anmerkungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformation in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung dar und können, brauchen jedoch nicht Stand der Technik zu bilden.
Typische Kraftfahrzeuge verwenden verschiedene Typen von Aktuatoren. Beispielsweise werden Aktuatoren als Hydraulikventile, mechanische Kolbenaktuatoren, Kupplungsmechanismen beim Betrieb des Fahrzeuggetriebes, Motors, angetriebenen Sitzen oder irgendeiner anderen Vorrichtung oder Einrichtung verwendet, die eine physikalische Bewegung einer Komponente erfordern, um die Vorrichtung oder Einrichtung in Eingriff zu bringen oder außer Eingriff zu bringen.
In letzter Zeit verwenden gewisse Aktuatoren Formgedächtnislegierungen, um eine Betätigungskraft aufzubringen. Formgedächtnislegierungen besitzen die gewünschte Eigenschaft, starr zu werden, wenn sie über eine Übergangstemperatur erhitzt werden, so dass sich die aus der Formgedächtnislegierung geformte Komponente kontrahiert, wodurch die Betätigungskraft aufgebracht wird. Um die Betätigungskraft zu beseitigen, muss jedoch die Formgedächtnislegierung abkühlen, bevor die Legierung erneut erhitzt werden kann, um den Aktuator in Eingriff zu bringen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Vorrichtung oder ein Aktuator umfasst eine erste Komponente, die aus einer Formgedächtnislegierung (SMA) besteht und eine Kraft auf eine zweite Komponente der Vorrichtung aufbringt, um einen steuerbaren Aktuator bereitzustellen. Die SMA-Komponente wird durch Anlegen eines aktiven elektrischen Stroms durch diese selektiv erregt. Die Vorrichtung oder der Aktuator selbst kann ein hydraulischer oder mechanischer Mechanismus sein. Es kann mehr als eine SMA-Komponente verwendet werden, um schnellere Rückstellmechanismen bereitzustellen.
Die Vorrichtungen, die mehrere SMA-Komponenten verwenden, sind auf Grundlage des Typs des Gebrauchs der SMA-Komponenten entweder entgegenwirkend bzw. antagonistisch oder nicht-antagonistisch. Antagonistische Vorrichtungen verwenden die mehreren SMA-Komponenten, um auf dieselbe Komponente der Vorrichtungen in entgegengesetzten Richtungen zu wirken und werden selektiv erregt, um eine Hin- und Herbetätigung bereitzustellen. Die nicht antagonistischen Vorrichtungen verwenden die mehreren SMA-Komponenten, um auf eine verschiedene Komponente in dem Aktuator zu wirken, um immer noch dieselbe funktionale Wirkung des Aktuators zu erzeugen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsbereiche werden aus der hier vorgesehenen Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die Beschreibung und spezifische Beispiele nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung auf irgendeine Weise einzuschränken. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei stattdessen die Darstellung der Grundsätze der Erfindung hervorgehoben ist. In den Zeichnungen ist/sind:
1 eine schematische Ansicht eines hydraulischen Steuerventils gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Ansicht eines noch weiteren hydraulischen Steuerventils gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Ansicht eines Hydraulikventils gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Ansicht eines mechanischen Kolbenaktuators gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Ansicht eines noch weiteren mechanischen Kolbenaktuators gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
6A–6D schematische Ansichten eines anderen Hydraulikventils gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung; und
7A und 7B schematische Ansichten eines noch weiteren hydraulischen Ventils gemäß den Grundsätzen der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken.
Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine antagonistische Vorrichtung, ein Aktuator, der die Grundsätze der vorliegenden Erfindung verkörpert, hier dargestellt und mit 10 bezeichnet. Der Aktuator dient als ein hydraulisches Steuerschieberventil 12 mit drei Schieberabschnitten 14, 16 und 18, das sich in einer Bohrung 20 zwischen zwei Anschlägen 32 und 34 hin- und herbewegt. Der Aktuator 10 weist ferner einen Einlassdurchlass 22, zwei Auslasssteuerdurchlässe 24 und 26 und einen Austragsdurchlass 28 auf. Wenn sich das Ventil 12 zwischen den beiden Anschlägen 32 und 34 hin- und herbewegt, öffnen und schließen die Schieberabschnitte 14, 16 und 18 selektiv den Einlassdurchlass 22 und die Steuerdurchlässe 24 und 26, um die Strömung eines Hydraulikfluides von dem Einlassdurchlass zu den Auslassdurchlässen zu steuern und damit einen Mechanismus zu betätigen, der mit den Steuerdurchlässen 24 und 26 verbunden ist und damit in Kommunikation steht. Zwischen dem Anschlag 32 und dem Schieberabschnitt 14 ist ein Vorspannelement 29 positioniert, das mit einem Ende an dem Schieberabschnitt 14 und mit dem anderen Ende an einer Pendeleinrichtung 35 befestigt ist, und ein weiteres Vorspannelement 30 ist zwischen dem Anschlag 34 und dem Schieberabschnitt 18 positioniert und ist mit einem Ende an dem Schieberabschnitt 18 und mit dem anderen Ende an einer Pendeleinrichtung 37 befestigt. Die Vorspannelemente 29 und 30 können Spiralfedern sein, wie in 1 gezeigt ist, oder können irgendeine andere geeignete Komponente sein, die den Schieberabschnitt 14 weg von dem Anschlag 32 vorspannt bzw. den Schieberabschnitt 18 weg von dem Anschlag 34 vorspannt. Die Pendeleinrichtung 35 ist mit einem Draht 36 verbunden, der an einem stationären Element 40 befestigt ist, wie beispielsweise einer starren Befestigung in dem Getriebegehäuse. Und die Pendeleinrichtung 37 ist mit einem Draht 38 verbunden, der an dem stationären Element 40 befestigt ist.
