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TECHNISCHES GEBIET
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Viele mechanische Einrichtungen umfassen Mechanismen, die konstruiert sind, um wiederholt zwischen einer ersten Konfiguration und einer zweiten Konfiguration hin- und hergeschaltet zu werden. Ein Mittel zum Durchführen dieser Aktionen ist es, Mechanismen, die ein längliches Formgedächtnislegierungselement umfassen, wie beispielsweise einen Draht, als die mechanische Betätigungseinrichtung zu verwenden. Solche Drähte oder andere Elemente können jedoch bei einer intensiven Nutzung eine unerwünschte Ausdehnung und eine verringerte Leistung erfahren. Diese Erfindung betrifft Verfahren zum automatischen Wiederherstellen der Leistung einer Einrichtung, indem eine beliebige durch die Verwendung bedingte Zunahme in der Länge eines länglichen Formgedächtnislegierungselements kompensiert wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Viele mechanische Einrichtungen können eine von zwei im Wesentlichen festen Konfigurationen annehmen und werden zwischen zwei Betriebspositionen wiederholt hin- und hergeschaltet. Diese Positionen können als ein/aus oder offen/geschlossen oder ausgefahren/zurückgezogen oder in Eingriff/außer Eingriff oder mit einer beliebigen ähnlichen Terminologie bezeichnet werden. Beispiele solcher Einrichtungen bei Kraftfahrzeugen umfassen einen zurückziehbaren Frontspoiler, Verriegelungen und Kupplungen, neben anderen. Andere mechanische Einrichtungen können zusätzlich zur ”offenen” und ”geschlossenen” Position einen Bereich von Positionen zwischen diesen Grenzen annehmen. Beispiele solcher Einrichtungen bei Kraftfahrzeugen sind ein Satz von Klappen für einen gesteuerten Durchgang von Luft, welche ”geschlossen”, ”offen”, zu 50% offen, zu 85% offen usw. sein können, ein Fluidsteuerventil, Rück- oder Seitenspiegel oder Sonnenblenden oder Schirme. Beide Typen von Einrichtungen können unter Verwendung von Mechanismen betrieben werden, die einen länglichen Formgedächtnislegierungsaktuator (SMA-Aktuator) umfassen.
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Durch eine SMA betätigte Einrichtungen finden eine spezielle Anwendung in Fahrzeugen dort, wo sie ihre geringe Masse zusammen mit ihrer Zuverlässigkeit und relativen Einfachheit zu einem attraktiven Ersatz für elektromechanische Einrichtungen macht, wie beispielsweise elektrische Solenoide oder Motoren. Dies trifft insbesondere zu, wenn der Hub oder der Bereich für den Betrieb der Einrichtung beschränkt ist.
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SMA-Aktuatoren beruhen bei ihrem Betrieb auf der nützlichen Eigenschaft von SMA-Legierungen, dass sie bezüglich der Länge stark schrumpfen oder verkürzt werden, wenn sie aufgeheizt werden. Die durch solche SMAs erzeugte Kraft ist signifikant und kann kraftvoll genug sein, um die Einrichtung sogar dann zu betreiben, wenn ein gewisser mechanischer oder anderer Widerstand angetroffen wird.
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Eine Einrichtung kann verschiedene Komponenten und Mechanismen umfassen, um einen gewünschten Bereich von Bewegungen zu erreichen, die Schlüsselkomponenten des SMA-Aktuators sind jedoch eine vorausgewählte Länge der SMA-Legierung, die in Reihe mit einem Vorspannelement angeordnet ist, das eine Vorspannkraft erzeugt, um die Einrichtung zurückzustellen und diese für eine erneute Verwendung vorzubereiten. Eine übliche Form eines Vorspannelements ist eine Feder, es können jedoch andere Ansätze, wie beispielsweise Leergewichte oder hydraulische Zylinder, neben anderen, verwendet werden. Die SMA kann auf eine geeignete Weise in der Form eines Drahtes, eines Bandes, einer Kette, eines Kabels, einer Litze oder in einer beliebigen anderen länglichen Form der SMA vorliegen, die in der Lage ist, eine Zuglast auszuhalten. Die Feder ist üblicherweise an einem Ende an einer Halterung und an ihrem anderen Ende an einem Ende des SMA-Drahtes befestigt, wobei das zweite Ende des SMA-Drahtes an einer zweiten Halterung befestigt ist. Das Werkstück oder die Komponente, das bzw. die bewegt werden soll, ist zwischen dem Draht und der Feder angeordnet. Mechanische Anschläge können verwendet werden, um lediglich einen beabsichtigten Bereich für die Bewegung zuzulassen.
