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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Strukturverbindungselemente und Verfahren zum Verstärken einer Verbindung zwischen Strukturelementen und Drahtaktuatoren aus aktivem Material und insbesondere eine Baugruppe und ein Verfahren zum Verstärken einer Verbindung, welche die Erzeugung und den Eingriff eines vergrößerten Ansatzes verwenden, der an dem Aktuator befestigt oder in diesem gebildet ist.
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2. Hintergrundtechnik
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Elemente aus aktivem Material werden üblicherweise verwendet, um eine Neukonfiguration und/oder eine Vorspannungsvarianz in Strukturbaugruppen, Aktuatoren und intelligenten Einrichtungen zu bewirken, wenn sie aktiviert oder deaktiviert werden. Beispielsweise werden Drähte aus einer Formgedächtnislegierung (SMA-Drähte) oft verwendet, um bei einer Aktivierung Lasten zwischen Strukturelementen zu übertragen und deren Verschiebungen zu bewirken. Das heißt, dass die Kristallstruktur der Legierung, sobald diese thermisch aktiviert ist, neu konfiguriert wird und wiederum bewirkt, dass der Draht schrumpft; die betätigende oder neu konfigurierende Kraft wird auf die gekoppelten Elemente ausschließlich über deren Verbindungspunkte übertragen. Es ist einzusehen, dass zur Unterstützung dieser Funktion sichere Verfahren zum Vereinigen (z. B. zum ”Verbinden”) dieser Drähte mit den Strukturelementen eine entscheidende Rolle spielen.
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Bei den üblichen Verfahren zum Verbinden wird ein Messingring-Crimpverbindungselement mit einem O-Ring ohne Isolierungshalterung (1) weithin verwendet. Dieses Verfahren zeigt jedoch in der Technik verschiedene Schwierigkeiten. Beispielsweise ist ein Schlupf des gecrimpten Abschnitts des Drahts während Überlastungszuständen (durch Trägheitslasten beim Start nach einem Stopp im kalten Zustand, durch eine mechanische Überlastung unter Abwesenheit eines Überlastungsschutzsystems usw.) ein üblicherweise auftretender Fehlerzustand. Eine solche Störung kann wiederum die Fehlfunktion des Aktuators oder der angetriebenen Einrichtung bewirken. Eine weitere Schwierigkeit ist die Inkonsistenz und Variabilität und daher die Unfähigkeit, eine Störung in einem gegebenen Aktuator genau vorauszusagen. Das heißt, dass Fachleute einsehen werden, dass einzelne Verbindungen eine inkonsistente Lastkapazität zeigen, wenn sie einen normalen Verschleiß (z. B. eine Ermüdung) über die Lebensdauer durchlaufen, während verschiedene herkömmliche Verbindungselemente basierend auf der Strukturkonfiguration unterschiedliche Kapazitäten zeigen.
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Aus diesen und anderen Gründen bleibt daher eine Notwendigkeit in der Technik für ein verbessertes Verfahren zum Verbinden von Elementen aus aktivem Material, wie beispielsweise eines Formgedächtnisdrahts, mit Strukturelementen bestehen, welches Verfahren die Strukturkapazität erhöht und die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Ausfalls verringert.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Verbinden eines Aktuators aus einem aktiven Material mit einer Struktur, welches Verfahren die zuvor erwähnten Probleme behandelt. Die erfindungsgemäße Baugruppe ist verwendbar, um einen Ausfall an Verbindungspunkten zu verhindern, während eine kosteneffektive und leicht zu implementierende Lösung geschaffen wird. Im Allgemeinen verwendet die Erfindung ein verstärkendes Verbindungselement, das mit einem Aktuator aus aktivem Material gekoppelt ist, und einen vergrößerten Ansatz, der an dem Aktuator aus aktivem Material befestigt oder in diesem gebildet ist, um zur Strukturkapazität beizutragen, um die Haltbarkeit und die Zuverlässigkeit zu verbessern, und um dadurch die Leistung des Aktuators zu erhöhen. Die Erfindung ist ferner verwendbar, um die Kraft zu verringern, die zum Crimpen erforderlich ist, und um dadurch Spannungskonzentrationen in dem Draht zu verringern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfindung verwendbar, um ein Verfahren zum Verbinden ohne Crimpen zu bieten, das die Möglichkeit verringert, den Draht während des Crimpens zu beschädigen, das die aktive Drahtlänge für eine gegebene Bauraumgröße erhöht und zu einem eingesteckten Zustand im Gegensatz zu einem Zustand mit fixiertem Ende führt, der die Spannung in dem Draht weiter verringert.
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Damit schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Baugruppe und/oder ein verbessertes Verfahren zum Verbinden, die bzw. das mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Drahtaktuator-Verbindungselementen bietet. Bei zumindest einer Untersuchung, bei der ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung mit einer maximalen Arbeitskraft von 5.782 N verwendet wurde, zeigte eine herkömmliche Crimpverbindung eine maximale Lastkapazität von ungefähr 15 N, während der vorgeschlagene Verbindungsprozess der vorliegenden Erfindung eine maximale Lastkapazität von ungefähr 30 N ergab. Zusätzlich zu den höheren statischen Ausfalllasten ist die Erfindung schließlich ferner verwendbar, um eine konsistenter ausfallende (d. h. vorhersagbare) Verbindung zu schaffen, die auf der Mechanik des vergrößerten Ansatzes im Gegensatz zur Ausbildung oder zur Verwendung/zur Lebensdauer des Verbindungselements basiert.