Jeder der Drähte 36 und 38 ist aus einer Formgedächtnislegierung geformt. Formgedächtnislegierungen besitzen die gewünschte Eigenschaft, starr zu werden, dies bedeutet, zu einem erinnerten Zustand zurückzukehren, wenn sie über eine Übergangstemperatur erhitzt werden. Eine Formgedächtnislegierung, die für die Drähte 36 und 38 geeignet ist, ist Ni-Ti, das unter dem besser bekannten Namen Nitinol bekannt ist. Wenn dieses Material über die Übergangstemperatur erhitzt wird, erfährt das Material eine Phasentransformation von Martensit auf Austenit, so dass das Material in seinen erinnerten Zustand zurückkehrt. Die Übergangstemperatur ist von den relativen Verhältnissen der Legierungselemente Ti und Ni (Ni-Ti) und dem optionalen Einschluss von Legierungsadditiven abhängig. Es sei angemerkt, dass eine beliebige andere geeignete Formgedächtnislegierung für das Ventilelement 25 verwendet werden kann, wie Ag--Cd, Au--Cd, Au--Cu--Zn, Cu--Al, Cu--Al--N, Cu--Zn, Cu--Zn--Al, Cu--Zn--Ga, Cu--Zn--Si, Cu--Zn--Sn, Fe--Pt, Fe--Ni, In--Cd, In--Ti und Ti--Nb.
Wie oben angemerkt ist, sind bei dieser bestimmten Implementierung die Drähte 36 und 38 aus Nitinol mit einer gewünschten Übergangstemperatur hergestellt. Somit befinden sich, wenn die Temperatur der Drähte 36 und 38 kleiner als die Übergangstemperatur ist, die Drähte 36 und 38 in dem martensitischen Zustand. Und wenn die Temperatur eines Drahtes 36 oder 38 so erhitzt wird, dass eine Temperatur die Übergangstemperatur überschreitet, wandelt sich die Legierung in dem Draht 36 oder 38 zu Austenit um, so dass der Draht in seinen erinnerten Zustand zurückkehrt, der in diesem Fall ein kontrahierter Zustand ist.
Bei einigen Implementierungen können die Drähte 36 und 44 durch Vorspannelemente 42 und 44 ergänzt werden, die sich zwischen der Pendeleinrichtung 35 und dem stationären Element 40 bzw. zwischen der Pendeleinrichtung 37 und dem stationären Element 40 erstrecken. Die Vorspannelemente 42 und 44 können genauso aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt sein. Alternativ dazu weist bei einigen Anordnungen der Aktuator 10 nur die Vorspannelemente 42 und 44, die aus Formgedächtnislegierung bestehen, und nicht die Drähte 36 und 44 auf.
Wenn der Aktuator 10 in Gebrauch steht, wird ein Strom entweder an den Draht 36 oder den Draht 38 angelegt, um den hydraulischen Controller zu betätigen. Genauer wird, wenn ein Strom an den Draht 36 angelegt wird, der Draht über die Übergangstemperatur erhitzt, so dass sich die Formgedächtnislegierung in dem Draht 36 zu Austenit umwandelt, was eine Kontraktion des Drahtes 36 bewirkt. Diese Kontraktion zusammen mit der Vorspannkraft, die durch das Vorspannelement 29 aufgebracht wird, bewegt die Pendeleinrichtung 35 nach links und zieht folglich das Ventil 12 ebenfalls nach links. Die Bewegung des Ventils 12 nach links dehnt das Vorspannelement 30 aus.