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SMAs erlangen ihre nützlichen Eigenschaften aufgrund ihrer Fähigkeit, in zwei kristallinen Phasen zu existieren, und zwar in einer ersten Phase mit geringerem Modul, die bei geringeren Temperaturen stabil ist, und in einer Phase mit einer anderen Kristallstruktur mit höherem Modul bei höherer Temperatur. Der Übergang von einer Phase in die andere kann durch eine geeignete Wahl des Legierungssystems, der Legierungszusammensetzung, der Wärmebehandlung oder der ausgeübten Spannung derart ausgewählt werden, dass er über eine Temperaturspanne von –100°C bis zu ungefähr +150°C oder dergleichen auftritt. Viele nützliche SMA-Legierungen existieren jedoch in ihrer Phase bei niedrigerer Temperatur oder Martensitphase bei oder leicht oberhalb von ungefähr 25°C oder dergleichen und wandeln sich bei Temperaturen, die von ungefähr 60°C–80°C oder dergleichen reichen, in ihre Phase bei höherer Temperatur oder Austenitphase um. Diese Eigenschaften stellen im Wesentlichen sicher, dass sich die SMA bei Umgebungstemperatur in ihrer Martensitphase befindet, aber mit einer nur geringen Aufheizung leicht in ihre Austenitphase umgewandelt werden kann.
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SMA-Aktuatordrähte oder ähnliche Drähte werden zuerst in ihrer Austenitphase in die gewünschte Form gebracht und anschließend auf Umgebungstemperatur abgekühlt, was dazu führt, dass sie die Martensit-Kristallstruktur annehmen. Während er sich in seiner Martensitphase befindet, wird der Draht auf seine beabsichtigte vorbestimmte Länge gestreckt und verformt. Die Verformung überschreitet die maximale mögliche elastische Dehnung, die auf den Aktuator ausgeübt werden kann, und sie wird oft als pseudoplastische Verformung bezeichnet. Diese pseudoplastisch verformten Martensitdrähte befinden sich in dem geeigneten Startzustand für den Aktuator.
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Im Allgemeinen überschreitet die Streckung oder Dehnung, das heißt die Änderung in der Länge des Drahtes dividiert durch dessen ursprüngliche oder Basislänge, welche Änderung durch eine pseudoplastische Verformung ausgeübt wird, nicht 7% und kann meistens 5% oder weniger betragen. Es ist wichtig, dass die Basislänge, auf die alle Längenänderungen bezogen werden, die Länge des Drahtes in seiner Austenitphase bei hoher Temperatur ist.
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Nachdem sie in ihrer Martensitphase geeignet verformt wurden, können die SMA-Drähte dann, wenn sie aufgeheizt und in den Austenit umgewandelt werden, spontan zu ihrer ursprünglichen nicht verformten Gestalt zurückkehren. Bei der Änderung der Form zieht sich der Draht um einen Betrag zusammen, der im Wesentlichen gleich der pseudoplastischen Dehnung ist, die zuvor ausgeübt wurde, als er sich in seiner Martensitphase befand. Daher kann durch eine geeignete Auswahl der Drahtlänge eine beliebige gewünschte Verschiebung erreicht werden. Als ein Beispiel kann eine Drahtlänge von 10 Inch (25,4 cm) oder dergleichen, die um 5% vorgedehnt ist, eine Gesamtverschiebung um ungefähr ein halbes Inch (1,27 cm) oder dergleichen ermöglichen. Die Kraft, die während der Aufheizung ausgeübt wird, kann erhöht werden, indem der Drahtdurchmesser vergrößert wird, oder meistens, um eine sofortige Abkühlung des Drahtes zu ermöglichen, indem mehrere Drähte mit kleinerem Durchmesser parallel angeordnet werden.
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Eine Aktuatorbetätigung kann umgekehrt werden, indem das Aufheizen gestoppt wird und ermöglicht wird, dass der Draht auf ungefähr Umgebungstemperatur abkühlt und in seine Martensit-Kristallstruktur zurückkehrt. Während der Abkühlung wird der SMA-Draht seine Länge nicht spontan auf seine anfängliche verformte Länge ändern, in seiner Martensitphase kann er jedoch leicht wieder auf seine anfängliche vorbestimmte Länge gestreckt werden. Die Feder oder das Vorspannelement wird in Reihe mit dem SMA-Draht ausgewählt, um die SMA zu verformen, wenn sich die SMA in ihrer weniger starken Martensitphase befindet. Daher wird beim Abkühlen dann, wenn der Austenitdraht in seine Martensitphase zurückkehrt, diese durch die Feder auf seine anfängliche Länge gestreckt, so dass der Zyklus wiederholt werden kann. Unter der Voraussetzung, dass der Übergang in der Kristallstruktur vollständig reversibel ist, kann dieser Zyklus des Ausdehnens und Zusammenziehens des Drahtes durch Anwendung einer geingeten Anregung unbegrenzt fortgesetzt werden.