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Allgemein betrifft die Erfindung einen Aktuator aus aktivem Material, der an einer Struktur antreibend befestigt ist, selektiv eine Antriebskraft erzeugt und dazu dient, eine erhöhte Last über eine vorbestimmte Zeitdauer zu halten. Der Aktuator umfasst zumindest einen Draht aus aktivem Material, der eine maximale Querabmessung aufweist und dazu dient, um eine reversible Änderung in einer fundamentalen Eigenschaft zu durchlaufen, wenn er einem Signal ausgesetzt oder gegenüber diesem verdeckt bzw. von diesem getrennt wird. Der Aktuator umfasst ferner einen vergrößerten Ansatz, der an dem Draht befestigt oder mit diesem einstückig ist und eine zweite Querabmessung zeigt, die größer als die maximale Querabmessung des Drahts ist. Schließlich ist zumindest ein Verbindungselement fest mit der Struktur verbindbar und mit dem Draht gekoppelt, um dadurch ausgebildet zu sein, um mit dem Ansatz in Eingriff zu stehen, wenn die Kraft erzeugt wird und das Verbindungselement mit der Struktur verbunden ist. Der Draht bzw. die Drähte und das Verbindungselement sind zusammenwirkend ausgebildet, um infolge des Eingriffs mit dem Ansatz die erhöhte Last über die Zeitdauer zu halten, wobei der Eingriff des Ansatzes durch die zweite Querabmessung bewirkt oder verbessert wird.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung umfasst somit ein Verfahren zum Verstärken eines Verbindungspunkts, der durch eine Struktur und einen Aktuatordraht aus aktivem Material definiert ist, wobei der Draht eine maximale Querabmessung aufweist und eine antreibende Kraft erzeugt, die an dem Punkt wirkt. Das Verfahren umfasst, dass ein verstärkendes Verbindungselement derart an der Struktur befestigt wird, dass das Verbindungselement in der Lage ist, die Kraft auf die Struktur zu übertragen. Der Draht ist mit dem Verbindungselement gekoppelt, um dadurch den Punkt zu definieren, und es wird ein vergrößerter Ansatz, der an dem Draht befestigt ist, derart erzeugt, dass der Ansatz eine zweite Querabmessung aufweist, die größer als die maximale Abmessung des Drahts ist. Indem der Ansatz mit dem Verbindungselement in Eingriff gelangt, wenn die Kraft erzeugt wird, wird eine Haltefestigkeit oder eine Festigkeit gegenüber einem Durchziehen geschaffen, die dazu dient, die Kraft auf das Verbindungselement zu übertragen.
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Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung, einschließlich von Verfahren zum Herstellen des vergrößerten Ansatzes und einschließlich beispielhafter Ausbildungen für diesen, werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) und anhand der begleitenden Zeichnungsfiguren offensichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform bzw. bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren mit beispielhafter Skalierung im Detail beschrieben, wobei:
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1 eine Perspektivansicht eines Aktuators aus aktivem Material aus dem Stand der Technik ist, der einen Formgedächtnisdraht und ein Verstärkungs-Crimpverbindungselement mit O-Ring umfasst;
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2 eine Draufsicht auf einen Aktuator aus aktivem Material, der einen Formgedächtnisdraht, ein Verstärkungsverbindungselement und ferner in einer Detailansicht einen vergrößerten Ansatz umfasst, der an einem distalen Ende des Drahts befestigt ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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2a eine Perspektivansicht eines Verstärkungs-Crimpverbindungselements mit O-Ring, welches offene Laschen vor dem Crimpen zeigt, und eines Formgedächtnisdrahts, der einen distalen vergrößerten Ansatz aufweist und zwischen den Laschen angeordnet ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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3a–d einen Verlauf zeigen, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine bevorzugte Weise zum Montieren eines Aktuators aus aktivem Material darstellt, der zumindest einen Formgedächtnisdraht, ein Verstärkungsverbindungselement und einen vergrößerten Ansatz umfasst, der distal erzeugt wird;
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4 eine Draufsicht auf einen vergrößerten Ansatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, der an einem distalen Ende eines Formgedächtnisdrahts gebildet ist, wobei der Ansatz ferner ein zusätzliches Segment in Querrichtung zum Draht aufweist;
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5 eine Draufsicht auf einen vergrößerten Ansatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, der an dem distalen Ende eines Formgedächtnisdrahts gebildet ist, wobei der Ansatz in eine konische Ausbildung gepresst wurde;
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6 eine Draufsicht auf einen vergrößerten Ansatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, der an dem distalen Ende eines Formgedächtnisdrahts gebildet ist, wobei der Ansatz durch Abflachen eines distalen Abschnitts des Drahts gebildet wurde;
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7 eine Draufsicht auf einen Aktuator aus aktivem Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, der zumindest einen Formgedächtnisdraht, ein Verstärkungsverbindungselement und einen vergrößerten Ansatz umfasst, der an einem einzigen Draht dazwischenliegend befestigt ist oder eine Stoß-an-Stoß-Verbindung zwischen zwei Drähten bildet;
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8a eine Draufsicht auf einen Aktuator aus aktivem Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, der zwei Formgedächtnisdrähte, ein Verstärkungsverbindungselement und vergrößerte Ansätze umfasst, die dazwischenliegend und distal an entgegengesetzten Drähten befestigt sind, um dadurch eine Schleife-an-Schleife-Verbindung zu bilden; und