Wenn der Strom von dem Draht 36 beseitigt wird und ein Strom an den Draht 38 angelegt wird, kehrt die Formgedächtnislegierung in dem Draht 36 in den martensitischen Zustand zurück, und die Legierung in dem Draht 38 wandelt sich zu Austenit um. Daher entspannt sich der Draht 36, während der Draht 38 kontrahiert. Demgemäß bewegt sich die Pendeleinrichtung 37 wie auch das Ventil 12 nach rechts, wobei das Vorspannelement 30 komprimiert und das Element 29 ausgedehnt wird. Somit werden durch Anlegen eines gewünschten Stromes an entweder den Draht 36 oder 38 das Ventil 12 und daher die Abschnitte 14, 16 und 18 in der Bohrung 20 vor und zurückbewegt, um den Einlassdurchlass 22, den Austragsdurchlass 28 und die Auslasssteuerdurchlässe 24 und 26 selektiv zu öffnen und zu schließen. Die Verwendung sowohl der Drähte 36 als auch 38 kann die Hin- und Herbewegung des Ventils 12 beschleunigen. Es sei erinnert, dass bei gewissen Implementierungen der Aktuator 10 Vorspannelemente 42 und 44 zusätzlich oder anstelle der Drähte 36 und 38 aufweist. Diese Vorspannelemente 42 und 44 können aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt sein, so dass ein Strom selektiv an die Elemente 42 und 44 angelegt werden kann, um das hydraulische Steuerventil auf eine Weise zu betätigen, die ähnlich der ist, die oben unter Bezugnahme auf die Drähte 36 und 38 beschrieben ist.
Nun Bezug nehmend auf 2, einer antagonistischen Vorrichtung, ist ein Aktuator 100 gezeigt, der als ein hydraulisches Steuerventil angeordnet ist. Der Aktuator 100 weist ein Ventil 112 mit drei Schieberabschnitten 114, 116 und 118 auf, das sich in einer Bohrung 120 zwischen zwei Enden 132 und 134 hin- und herbewegt. Der Aktautor 100 weist ferner einen Einlassdurchlass 122, zwei Auslasssteuerdurchlässe 124 und 126 und einen Austragsdurchlass 128 auf. Wenn sich das Ventil 112 zwischen den beiden Enden 132 und 134 hin- und herbewegt, öffnen und schließen die Schieberabschnitte 114, 116 und 118 selektiv den Einlassdurchlass 122 und die Steuerdurchlässe 124 und 126, um die Strömung eines Hydraulikfluides von dem Einlassdurchlass zu den Auslassdurchlässen zu steuern und damit einen Mechanismus zu betätigen, der mit den Steuerdurchlässen 124 und 126 verbunden ist und mit diesen in Kommunikation steht. Zwischen dem Ende 132 und dem Schieberabschnitt 114 ist ein stationäres Element 135 positioniert, an dem ein Ende eines Vorspannelements 129 befestigt ist. Das andere Ende des Vorspannelements 129 ist an dem Schieberabschnitt 114 befestigt. Gleichermaßen ist ein stationäres Element 137 zwischen dem Ende 134 und dem Schieberabschnitt 118 positioniert. Ein Ende eines Vorspannelements 130 ist an dem stationären Element 137 befestigt, und das andere Ende ist an dem Schieberabschnitt 118 befestigt. Die Vorspannelemente 129 und 130 werden aus einer Formgedächtnislegierung (engl.: ”smart member alloy”) hergestellt, wie oben beschrieben ist, und können Spiralfedern sein, wie in 2 gezeigt ist, oder irgendeine andere geeignete komprimierbare Komponente sein.
Wenn der Aktuator 100 in Gebrauch steht, wird ein Strom an entweder das Vorspannelement 129 oder 130 angelegt, um das hydraulische Steuerventil zu betätigen. Genauer wird, wenn ein Strom an das Vorspannelement 129 angelegt wird, das Vorspannelement über die Übergangstemperatur erhitzt, so dass die Formgedächtnislegierung in dem Vorspannelement 129 zu Austenit umgewandelt wird, was zur Folge hat, dass das Vorspannelement 129 kontrahiert. Diese Kontraktion zusammen mit der Vorspannkraft, die durch das Vorspannelement 130 auf den Schieberabschnitt 118 aufgebracht wird, bewegt das Ventil 112 nach links. Die Bewegung des Ventils 12 nach links dehnt das Vorspannelement 130 aus.
Wenn der Strom von dem Vorspannelement 129 beseitigt wird und ein Strom an das Vorspannelement 130 angelegt wird, kehrt die Formgedächtnislegierung in dem Vorspannelement 129 in den martensitischen Zustand zurück, und die Legierung in dem Vorspannelement 130 wandelt sich zu Austenit um. Daher kehrt das Vorspannelement 129 in seinen entspannten Zustand zurück, während das Vorspannelement 130 kontrahiert. Demgemäß bewegt sich das Ventil 112 nach rechts, was das Vorspannelement 130 komprimiert und das Element 129 ausdehnt. Somit werden durch Anlegen eines gewünschten Stroms an entweder das Vorspannelement 129 oder 130 das Ventil 112 und daher die Abschnitte 114, 116 und 118 in der Bohrung 120 vor und zurück bewegt, um den Einlassdurchlass 122, den Austragsdurchlass 128 und die Auslasssteuerdurchlässe 124 und 126 selektiv zu öffnen und zu schließen.