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In der Praxis sind die Phasenübergänge und die begleitende zyklische Länge jedoch nicht vollständig reversibel, und es tritt eine gewisse nicht wiederherstellbare Verformung auf. Diese Irreversibilitäten von Zyklus zu Zyklus akkumulieren über wiederholte Zyklen, so dass der Draht permanent ausgedehnt wird. Diese permanente Ausdehnung des Drahtes bewirkt eine Lockerung in dem anfänglich gespannten Draht, und sie verringert einerseits den Hub, der mittels einer Einrichtung erhalten werden kann, und macht andererseits dessen Betrieb nichtlinear. Diese Auswirkungen können ausreichend sein, um den Betrieb der Einrichtung zu behindern oder uneffektiv zu machen. In einem solchen Fall kann es erforderlich sein, dass die Einrichtung ausgetauscht wird.
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Daher besteht eine Notwendigkeit, die Auswirkungen einer irreversiblen Umwandlung von SMA-Aktuatoren in Einrichtungen abzuschwächen, um die verwendbare Lebensdauer solcher Einrichtungen auszudehnen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung ist auf mechanische Spanneinrichtungen zur Befestigung an dem SMA-Draht gerichtet, welche ausgebildet sind, um die Auswirkungen einer beliebigen nicht wiederherstellbaren Verformung, die in dem SMA-Draht aufgetreten ist, automatisch zu detektieren und zu beseitigen. Die nicht wiederherstellbare Verformung, die aus einer gewissen Kombination von irreversiblen Verformungsprozessen resultiert, dehnt die Länge des SMA-Drahtes aus und entwickelt eine Lockerung in einem anfänglich gespannten Draht. Im Betrieb verschiebt die Spanneinrichtung den SMA-Draht leicht in einer Richtung, die für ein erneutes Spannen des SMA-Drahtes geeignet ist, während einer beliebigen Bewegung in der entgegengesetzten oder umgekehrten Richtung entgegengewirkt wird, die eine noch weitere Lockerung in dem SMA-Draht bewirken würde. Die Spanneinrichtung kann zu einer kontinuierlichen Bewegung oder zu einer Bewegung in lediglich diskreten Schritten in der Lage sein. Dadurch kann die Lockerung im Wesentlichen kontinuierlich beseitigt werden, oder es kann zugelassen werden, dass diese zuerst bis zu einem bestimmten festgelegten Betrag akkumuliert und lediglich anschließend beseitigt wird. Die Spanneinrichtung kann durch eine beliebige geeignete Leistungsquelle angetrieben werden, die beispielsweise einen Elektromotor umfasst, die Leistung wird jedoch vorzugsweise durch eine Einrichtung für gespeicherte Energie geliefert, beispielsweise durch eine Feder in einer ihrer vielen Varianten.
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Die Feder kann eine Spannung auf die SMA ausüben, und sie kann direkt an dem SMA-Draht oder typischer an einer Hülse befestigt, gecrimpt oder auf andere Weise permanent an dem SMA-Draht angebracht sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Spanneinrichtung eine zweiteilige Einrichtung sein. Bei diesen Ausführungsformen ist ein Teil der Spanneinrichtung an einem Ende an dem SMA-Draht und an einem entgegengesetzten Ende an der Feder befestigt. Der zweite Teil ist an einer Halterung befestigt. Die Feder verschiebt die zwei Spanneinrichtungsteile relativ zueinander, während die SMA gleichzeitig gespannt wird. Die Stärke der Spanneinrichtungsfeder sollte derart gewählt werden, dass sie die Spanneinrichtungsteile frei bewegt und den SMA-Draht moderat spannt, sie sollte aber nicht in der Lage sein, den SMA-Draht übermäßig zu verformen. Bei solchen zweiteiligen Ausführungsformen sind der erste und der zweite Spanneinrichtungsteil derart konstruiert und angeordnet, dass sie einen minimalen Widerstand gegen eine Bewegung unter dem Zug der Feder bieten, aber einer Bewegung in der entgegengesetzten Richtung entgegenwirken. Daher hält der SMA-Draht, sobald der gespannt ist, die ausgeübte Spannung, bis nach einer zusätzlichen Verwendung eine nicht wiederherstellbare Verformung weiter akkumuliert.