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8b eine Draufsicht auf einen Aktuator aus aktivem Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, der zumindest einen Formgedächtnisdraht, ein Verstärkungsverbindungselement und einen vergrößerten Ansatz umfasst, der dazwischenliegend und distal an einem einzelnen Draht befestigt ist, um dadurch eine Schleifenverbindung zu bilden.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf 1–8b betrifft die vorliegende Offenbarung eine Baugruppe 10, die eine Struktur 12 und einen erfindungsgemäßen Aktuator 14 aus aktivem Material umfasst, der antreibend mit der Struktur 12 verbunden ist. Wie hierin verwendet, soll der Ausdruck ”Struktur” einen beliebigen Körper oder eine verbundene mehrteilige Ausführungsform bedeuten, deren Funktionsweise das Erzeugen, das Übertragen oder das Halten einer Last umfasst und die eine Verankerungsbasis und/oder die angetriebene Einrichtung oder Komponente umfassen. Erfindungsgemäß ist der Aktuator 14 ausgebildet, um die Strukturkapazität der Verbindung durch einen selektiven oder konstanten Eingriff eines vergrößerten Ansatzes 16 zu verbessern, und ein Verfahren zum Verbinden des Aktuators 14 mit der Struktur 12 wird zu diesem Zweck dargestellt. Das heißt, dass durch den Eingriff mit einem Ansatz 16 mit einer Querabmessung, die im Wesentlichen größer als diejenige des Aktuators 14 ist, wobei der Eingriff durch die größere Abmessung bewirkt oder verstärkt wird, die Strukturkapazität einer ansonsten herkömmlichen Verbindung erhöht und/oder die Natur eines Ausfalls umgewandelt wird. Der vergrößerte Ansatz 16 kann durch eine beliebige strukturelle Modifikation oder Hinzufügung zu dem Draht 14 geschaffen werden, die zu einer wesentlichen Zunahme in der Querabmessung führt, was Knoten, Schweißraupen, Biegungen, Ausbeulungen und abgeflachte Abschnitte umfasst. Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung, ihre Anwendungsmöglichkeit oder Verwendungen einzuschränken.
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Der Ausdruck ”aktives Material” wird von Fachleuten derart verstanden, dass er ein beliebiges Material oder eine beliebige Zusammensetzung umfasst, das bzw. die eine reversible Änderung in einer fundamentalen (z. B. chemischen oder intrinsisch physikalischen) Eigenschaft zeigt, wenn es bzw. sie einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder gegenüber diesem verdeckt bzw. von diesem getrennt wird. Geeignete aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung umfassen Formgedächtnismaterialien, welche die Fähigkeit aufweisen, sich an zumindest eine Eigenschaft zu erinnern, wie beispielsweise an die Form, die durch Anwenden einer äußeren Anregung wieder abgerufen werden kann. Somit ist die Verformung aus der ursprünglichen Form ein vorübergehender Zustand. Auf diese Weise können Formgedächtnismaterialien in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu einer trainierten Form wechseln und dadurch Arbeit verrichten. Beispielshafte Formgedächtnismaterialien umfassen Formgedächtnislegierungen (SMA), Formgedächtnispolymere (SMP), Formgedächtniskeramiken, elektroaktive Polymere (EAP), ferromagnetische SMAs, elektrorheologische Zusammensetzungen (ER-Zusammensetzungen), magnetorheologische Zusammensetzungen (MR-Zusammensetzungen), dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Zusammensetzungen (IPMC), piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken, verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien und dergleichen.
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Spezieller beziehen sich Formgedächtnislegierungen (SMAs) allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, welche die Fähigkeit zeigen, zu einer bestimmten, zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einer geeigneten thermischen Anregung ausgesetzt werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu durchlaufen, bei denen ihre Fließfestigkeit, ihre Steifigkeit, ihre Abmessung und/oder ihre Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur- oder Martensitphase pseudo-plastisch verformt werden, und sie wandeln sich dann, wenn sie einer bestimmten höheren Temperatur ausgesetzt werden, in eine Austenitphase oder Stammphase um und kehren zu ihrer Form vor der Verformung zurück, wenn sie nicht unter Spannung stehen.
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Formgedächtnislegierungen existieren in verschiedenen unterschiedlichen, temperaturabhängigen Phasen. Die gebräuchlichsten dieser Phasen sind die Martensitphase und die sogenannte Austenitphase. In der nachfolgenden Diskussion bezieht sich die Martensitphase im Allgemeinen auf die besser verformbare Phase bei niedrigerer Temperatur, während sich die Austenitphase im Allgemeinen auf die starrere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und aufgeheizt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu verändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als eine Austenit-Starttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird als die Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet.
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Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu verändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensit-Starttemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei welcher der Austenit damit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird als die Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Somit ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Größe, die ausreicht, um Umwandlungen zwischen der Martensitphase und der Austenitphase zu bewirken.
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Formgedächtnislegierungen können in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und der Bearbeitungshistorie einen Einweg-Formgedächtniseffekt, einen intrinsischen Zweiwegeeffekt oder einen extrinsischen Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Einweg-Formgedächtniseffekt. Ein ausreichendes Aufheizen nach einer Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur ruft die Umwandlung von der Martensit- zur Austenitphase hervor, und das Material wird die ursprüngliche, geglühte Form wieder herstellen. Folglich werden Einweg-Formgedächtniseffekte nur beim Aufheizen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, die Einweg-Gedächtniseffekte zeigen, wechseln nicht automatisch zwischen zwei Formen hin und zurück, wenn sich die Temperatur ändert, und sie erfordern eine äußere mechanische Kraft, um die Form von der erinnerten oder gelernten Geometrie weg zu verformen.