Nun Bezug nehmend auf 3, einer antagonistischen Vorrichtung, ist ein Aktuator gezeigt, der als ein Hydraulikventil 200 konfiguriert ist. Das Ventil 200 weist ein Ventil 212 mit zwei Schieberabschnitten 214 und 216 auf, das sich in einer Bohrung 220 zwischen zwei Enden 232 und 234 hin- und herbewegt. Das Ventil 200 weist ferner einen Einlassdurchlass 222, einen Auslassdurchlass 224 und einen Austragsdurchlass 228 auf. Wenn sich das Ventil 212 zwischen den beiden Enden 232 und 234 hin- und herbewegt, öffnen und schließen die Schieberabschnitte 214 und 216 selektiv den Einlassdurchlass 222 und den Auslassdurchlass 224, um die Strömung eines Hydraulikfluides von dem Einlassdurchlass zu dem Auslassdurchlass zu steuern und damit das Ventil 200 zu betätigen. Zwischen dem Ende 232 und dem Schieberabschnitt 214 ist ein stationäres Element 235 positioniert, an dem ein Ende eines Vorspannelements 229 befestigt ist. Das andere Ende des Vorspannelements 229 ist an dem Schieberabschnitt 214 befestigt. Gleichermaßen ist ein stationäres Element 237 zwischen dem Ende 234 und dem Schieberabschnitt 216 positioniert. Ein Ende eines Vorspannelements 230 ist an dem stationären Element 237 befestigt, und das andere Ende ist an dem Schieberabschnitt 216 befestigt. Die Vorspannelemente 229 und 230 sind aus einer Formgedächtnislegierung (engl.: ”smart member alloy”) geformt, wie zuvor beschrieben wurde, und können Spiralfedern, wie in 3 gezeigt ist, oder irgendeine andere geeignete Komponente sein, die den Schieberabschnitt 214 weg von dem Ende 232 vorspannt bzw. den Schieberabschnitt 216 weg von dem Ende 234 vorspannt.
Wenn das Ventil 200 in Gebrauch ist, wird ein Strom an entweder das Vorspannelement 229 oder 230 angelegt, um das Ventil zu betätigen. Genauer wird, wenn ein Strom an das Vorspannelement 229 angelegt wird, das Vorspannelement über die Übergangstemperatur erhitzt, so dass sich die Formgedächtnislegierung in dem Vorspannelement 229 zu Austenit umwandelt, was eine Kontraktion des Vorspannelements 229 zur Folge hat. Diese Kontraktion zusammen mit der durch das Vorspannelement 230 aufgebrachten Vorspannkraft bewegt das Ventil 212 nach links. Die Bewegung des Ventils 212 nach links dehnt das Vorspannelement 230 aus.
Wenn der Strom von dem Vorspannelement 229 beseitigt wird und ein Strom an das Vorspannelement 230 angelegt wird, kehrt die Formgedächtnislegierung in dem Vorspannelement 229 in den martensitischen Zustand zurück, und die Legierung in dem Vorspannelement 230 wandelt sich zu Austenit um. Daher kehrt das Vorspannelement 229 in seinen entspannten Zustand zurück, während das Vorspannelement 230 kontrahiert. Demgemäß bewegt sich das Ventil 212 nach rechts, wobei das Vorspannelement 230 komprimiert wird und das Element 229 ausgedehnt wird. Somit werden durch Anlegen eines gewünschten Stroms an entweder das Vorspannelement 229 oder 230 das Ventil 212 und daher die Abschnitte 214 und 216 in der Bohrung 220 vor und zurück bewegt, um den Einlassdurchlass 222, den Austragsdurchlass 228 und den Auslassdurchlass 224 selektiv zu öffnen und zu schließen.
Bei einer anderen Implementierung, wie in 4 gezeigt ist, ist ein Aktuator als ein mechanischer Kolbenaktuator 300 angeordnet. Der Kolbenaktuator 300 weist ein Ventil 312 mit drei Schieberabschnitten 314, 318 und 320 auf, das sich in einer Bohrung 319 zwischen zwei Enden 322 und 324 hin- und herbewegt. Der Kolbenaktuator 300 weist ferner einen Arm 316 auf, der mit dem Schieberabschnitt 314 verbunden ist. Der Arm 316 ist derart konfiguriert, beispielsweise mit einem Kupplungsmechanismus in Eingriff zu treten, um den Kupplungsmechanismus zu aktivieren und zu deaktivieren, wenn sich das Ventil 312 und daher der Arm 316 zwischen den beiden Enden 322 und 324 vor und zurückbewegen. Zwischen dem Ende 322 und dem Schieberabschnitt 318 ist eine Pendeleinrichtung 348 positioniert. Ein Ende eines Vorspannelements 326 ist an der Pendeleinrichtung 348 befestigt, und das andere Ende des Vorspannelements 326 ist an dem Schieberabschnitt 318 befestigt. Gleichermaßen ist eine Pendeleinrichtung 338 zwischen dem Ende 324 und dem Schieberabschnitt 320 positioniert. Ein Ende eines Vorspannelements 328 ist an der Pendeleinrichtung 338 befestigt, und das andere Ende des Vorspannelements 328 ist an dem Schieberabschnitt 320 befestigt. Die Vorspannelemente 326 und 328 können Spiralfedern, wie in 4 gezeigt ist, oder irgendeine andere geeignete komprimierbare Komponente sein.