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Bei einer ersten Ausführungsform sind der erste und der zweite Spanneinrichtungsteil Zahnstangen mit gleicher Form und asymmetrischen Zähnen. Die Zahnstangen sind derart entgegengesetzt, vertikal und horizontal angeordnet, dass ihre Zähne in Kontakt und in Eingriff bleiben. Wenn sie in einer ersten Richtung bewegt werden, gelangen die Zahnstangenzähne in Eingriff und überlagern sich, und wenn sie in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden, gleiten die Zahnrampen jeder Zahnstange übereinander, um eine relative Bewegung der Zahnstangen zuzulassen. Eine der Zahnstangen kann zwischen dem SMA-Draht und einer Feder positioniert und an seinen Enden mit diesen verbunden sein. Die andere Zahnstange ist an einer geeigneten Halterung permanent befestigt.
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Bei einer zweiten Ausführungsform sind der erste und der zweite Spanneinrichtungsteil eine Zahnstange und ein Sperrzahnrad, das ausgebildet ist, um mit der Zahnstange in Eingriff zu stehen. Die Zahnstange kann an einer Halterung befestigt sein, und das Sperrzahnrad kann in einer Halterung oder in einem Rahmen eingebunden sein, die bzw. der an einem Ende an dem SMA-Draht und an dem anderen Ende an einer Feder befestigt ist. Das Sperrzahnrad kann auf eine Weise um einen Stift verschwenken, welche es ihm ermöglicht, in seine Halterung oder seinen Rahmen zurückgezogen zu werden, so dass es nicht mit der Zahnstange in Eingriff steht. Wenn sie in eine erste Richtung bewegt wird, zwingt die Zahnrampe der Zahnstange daher das Sperrzahnrad zu einer Drehung um den Stift und in eine Konfiguration, die einen Eingriff mit den Zähnen der Zahnstange vermeidet. Bei einer relativen Bewegung in der entgegengesetzten Richtung bleibt die Zahnstange, die nicht rotieren kann, ausgefahren, und die Zahnstange steht in Eingriff und verhindert eine weitere Bewegung.
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Bei einer dritten Ausführungsform kann eine offene Haltescheibe verwendet werden, um eine Spannung in dem SMA-Draht aufrecht zu erhalten. Indem der SMA-Draht an einer Lasche oder an einem sich nach außen erstreckenden abgewinkelten Abschnitt der im Wesentlichen ringförmigen Scheibe befestigt wird, wird ein Moment immer dann erzeugt, wenn der SMA-Draht eine Spannung auf die Scheibe ausübt. Eine solche Spannung bewirkt, dass die Scheibe, deren innere ringförmige Fläche mit einer Stange in gleitendem Eingriff steht, gekippt oder verschwenkt wird und dass die Scheibe mit der Stange in Eingriff gelangen kann. Wenn die Spannung gelöst wird, rotiert die Scheibe aus dem Eingriff mit der Stange, und sie kann verschoben werden und durch eine Feder entlang der Stange gleiten, um den SMA-Draht nochmals zu spannen, die Scheibe zu drehen und den SMA-Draht in seinem gespannten Zustand zu befestigen.
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Bei einer vierten Ausführungsform ist eine Feder an dem Ende des SMA-Drahtes befestigt, und die Feder ist zwischen einem Paar von lösbaren Greifern angebracht. Bei dieser Ausführungsform ist nur ein Teil der Drahtlänge, der Abschnitt zwischen den Greifern und dem Werkstück, beim Betreiben der Einrichtung aktiv. Wenn die Greifer gelöst werden, kann die Feder die gesamte Länge des SMA-Drahtes erneut spannen, so dass dann, wenn die Greifer erneut mit dem Draht in Eingriff gelangen oder diesen erneut greifen, die aktive Länge des Drahtes auf ähnliche Weise erneut gespannt wird. Bei dieser Ausführungsform tritt anders als bei denjenigen, die zuvor beschrieben wurden, das erneute Spannen nicht inhärent während des Hin- und Herschaltens des SMA-Aktuators auf. Stattdessen ist das erneute Spannen ein Prozess, der von dem normalen Betrieb des Aktuators getrennt ist und zusätzliche Vorgänge erfordert, bei denen die Greifer außer Eingriff des Drahtes und mit diesem erneut in Eingriff gebracht werden. Dieses erneute Spannen muss programmiert oder zeitlich geplant werden, es kann jedoch so häufig ausgeführt werden, wie es erforderlich ist, einschließlich maximal nach jedem Zyklus.