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Intrinsische oder extrinsische Zweiwege-Formgedächtnismaterialien sind durch einen Formübergang sowohl beim Aufheizen von der Martensitphase zu der Austenitphase als auch durch einen zusätzlichen Formübergang beim Abkühlen von der Austenitphase zurück zu der Martensitphase charakterisiert. Aktive Materialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die bewirkt, dass sich die aktiven Materialien automatisch von selbst infolge der vorstehend genannten Phasenumwandlungen umformen. Das intrinsische Zweiwege-Formgedächtnisverhalten muss in dem Formgedächtnismaterial durch Bearbeiten hervorgerufen werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials, während es sich in der Martensitphase befindet, ein Aufheizen-Kühlen unter einer Zwangsbedingung oder einer Last oder eine Oberflächenmodifikation, wie beispielsweise durch Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald das Material trainiert wurde, um den Zweiwege-Formgedächtniseffekt zu zeigen, ist die Formänderung zwischen dem Zustand bei niedriger Temperatur und dem Zustand bei hoher Temperatur im Allgemeinen reversibel, und sie bleibt über eine große Anzahl von thermischen Zyklen bestehen. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, welche den extrinsischen Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigen, Verbundmaterialien oder Mehrkomponentenmaterialien. Diese kombinieren eine Legierung, die einen Einwegeffekt zeigt, mit einem anderen Element, das eine wiederherstellende Kraft liefert, um die ursprüngliche Form zurückzubilden.
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Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Form bei höherer Temperatur erinnert, wenn sie aufgeheizt wird, kann durch leichte Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch eine Wärmebehandlung eingestellt werden. Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann diese beispielsweise von oberhalb ungefähr 100°C bis unterhalb ungefähr –100°C verändert werden. Der Wiederherstellungsprozess für die Form tritt über einen Bereich von nur wenigen Grad auf, und der Beginn oder das Ende der Umwandlung kann in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung derart gesteuert werden, dass er innerhalb eines Grades oder innerhalb von zwei Grad liegt. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der durch deren Umwandlung aufgespannt wird, und sie verleihen dem System typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und eine hohe Dämpfungskapazität.
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Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen auf Nickel-Titan basierte Legierungen, auf Indium-Titan basierte Legierungen, auf Nickel-Aluminium basierte Legierungen, auf Nickel-Gallium basierte Legierungen, kupferbasierte Legierungen (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), auf Gold-Cadmium basierte Legierungen, auf Silber-Cadmium basierte Legierungen, auf Indium-Cadmium basierte Legierungen, auf Mangan-Kupfer basierte Legierungen, auf Eisen-Platin basierte Legierungen, auf Eisen-Palladium basierte Legierungen und dergleichen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Die Legierungen können binär, ternär oder von einer beliebigen höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z. B. eine Änderung in der Formausrichtung, der Dämpfungskapazität und dergleichen.
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Daher ist einzusehen, dass SMAs zu Zwecken dieser Erfindung eine ungefähr 2,5-fache Modulzunahme und eine Abmessungsänderung von bis zu 8% zeigen (was von dem Ausmaß der Vordehnung abhängt), wenn sie über ihre Phasenübergangstemperatur aufgeheizt werden. Es ist einzusehen, dass dann, wenn die SMA eine solche mit Einwegbetrieb ist, ein Rückstellmechanismus (wie beispielsweise eine Feder) mit einer Vorspannungskraft erforderlich ist, um die SMA in ihre anfängliche Ausbildung zurückzustellen.
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In der Austenitphase zeigen die durch Spannung hervorgerufenen Phasenänderungen in der SMA ein superelastisches (oder pseudoelastisches) Verhalten, das sich auf die Fähigkeit der SMA bezieht, auf eine Weise mit zwei Wegen zu ihrer ursprünglichen Form zurückzukehren, wenn sie nach einer wesentlichen Verformung entlastet wird. Das heißt, dass die Anwendung einer erhöhten Spannung dann, wenn sich die SMA in ihrer Austenitphase befindet, bewirkt, dass die SMA ein elastisches Austenitverhalten bis zu einem bestimmten Punkt zeigt, an dem sie dazu gebracht wird, sich in ihre Martensitphase mit geringerem Modul zu verändern, wobei sie eine superelastische Verformung von bis zu 8% zeigen kann. Das Entfernen der ausgeübten Spannung bewirkt, dass die SMA zurück in ihre Austenitphase umschaltet und dadurch ihre anfängliche Form und den höheren Modul wiederherstellt, wodurch auch Energie unter der Spannungs-Dehnungs-Schleife mit Hysterese bei Belastung/Entlastung dissipiert wird. Darüber hinaus bewirkt die Anwendung einer von außen ausgeübten Spannung, dass sich der Martensit bei Temperaturen höher als Ms bildet. Eine superelastische SMA kann um ein Vielfaches häufiger als übliche Metalllegierungen gedehnt werden, ohne dass sie plastisch verformt wird, dies wird jedoch nur über einen speziellen Temperaturbereich beobachtet, wobei die größte Fähigkeit zur Wiederherstellung in der Nähe von AF auftritt.