Der Kolbenaktuator 300 weist ferner einen Draht 330 und einen Draht 332 auf, die beide aus einer Formgedächtnislegierung bestehen, wie vorher beschrieben wurde. Ein Ende des Drahtes 330 ist an einem stationären Anker 334 befestigt, und das andere Ende des Drahtes 330 ist an einem stationären Anker 336 befestigt. Ein Abschnitt 340 etwa nahe der Mitte des Drahtes 330 ist an der Pendeleinrichtung 338 befestigt, so dass jegliche Kontraktion des Drahtes 330 die Pendeleinrichtung 338 weg von dem Ende 324 zieht. Das Ende des Drahtes 332 ist an einem stationären Anker 342 befestigt, und das andere Ende des Drahtes 332 ist an einem stationären Anker 344 befestigt. Ein Abschnitt 346 etwa nahe der Mitte des Drahtes 332 ist an der Pendeleinrichtung 348 befestigt, so dass jegliche Kontraktion des Drahtes 332 die Pendeleinrichtung 348 weg von dem Ende 322 zieht.
Wenn der Kolbenaktuator 300 in Gebrauch steht, wird ein Strom entweder an den Draht 330 oder 332 angelegt, um den mechanischen Kolbenaktuator zu betätigen. Genauer wird, wenn ein Strom an den Draht 330 angelegt wird, der Draht über die Übergangstemperatur erhitzt, so dass die Formgedächtnislegierung in dem Draht 330 zu Austenit umgewandelt wird, was eine Kontraktion des Drahtes 330 bewirkt. Diese Kontraktion zieht die Pendeleinrichtung 338 gegen das Vorspannelement 328, was seinerseits eine Vorspannkraft auf den Schieberabschnitt 320 des Ventils 312 anlegt, wodurch der Abschnitt 314 des Ventils 312 zusammen mit dem Arm 316 nach links bewegt wird.
Wenn der Strom von dem Draht 330 beseitigt wird und ein Strom an den Draht 332 angelegt wird, kehrt die Formgedächtnislegierung in dem Draht 330 in den martensitischen Zustand zurück und die Legierung in dem Draht 332 wandelt sich zu Austenit um. Daher kehrt der Draht 330 in seinen entspannten Zustand zurück, während der Draht 332 kontrahiert. Demgemäß zieht der Draht 332 an der Pendeleinrichtung 348 gegen das Vorspannelement 326, was seinerseits eine Vorspannkraft auf den Schieberabschnitt 318 des Ventils 312 ausübt, wodurch der Abschnitt 314 zusammen mit dem Arm 316 nach rechts bewegt wird. Somit werden durch Anlegen eines gewünschten Stromes entweder an den Draht 330 oder 332 das Ventil 312 und daher der Arm 316 hin- und herbewegt, um den Arm 316 selektiv mit dem Kupplungsmechanismus in Eingriff zu bringen.
Bei einer noch weiteren Implementierung, wie in 5 gezeigt ist, ist ein Aktuator als ein mechanischer Kolbenaktuator 400 angeordnet. Der Kolbenaktuator 400 weist ein Ventil 412 mit drei Schieberabschnitten 414, 418 und 420 auf, das sich in einer Bohrung 419 zwischen zwei Enden 430 und 432 hin- und herbewegt. Der Kolbenaktuator 400 weist ferner einen Arm 416 auf, der mit dem Schieberabschnitt 414 verbunden ist. Der Arm 416 ist derart konfiguriert, beispielsweise mit einem Kupplungsmechanismus in Eingriff zu treten, um den Kupplungsmechanismus zu aktivieren und zu deaktivieren, wenn sich das Ventil 412 und daher der Arm 416 zwischen den beiden Enden 430 und 432 hin- und herbewegen. Zwischen dem Ende 430 und dem Schieberabschnitt 418 ist ein stationäres Element 435 positioniert, an dem ein Ende eines Vorspannelements 426 befestigt ist. Das andere Ende des Vorspannelements 426 ist an dem Schieberabschnitt 418 befestigt. Gleichermaßen ist ein stationäres Element 437 zwischen dem Ende 432 und dem Schieberabschnitt 420 positioniert. Ein Ende eines Vorspannelements 428 ist an dem stationären Element 437 befestigt, und das andere Ende ist an dem Schieberabschnitt 420 befestigt. Die Vorspannelemente 426 und 428 sind als eine Formgedächtnislegierung (engl.: ”smart member alloy”), wie oben beschrieben ist, geformt, und können Spiralfedern, wie in 5 gezeigt ist, oder irgendeine andere geeignete komprimierbare Komponente sein.
Wenn der Kolbenaktuator 400 in Gebrauch steht, wird ein Strom an entweder das Vorspannelement 426 oder 428 angelegt, um den mechanischen Kolbenaktuator zu betätigen. Genauer wird, wenn ein Strom an das Vorspannelement 426 angelegt wird, das Vorspannelement über die Übergangstemperatur erhitzt, so dass die Formgedächtnislegierung in dem Vorspannelement 426 zu Austenit umgewandelt wird, was eine Kontraktion des Vorspannelements 426 zur Folge hat. Diese Kontraktion zusammen mit der Vorspannkraft, die durch das Vorspannelement 428 auf den Schieberabschnitt 420 ausgeübt wird, bewegt das Ventil 412 und daher den Arm 416 nach links.
Wenn der Strom von dem Vorspannelement 426 beseitigt wird und ein Strom an das Vorspannelement 428 angelegt wird, kehrt die Formgedächtnislegierung in dem Vorspannelement 426 in den martensitischen Zustand zurück, und die Legierung in dem Vorspannelement 428 wandelt sich zu Austenit um. Daher kehrt das Vorspannelement 426 in seinen entspannten Zustand zurück, während das Vorspannelement 428 kontrahiert. Demgemäß bewegen sich das Ventil 412 und daher der Arm 416 nach rechts. Somit wird durch Anlegen eines gewünschten Stromes an entweder das Vorspannelement 426 oder 428 der Arm 416 hin- und herbewegt, so dass er selektiv mit dem Kupplungsmechanismus in Eingriff tritt.
Nun Bezug nehmend auf die 6A–6D, eine nicht antagonistische Vorrichtung, ist ein Aktuator gezeigt, der als ein Hydraulikventil 500 konfiguriert ist. Das Ventil 500 weist eine Hülse 514 auf, die in einem Gehäuse 510 positioniert ist. Die Hülse 514 ist derart angeordnet, sich in dem Gehäuse 510 hin- und herzubewegen. Das Ventil 500 weist ferner ein Schieberventil 520 mit zwei vergrößerten Abschnitten 524 und 526 auf, das sich in der Hülse 514 hin- und herbewegt. Das Ventil 500 ist mit einem Einlassdurchlass 502, einem Auslasssteuerdurchlass 504 und drei Austragsdurchlässen 505, 506 und 516 versehen. Wenn sich die Hülse 514 in dem Gehäuse 510 hin- und herbewegt und wenn sich das Schieberventil 520 in der Hülse 514 hin- und herbewegt, werden der Einlassdurchlass 502, der Auslassdurchlass 504 und die Austragsdurchlässe 505, 506, 516 selektiv geöffnet und geschlossen, um die Strömung eines Hydraulikfluides von dem Einlassdurchlass 502 zu dem Auslassdurchlass 504 zu steuern und damit das Ventil 500 zu betätigen.
Das Ventil 500 weist ferner ein paar von Vorspannelementen 529 und 530 auf. Eine Bewegung der Hülse 514 nach links relativ zu der Hülse 510 komprimiert das Vorspannelement 529, und eine Bewegung des Schieberventils 520 nach rechts relativ zu der Hülse 514 komprimiert das Vorspannelement 530. Die Vorspannelemente 529 und 530 können Spiralfedern, wie in 6 gezeigt ist, sein oder können irgendeine andere geeignete komprimierbare Komponente sein.
Das Ventil 500 weist auch zwei Drähte 508 und 516 auf, die aus einer Formgedächtnislegierung geformt sind, wie zuvor beschrieben wurde. Ein Ende des Drahtes 508 ist an einem Anker 515 befestigt, und das andere Ende ist an der Hülse 514 befestigt. Ein Ende des Drahtes 516 ist an einem Anker 518 befestigt, und das andere Ende des Drahtes 516 ist an dem Schieberventil 520 befestigt.
Wenn das Ventil 500 im Gebrauch steht, wird ein Strom entweder an den Draht 508 oder den Draht 516 oder an beide Drähte angelegt, um das Ventil zu betätigen. Es sei angemerkt, dass, wenn kein Strom an die Drähte 508 oder 516 angelegt wird, der Steuerdurchlass 504 an den Austragsdurchlass 516 austrägt, wie in 6A gezeigt ist. Wenn ein Strom an den Draht 508 angelegt wird, wird der Draht über die Übergangstemperatur erhitzt, so dass die Formgedächtnislegierung in dem Draht 508 zu Austenit umgewandelt wird, was eine Kontraktion des Drahtes 508 bewirkt. Diese Kontraktion zieht die Hülse 514 nach links, was das Vorspannelement 529 komprimiert. Demgemäß öffnet, wie in 6B gezeigt ist, der Einlassdurchlass 502 zu dem Steuerdurchlass 504.
6C zeigt das Ventil 500, wenn ein Strom an den Draht 516 zusätzlich zu einem an den Draht 508 angelegten Strom angelegt wird. Somit wandelt sich die Legierung in dem Draht 516 in Austenit um, was eine Kontraktion des Drahtes 516 bewirkt. Die Kontraktion des Drahtes 516 zieht das Schieberventil 520 nach rechts, was das Vorspannelement 530 komprimiert. Daher trägt, wenn der Strom an sowohl den Draht 508 als auch den Draht 516 angelegt wird, der Steuerdurchlass 504 an die Austragsdurchlässe 505 und 516 aus.