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Es ist einzusehen, dass eine Joulesche Aufheizung verwendet werden kann, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen. Bei dieser Ausbildung wird eine Aktivierungssignalquelle (nicht gezeigt) mit dem Aktuator 14 funktional gekoppelt und ausgebildet, um ein Aktivierungssignal selektiv (d. h. manuell oder in Ansprechen auf eine Sensortechnologie) zu erzeugen. Fachleute werden einsehen, dass das Aktivierungssignal ein thermisches, magnetisches, elektrisches, chemisches und/oder auf andere Weise ähnliches Aktivierungssignal oder eine Kombination von Aktivierungssignalen sein kann, was von dem verwendeten aktiven Material abhängt. Die Quelle kann beispielsweise das Ladungssystem eines Fahrzeugs sein (ebenso nicht gezeigt).
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Der erfindungsgemäße Aktuator 14 weist im Allgemeinen zumindest ein verstärkendes Verbindungselement 18 auf (1–8b), das den Verbindungspunkt zu der Struktur 12 definiert und zur mechanischen Festigkeit und zur Spannungsentlastung der Baugruppe 10 beiträgt. Wie es in 2 gezeigt ist, können entgegengesetzte Verbindungselemente 18 an jedem distalen Ende eines Formgedächtnis-Drahtaktuators 14 fest angebracht sein, wobei der Ausdruck ”Draht” weitere dehnbare Konfigurationen umfasst, wie beispielsweise Litzen, Streifen, Fäden, Seile, Ketten, Bleche und dergleichen. Das Verbindungselement 18 ist strukturell ausgebildet, um erwarteten Lasten und Überlastungen über eine Betätigungszeitdauer ohne Ausfall inhärent Stand zu halten. Folglich ist das Verbindungselement 18 aus einem haltbaren Material mit einer ausreichenden Festigkeit (bezüglich Zug, Torsion, Scherung usw.) gebildet, um die Last zu halten, und es ist eine geeignete Weise zur Befestigung an der Struktur 12 vorgesehen (z. B. durch einen Verschluss, durch Schweißen, Kleben usw.). Wenn eine Joulesche Heizung angewendet wird, ist das Befestigungselement 18 vorzugsweise ausgebildet, um den Aktuator 14 gegenüber der Struktur 12 und/oder gegenüber Metalloberflächen in der Nähe elektrisch zu isolieren.
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Das Befestigungselement 18 kann beispielsweise eine Crimpverbindung mit O-Ring aufweisen, die außer den nachstehenden Modifikationen auf herkömmliche Weise ausgebildet ist. Das heißt, dass das Verbindungselement 18 einen O-förmigen Kopfabschnitt 18, der dazu dient, einen Bolzen, eine Schraube, einen Stift oder ein anderes Befestigungselement aufzunehmen, und einen Crimpabschnitt aufweist, der entgegengesetzte Flügelwände oder Laschen 20 umfasst (1–2a). Wie es einzusehen ist, sind die Wände 20 durch einen Crimpprozess faltbar, um dadurch einen im Wesentlichen umschlossenen Raum 22 zu definieren. Die Crimpverbindung 18 kann unter Verwendung eines Handwerkzeugs, eines Crimpwerkzeugs zum Anschließen, einer hydraulischen Presse oder anderer Mittel befestigt werden. Es ist einzusehen, dass das Befestigungselement 18 ausgebildet sein kann, um gleichzeitig durch das herkömmliche Crimpen und durch die Anwendung des erfindungsgemäßen vergrößerten Ansatzes 16 Haltekräfte auszuüben, wie es hierin weiter beschrieben ist, so dass ein kleineres Verbindungselement 18 verwendet werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Raum 22 ausgebildet, um einen Crimpabschnitt 24 des Aktuators, der in diesem angeordnet ist (1–2a), zusammenzudrücken und eine Haltefestigkeit am Crimpabschnitt 24 zu definieren. Hier wird die Haltefestigkeit auf herkömmliche Weise verwendet, um den Aktuator 14 und die Struktur 12 derart zu verbinden, dass die Vorteile und Aspekte der vorliegenden Erfindung, die nachstehend beschrieben sind, nur während einer Störung mit Überlast angewendet werden. Das heißt, dass der vergrößerte Ansatz 16 nur dann mit dem Verbindungselement 18 in Eingriff gelangt, wenn der gecrimpte Abschnitt rutscht. Alternativ kann der Crimp anstatt an den Flügelwänden 20 oder zusätzlich dazu ausgeführt werden, indem ein oder mehrere Röhren, die den Draht bzw. die Drähte 14 umgeben, oder Scheiben, die diesen bzw. diese einklemmen, abgeflacht werden.