Wenn der Strom von dem Draht 508 beseitigt wird, kehrt die Formgedächtnislegierung in dem Draht 508 in den martensitischen Zustand zurück. Daher entspannt sich der Draht 508 und das Vorspannelement 529 bringt eine Kraft auf die Hülse 514 auf, die die Hülse nach rechts bewegt, wie in 6D gezeigt ist. Wenn sich das Ventil 500 in dieser Konfiguration befindet, wird der Steuerdurchlass 504 erneut zu dem Einlassdurchlass 502 geöffnet. Demgemäß werden durch Anlegen eines gewünschten Stromes an entweder den Draht 508 oder 516 oder an beide Drähte der Einlassdurchlass 502 und der Auslassdurchlass 504 selektiv geöffnet und geschlossen, um die Strömung eines Hydraulikfluides durch das Ventil 500 zu steuern, um das Ventil zu betätigen.
Nun Bezug nehmend auf die 7A und 7B, eine Vorrichtung mit nur einer einzelnen SMA-Komponente, ist ein anderer Aktuator gezeigt, der als ein Hydraulikventil 600 konfiguriert ist. Das Ventil 600 weist ein Schieberventil 612 mit zwei Schieberabschnitten 614 und 616 auf, das sich in einem Gehäuse 620 hin- und herbewegt. Das Ventil 600 weist ferner einen Einlassdurchlass 622, einen Auslasssteuerdurchlass 624 und einen Austragsdurchlass 628 auf. Wenn sich das Schieberventil 612 zwischen den beiden Enden 232 und 234 hin- und herbewegt, öffnen und schließen die Schieberabschnitte 614 und 616 selektiv den Einlassdurchlass 622 und den Auslassdurchlass 624, um die Strömung eines Hydraulikfluides von dem Einlassdurchlass zu dem Auslassdurchlass zu steuern, um das Ventil 600 zu betätigen. Zwischen einem Ende 633 des Gehäuses 620 und dem Schieberabschnitt 616 ist ein Vorspannelement 629 positioniert. Obwohl das Vorspannelement 629 als eine Spiralfeder in den 7A und 7B gezeigt ist, kann das Vorspannelement 629 eine beliebige andere geeignete Komponente sein, die den Schieberabschnitt 616 weg von dem Ende 633 vorspannt.
Das Ventil 600 weist auch einen Draht 630 auf, der aus einer Formgedächtnislegierung besteht, wie vorher beschrieben wurde. Ein Ende des Drahtes 630 ist an einem stationären Anker 632 befestigt, und das andere Ende des Drahtes 630 ist an einem stationären Anker 634 befestigt. Ein Abschnitt 636 etwa nahe der Mitte des Drahtes 630 ist an dem Ende 638 des vergrößerten Schiebers 614 befestigt, so dass jegliche Kontraktion des Drahtes 630 das Schieberventil 612 zu dem Ende 633 des Gehäuses 620 zieht, wodurch das Vorspannelement 629 komprimiert wird.
Wenn das Ventil 600 in Gebrauch steht, wird ein Strom an den Draht 630 angelegt, um das Ventil zu betätigen. Daher wird der Draht 630 über die Übergangstemperatur erhitzt, so dass die Formgedächtnislegierung in dem Draht 630 sich zu Austenit umwandelt, was eine Kontraktion des Drahtes 630 bewirkt. Diese Kontraktion zieht das Schieberventil 612 zu dem Ende 633 des Gehäuses 620, so dass der Steuerdurchlass 624 sich zu dem Einlassdurchlass 622 öffnet, wie in 6B gezeigt ist.
Wenn der Strom von dem Draht 630 entfernt wird, kehrt der Draht 630 in den martensitischen Zustand zurück. Daher kehrt der Draht 630 in seinen entspannten Zustand zurück und das Vorspannelement 629 drückt das Schieberventil 612 weg von dem Ende 633 des Gehäuses 620. Demgemäß trägt, wenn der Strom zu dem Draht 630 abgeschaltet ist, der Steuerdurchlass 624 zu dem Austragsdurchlass 628 aus, wie in 7B gezeigt ist. Somit bewegt sich durch selektives Anlegen eines gewünschten Stromes an den Draht 630 das Schieberventil 612 aufwärts und abwärts in dem Gehäuse 620, um den Einlassdurchlass 622 und den Auslasssteuerdurchlass 624 selektiv zu öffnen und zu schließen.