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Der Ansatz 16 kann durch Anbinden, Kleben, Gießen, Schweißen usw. mit dem Draht 14 verbunden werden, oder er kann auf einstückige Weise einen homogenen Körper mit diesem bilden. Die Wulst 16 kann an einem distalen Ende des Drahts 14 (2–3) oder an einem inneren Punkt in Längsrichtung (7) gebildet werden. Wie es in 2–5 gezeigt ist, ist der bevorzugte vergrößerte Ansatz 16 jedoch eine angeschweißte Wulst, die an dem Draht 14 befestigt und bevorzugter in diesem gebildet ist, wobei der Ausdruck ”angeschweißte Wulst” spezieller einen Abschnitt des Drahts 14 beschreibt, der geschmolzen, durch eine Oberflächenspannung umgeformt und anschließend erneut verfestigt wurde, um ein kugelähnliches Merkmal zu bilden. Die angeschweißte Wulst 16 kann durch ein verfügbares herkömmliches Mittel gebildet werden, und sie ist insbesondere für eine Erzeugung durch die geeignete Verwendung eines Mikropuls-Bogenschweißers geeignet. Das heißt, dass die Schweißwulst 16 unter Verwendung eines herkömmlichen Mikroschweißers mit Einstellungen gebildet werden kann, die beispielsweise geeignet sind, um einem SMA-Draht mit einem Durchmesser von 0,02 cm (d. h. 0,008 Inch) über eine Zeitdauer von ungefähr 2 Millisekunden als ein elektrischer Bogen ungefähr 6 Watt an Leistung zuzuführen. Bei einem bevorzugten Aufbau wird eine Wolframelektrode mit einem Durchmesser von 0,5 mm vorzugsweise als Stift verwendet, um die Wulst 16 zu bilden. Die fertiggestellte Wulst 16 weist vorzugsweise einen Durchmesser auf, der zumindest zweimal und bevorzugter zumindest dreimal so groß ist wie die maximale Querabmessung (z. B. der Durchmesser) des Drahts 14, so dass die Wulst 16 nicht in der Lage ist, durch den Raum 22 hindurchzutreten, sogar dann nicht, wenn der Draht 14 durch diesen hindurchrutschen kann. Beispielsweise wird für einen zylindrischen Formgedächtnislegierungsdraht mit einem konstanten Durchmesser von 0,02 cm bevorzugt eine Wulst 16 mit einem maximalen Außendurchmesser verwendet, der nicht kleiner als 0,04 cm (d. h. 0,016 Inch) ist. Schließlich ist einzusehen, dass der Schweißprozess die Wulst 16 glüht und deren Formgedächtniseigenschaften sowie dadurch deren Fähigkeit aufhebt, sich in Ansprechen auf eine Temperaturänderung zusammenzuziehen.
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Wenn ein Schmelzbad erzeugt wird, um die Wulst 16 zu bilden, kann zusätzliches Material hinzugefügt werden, um die gewünschte Wirkung zu erzeugen, wie Fachleute einsehen werden. Wenn der Aktuator 14 eine erste Formgedächtnislegierung umfasst, kann beispielsweise eine zweite Formgedächtnislegierung mit einer niedrigeren Umwandlungstemperatur als die erste zu der Wulst 16 hinzugefügt werden, um dadurch zu bewirken, dass sich die Wulst 16 vor der Umwandlung oder Aktivierung des Drahts 14 in ihre Phase mit höherem Modul oder Austenitphase umwandelt. Wenn der Draht 14 eine Aktivierungsstarttemperatur zeigt, wird der Ansatz 16 spezieller zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung mit einer Aktivierungsendtemperatur gebildet, die kleiner als die Aktivierungsstarttemperatur des Drahts 14 ist, so dass der Ansatz 16 vor dem Draht 14 thermisch aktiviert wird. Infolgedessen wird ein Widerstand gegenüber einem Durchziehen (d. h. eine ”Festigkeit gegenüber Durchziehen”) passiv verstärkt, wenn sie am meisten benötigt wird.
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In 2 ist eine distale sphärische Wulst 16 benachbart zu dem Crimpabschnitt 24 des Drahts 14 entgegengesetzt zu dem Mittelpunkt des Drahts 14 dargestellt, wobei einzusehen ist, dass dann, wenn dieser aktiviert wird, eine Antriebskraft 26 mit einem radial nach innen gerichteten Vektor (weg von der Wulst 16) erzeugt wird. Wenn die Crimpverbindung 18 mit O-Ring entweder durch Ermüdung, Beschädigung oder nicht korrekte Montage nicht in der Lage ist, eine Reibungs-Haltekraft auf den Abschnitt 24 auszuüben, die notwendig ist, um der Antriebskraft 26 entgegenzuwirken, wird die Wulst 16 dazu gebracht, mit den gefalteten Wänden 22 in Eingriff zu gelangen. Dadurch wirkt die Wulst 16 als ein Notfallanschlag, der bewirkt, dass der Aktuator 14 weiterhin funktioniert. Ist einzusehen, dass die Festigkeit gegenüber Durchziehen, die durch die Wulst 16 geschaffen wird, auf der Kompressions- und der Scherfestigkeit ihres Materials und spezieller auf der Geometrie (relativ zu dem Raum 22) sowie auf der Zusammensetzung der Wulst 16 beruht, die konstant und über die Zeit voraussagbar bleiben. Es ist einzusehen, dass dann, wenn die maximale Querabmessung der Wulst 16 wesentlich größer (z. B. um zumindest 50%) als diejenige des Raums 22 ist, durch den sie für einen vollständigen Ausfall hindurchtreten muss, die Festigkeit gegenüber Durchziehen, die durch die Wulst 16 geboten wird, wesentlich größer als die Haltefestigkeit ist, die durch einen herkömmlichen Crimp geboten wird.
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Es liegt sicherlich innerhalb des Umfangs der Erfindung, die Crimpkomponente (z. B. die Flügelwände 20) des Verbindungselements 18 wegzulassen und durch einen Haltering 28 zu ersetzen, der den Draht 14 umgibt (3a–d). Bei dieser Konfiguration wendet die Wulst 16 die Festigkeit der Verbindung gegenüber Durchziehen über den gesamten normalen Betrieb an, indem sie mit dem Ring 28 selektiv in Eingriff steht. Der bevorzugte Ring 28 weist abgeschrägte oder abgerundete Kanten 28a auf (3d), um dadurch die Antriebskraft 26 einheitlicher zu übertragen und ein Einschneiden/Scheren zu verringern, wenn er mit der Wulst 16 in Eingriff gelangt. Es ist einzusehen, dass Möglichkeiten in der Baugruppe 10 vorgesehen sein müssen, um sicherzustellen, dass die Wulst 16 in dem Ring 28 sitzt, wenn eine unmittelbar ansprechende Betätigung gewünscht ist, um eine Verzögerung zu vermeiden. Das heißt, das ein Schlupf und/oder ein Spiel in der Baugruppe 10 vor der Betätigung beseitigt werden sollte, beispielsweise indem der Draht 14 vorgedehnt wird. Es ist jedoch ebenso einzusehen, dass die Kugel-Sockel-Konfiguration, sobald sie eingesetzt ist, einen verbesserten Bewegungsbereich für den Aktuator bietet (3d), der die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs aufgrund eines Spannungsrisses an der Verbindung verringert.
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Wie es in 3a–d gezeigt ist, umfasst ein bevorzugte Verfahren zum Zusammenbauen der Baugruppe 10 einen ersten Schritt, bei dem das Verbindungselement 18 unter Verwendung eines geeigneten Mittels an der Struktur 12 befestigt wird. Als Nächstes wird ein herkömmlicher Drahtaktuator 14 in dem Raum 22 oder in dem Ring 28 angeordnet oder durch diesen hindurchgezogen (3a). Bei einer vorbestimmten Distanz gelangt der Draht 14 mit einem Mikropuls-Bogenschweißer in Eingriff, um dadurch eine Schweißwulst 16 distal oder an einem inneren Punkt in Längsrichtung zu bilden (3b). Es ist einzusehen, dass der Draht 14 dadurch verkürzt wird, dass Material verwendet wird, um die Wulst 16 zu bilden. Der Draht 14 und die Wulst 16 werden anschließend in eine Position mit Sitz in den Ring 28 oder benachbart zu dem Raum 22 gezogen, in welcher er bzw. sei frei rotiert und schwingt (3c–d). Es ist einzusehen, dass der Ring 28 mit Kontur den Draht 14 nur in der Richtung einer Zuglast einschränkt und ermöglicht, dass sich der SMA-Draht in den entgegengesetzten/rechtwinkligen Richtungen während der Betätigung bewegt/verschwenkt. Es ist einzusehen, dass die zusätzlichen Freiheitsgrade, die durch diese Verbindung geschaffen werden, Spannungsniveaus verringern, indem ein eingesteckter Zustand im Gegensatz zu einem Zustand mit fixiertem Ende geschaffen wird. Bei einem alternativen Modus des Aufbaus kann der Draht 14 vorgefertigt sein, um den vergrößerten Ansatz 16 zu umfassen, und dazu gebracht werden, von der entgegengesetzten Seite durch den Raum 22 oder durch den Ring 28 hindurchzutreten.
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Wenn ein Verschwenken nicht erwünscht ist, ist der bevorzugte Ansatz 16 geometrisch ausgebildet, um die Festigkeit der Verbindung gegenüber Durchziehen weiter zu erhöhen, indem eine in Eingriff stehende Fläche definiert ist, die relativ zu der Antriebskraft 26 orthogonal ausgerichtet ist. Die Fläche ist von ausreichender Abmessung (z. B. bezüglich der Länge, des Flächeninhalts usw.), um den Ring 28 oder den Raum 22 zu überqueren oder zu überlagern. Bei einem ersten Beispiel kann der Ansatz 16 ferner ein kurzes, starres Segment oder einen kurzen, starren Balken 30 aufweisen, das bzw. der quer zu dem Draht 14 verläuft (4). Das kurze Segment 30 kann an den Draht 14 während des gepulsten Bogenschweißprozesses angeschweißt werden und weist vorzugsweise einen Modul auf, der höher als derjenige des Drahts 14 ist. Wenn die Betätigung thermisch angetrieben ist, weist das bevorzugte kurze Segment 30 ferner eine höhere Schmelztemperatur als der Draht 14 auf. Infolgedessen ist der mechanische Widerstand gegenüber Durchziehen erhöht. Alternativ kann der Ansatz 16 eine gegossene Form definieren, welche die orthogonal in Eingriff stehende Fläche darstellt. Wenn beispielsweise ein Schmelzbad erzeugt wird, kann eine nicht anhaftende Form verwendet werden, um die Wulst 16 in eine konische oder Pyramidenform zu pressen (5), wobei die Basis der geformten Wulst 16 einen breiteren Durchmesser als die maximale Querabmessung des Raums 22 oder als der Innendurchmesser des Rings 28 aufweist. Wenn der Ansatz 16 dazu gebracht wird, mit dem Verbindungselement 18 in Eingriff zu gelangen, gelangen der Konus oder die Pyramide hier auf eine bündige Weise mit dem Ring 28 orthogonal in Eingriff, welche die Kraftübertragung maximiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erinnert sich der Formgedächtnislegierungsdraht 14 an die vergrößerte Form (z. B. an den Konus, die Pyramide usw.), so dass die Aktivierung des Aktuators 14 ferner den vergrößerten Ansatz 16 erzeugt.