Ein bestimmtes Merkmal der Aktuatoren, die unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschrieben sind, stellt eine erhöhte Betätigungsfrequenz dar, die durch Verwendung entgegengesetzter Komponenten, die aus Formgedächtnislegierung bestehen, erreicht wird. Genauer weist jeder der Aktuatoren, die oben beschrieben sind, einen Formgedächtnislegierungsdraht und/oder ein Vorspannelement auf, der/das mit dem Ventil oder Kolbenaktuator durch Aufbringen einer Kraft auf eine Komponente in dem Ventil oder Kolbenaktuator in einer Richtung in Eingriff tritt, und kann eine andere Formgedächtnislegierungskomponente aufweisen, die von dem Ventil oder Kolbenaktuator durch Aufbringen einer Kraft auf die Komponente in einer entgegengesetzten Richtung außer Eingriff tritt. Daher kann jeder Aktuator durch selektives Anlegen eines Stromes an jedes der beiden entgegengesetzten Formgedächtnislegierungselemente schnell in Eingriff oder außer Eingriff gebracht werden. Die Aktuatoren können eine einzelne Formgedächtnislegierungskomponente aufweisen. Alternativ dazu können die Aktuatoren mehrere Formgedächtnislegierungskomponenten aufweisen. Die Aktuatoren mit mehreren Formgedächtnislegierungskomponenten können antagonistisch sein; dies bedeutet, die Formgedächtnislegierungskomponenten wirken gegeneinander, da sie jeweils eine Kraft auf eine bestimmte sich bewegende Komponente in dem Aktuator aufbringen. Bei einigen Anordnungen sind die mehreren Formgedächtnislegierungskomponenten nicht-antagonistisch; d. h. die Formgedächtnislegierungskomponenten können unabhängig auf verschiedene sich bewegende Komponenten des Aktuators wirken.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und Variationen, die nicht von dem Schutzumfang der Erfindung abweichen, sind als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Variationen werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung betrachtet.

Claims

Aktuator, umfassend: eine erste Komponente, die aus einer Formgedächtnislegierung (SMA) besteht, wobei die erste Komponente eine Kraft auf eine zweite Komponente des Aktuators anlegt; und eine dritte Komponente, die aus der SMA besteht, wobei die dritte Komponente eine entgegengesetzte Kraft auf die zweite Komponente anlegt, wobei die durch die erste Komponente aufgebrachte Kraft in der entgegengesetzten Richtung der entgegengesetzten Kraft, die durch die dritte Komponente aufgebracht wird, gerichtet ist, und wobei die selektive Anwendung der durch die erste Komponente aufgebrachten Kraft und der durch die dritte Komponente aufgebrachten, entgegengesetzten Kraft den Aktuator selektiv aktiviert und deaktiviert.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei die erste Komponente und die dritte Komponente Drähte sind.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei die erste Komponente und die dritte Komponente Vorspannelemente sind.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei sowohl die erste Komponente als auch die dritte Komponente ein mit einem Vorspannelement kombinierter Draht sind.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein hydraulisches Steuerventil ist.
Aktuator nach Anspruch 5, wobei das hydraulische Steuerventil einen Einlassdurchlass und ein Paar von Auslassdurchlässen aufweist, wobei die dritte Komponente ein Ventil ist, das sich in einer Bohrung hin- und herbewegt, wobei das Ventil eine Mehrzahl von Schieberabschnitten aufweist, die die Durchlässe selektiv öffnen und schließen, um die Strömung eines Hydraulikfluides durch den Aktuator zu steuern, wenn die durch die erste Komponente aufgebrachte Kraft und die durch die dritte Komponente aufgebrachte, entgegengesetzte Kraft das Ventil selektiv in der Bohrung hin- und herbewegen.
Aktuator nach Anspruch 5, wobei die erste Komponente und die dritte Komponente Vorspannelemente sind.
Aktuator nach Anspruch 7, wobei die Vorspannelemente Spiralfedern sind.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein Hydraulikventil mit einem Einlassdurchlass und einem Auslassdurchlass ist, wobei der Aktuator ferner ein Ventil mit einer Mehrzahl von Schieberabschnitten aufweist, das sich in einer Bohrung hin- und herbewegt, wobei das Ventil selektiv aktiviert und deaktiviert wird, wenn die Schieberabschnitte den Eingangsdurchlass und den Auslassdurchlass/die Auslassdurchlässe selektiv öffnen und schließen, um die Strömung eines Hydraulikfluides durch das Ventil zu steuern, wenn die durch die erste Komponente aufgebrachte Kraft und die durch die dritte Komponente aufgebrachte, entgegengesetzte Kraft das Ventil in der Bohrung selektiv hin- und herbewegen.
Aktuator nach Anspruch 1, ferner mit einem Ventil, das sich in einer Bohrung hin- und herbewegt, wobei das Ventil eine Mehrzahl von Schieberabschnitten aufweist, von denen einer an einem Arm befestigt ist, der derart konfiguriert ist, mit einem Kupplungsmechanismus in Eingriff zu treten, wobei der Arm den Kupplungsmechanismus selektiv in Eingriff bringt und außer Eingriff bringt, wenn die durch die erste Komponente aufgebrachte Kraft und die durch die dritte Komponente aufgebrachte, entgegengesetzte Kraft das Ventil in der Bohrung selektiv hin- und herbewegen.