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Schließlich ist einzusehen, dass die Erzeugung des Ansatzes 16 nicht auf einen Schweißprozess beschränkt ist. Beispielsweise kann der Draht 14 manuell abgeflacht werden, um einen Abschnitt zu erzeugen, der eine breitere maximale Querabmessung als der Rest des Drahts 14 aufweist, ohne dass ein Schmelzbad erzeugt wird. 6 zeigt einen Drahtaktuator 14 mit einem abgeflachten distalen Ende.
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Bei einem anderen Aspekt der Erfindung kann der vergrößerte Ansatz 16 den Crimpabschnitt 24 des Aktuators 14 bilden, um dadurch die Oberfläche des Eingriffs und die mechanische Überlagerung zwischen dem Aktuator 14 und dem Verbindungselement 18 zu vergrößern (7–8b). Es ist einzusehen, dass diese Konfiguration speziell auf Drahtaktuatoren anwendbar ist, die kleinere Durchmesser aufweisen (z. B. weniger als 0,020 cm), und zwar aufgrund der erwarteten Schwierigkeiten beim Crimpen. Bei der dargestellten Ausführungsform, die in 7–8b gezeigt ist, ist der Ansatz 16 in dem Raum 22 derart angeordnet, dass die Wände 20 der Crimpverbindung 18 mit O-Ring mit dem Ansatz 16 in Eingriff stehen, wenn sie umgefaltet werden. Dies erhöht die Haltefestigkeit, die auf den Crimpabschnitt 24 ausgeübt wird. Der Ansatz 16 kann wiederum distal oder an einen inneren Ort entlang des Längsprofils des Drahts 14 gebildet sein. Bezüglich des letzteren ist einzusehen, dass eine geeignete Ausrichtung und Anordnung erleichtert wird, wenn sich ein freiliegender distaler Abschnitt des Drahts 14 in der Nähe des Crimpabschnitts 24 befindet. Darüber hinaus ist einzusehen, dass die größere Abmessung des Ansatzes 16 den Montageprozess vereinfacht, indem die Genauigkeit verringert wird, die für den Eingriff des Drahts 14 erforderlich ist. Bei dieser Konfiguration steht der Ansatz 16 mit dem Befestigungselement 18 konstant in Eingriff; obgleich sie der gleichen Ermüdung und den gleichen variablen Schlupfbedingungen ausgesetzt ist, die üblicherweise auftreten, führt die vergrößerte Oberfläche zu einer stärkeren und robusteren Verbindung.
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Wie es alternativ in 7 gezeigt ist, liegt es innerhalb des Umfangs der Erfindung, dass der vergrößerte Ansatz 16 eine angeschweißte Verbindung ist, die den ersten und den zweiten Draht 14a, b jeweils an den Enden verbindet (d. h. in einer Stoß-an-Stoß-Verbindung). Hier dient die Baugruppe 10 zu zwei Zwecken: eine stärkere Verbindung zwischen den benachbarten Drähten 14a, b zu bilden (d. h. die erforderliche Zugkapazität der Verbindung zu verringern) und eine stärkere Verbindung zu einer gemeinsamen Struktur 12 zu bewirken. Darüber hinaus ist einzusehen, dass eine Schleife-an-Schleife-Verbindung erzeugt werden kann, indem sich distale Abschnitte der Drähte 14a, b überlagern, um dadurch die Oberfläche des Eingriffs und die Haltefestigkeit zu vergrößern. Der erste und der zweite vergrößerte Ansatz 16a, b können gebildet werden, indem das distale Ende des ersten Drahts 14a an einen inneren Punkt entlang des Profils des zweiten Drahts 14b angeschweißt wird und umgekehrt (8a). In 8b ist eine Schleifenverbindung gezeigt, die auf ähnliche Weise funktioniert, wobei ein einzelner Draht 14 umgeschlagen wurde. Der Ansatz 16 verbindet das distale Ende des Drahts 14 mit einem inneren Punkt entlang des Profils des Drahts 14. Es ist einzusehen, dass sich die Schleifen- oder Schleife-an-Schleife-Verbindung außerhalb des Crimpabschnitts 24 auf einer oder auf beiden Seiten der Wände 20 erstrecken kann.
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Diese Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben; Fachleute werden verstehen, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Elemente von diesen durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist einzusehen, dass die Haltefestigkeit, obwohl diese unter Bezugnahme auf ein Crimpverbindungselement 18 beschrieben und dargestellt ist, durch andere Mittel geschaffen werden kann, wie beispielsweise durch Epoxidharz etc., wobei die Einrichtungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Festigkeit zu verbessern. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf eine spezielle Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste Weise offenbart wird, die zum Ausführen dieser Erfindung in Betracht gezogen wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
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Die Ausdrücke ”ein” und ”eine” bezeichnen hierin keine Einschränkung der Quantität, sondern sie bezeichnen stattdessen das Vorhandensein zumindest eines des referenzierten Gegenstands. Das Suffix ”(s)” bzw. ”(e)” soll, wenn es hierin verwendet wird, sowohl die Einzahl als auch die Mehrzahl des Ausdrucks umfassen, den es modifiziert, wodurch eines oder mehrere dieses Ausdrucks umfasst sind. In der gesamten Beschreibung bedeutet eine Bezugnahme auf ”eine Ausführungsform”, ”eine andere Ausführungsform” und so weiter, dass ein spezielles Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur und/oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in zumindest eine hierin beschriebene Ausführungsform eingebunden ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann oder auch nicht.