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Bei einer fünften Ausführungsform ist ein Ende des Drahtes in einem Gewindestecker angebracht, der mit einem Gewindesockel in Eingriff steht, der an einer festen Halterung angebracht ist, welcher eine Drehbewegung zulässt, während eine Bewegung in anderen Richtungen verhindert wird. Indem der Sockel unter Verwendung einer helikalen Schraubenfeder gedreht wird, kann der Sockel in den Stecker vorgeschoben werden, um den Draht zu spannen.
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Eine weitere Ausführungsform verwendet Motoren und Bremsen, um einen SMA-Draht zu spannen, der auf Rollen gelagert ist, und sie sieht ferner eine Spule zum Speichern eines zusätzlichen Drahtes vor. Diese Ausführungsform ermöglicht ferner, dass die vollständige Länge des SMA-Drahtes mit neuem und noch nicht verwendetem Draht aufgefrischt wird, wenn das erneute Spannen des SMA-Drahtes derart häufig erfolgt und intensiv ist, dass dies die Fähigkeiten des Drahtes erschöpft.
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Andere Ziele und Vorteile von Ausübungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibungen von veranschaulichenden Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich. In einigen dieser Beschreibungen wird auf die Zeichnungsfiguren Bezug genommen, die in dem folgenden Abschnitt dieser Beschreibung beschrieben sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A und 1B zeigen im Schnitt eine SMA-Einrichtung zum Ausfahren eines Fahrzeug-Frontspoilers.
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2A und 2B zeigen in einer Draufsicht eine Klappeneinrichtung für eine gesteuerte Luftströmung. In 2A befindet sich die Einrichtung in ihrer nicht ausgefahrenen oder ”geschlossenen” Konfiguration, und sie dient dazu, den Durchgang von Luft durch die Klappen effektiv zu blockieren. In 2B sind die Klappen in ihre ”offene” Position gedreht, wodurch ein im Wesentlichen freier Durchgang von Luft ermöglicht wird.
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3A–D zeigen einen Betriebszyklus für einen repräsentativen SMA-Drahtaktuator.
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4 zeigt die SMA-Drahtgeometrie des Aktuators, der in 3A–D gezeigt ist, nach wiederholten Zyklen.
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5A zeigt den SMA-Aktuator von 4, der ferner eine Ausführungsform einer Spanneinrichtung umfasst, die in 5B gezeigt ist, um den Ort der Spanneinrichtung relativ zu den anderen Komponenten des Aktuators zu veranschaulichen.
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5B–D zeigen alternative Ausführungsformen der Erfindung, die Sperrzahnräder zur Befestigung des SMA-Drahtes an der Halterung 74 umfassen und die Lockerung beseitigen, die sich in dem SMA-Draht entwickelt hat.
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6 zeigt eine andere Ausführungsform zum Beseitigen der Lockerung an einem SMA-Draht, der eine offene Haltescheibe umfasst.
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7 zeigt eine noch andere Ausführungsform zum Beseitigen einer Lockerung an einem SMA-Draht, der eine selektiv lösbare Klemme umfasst, die entweder auf den SMA-Draht oder einen Crimp oder eine ähnliche Struktur wirken kann, die an dem SMA-Draht starr befestigt ist.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform zum Beseitigen der Lockerung an einem SMA-Draht. Diese Ausführungsform verwendet Rollen und selektiv lösbare Klemmer, um den Draht zu greifen. Es ist ebenso vorgesehen, dass Draht von einer Spule zugeführt wird, um den Draht vollständig zu ersetzen, der nicht in der Lage ist, die gemäß der Konstruktion beabsichtigte Verschiebung zu liefern.
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9 zeigt eine andere Ausführungsform zum Beseitigen einer Lockerung, welche einen SMA-Drahtcrimp mit Gewinde oder eine ähnliche Struktur verwendet.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist nur beispielhafter Natur und nicht dazu gedacht, die Erfindung, ihre Anwendungsmöglichkeit oder Verwendungen einzuschränken.
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Kraftfahrzeuge können Einrichtungen verwenden, die durch eine Formgedächtnislegierung betätigt oder angetrieben werden, um Einrichtungen zu betreiben, die einen begrenzten Bereich einer linearen Bewegung oder Drehbewegung erfordern. Solche Einrichtungen sind relativ einfach und von geringer Masse, was sie zu einem attraktiven Ersatz für Elektromotoren mit minimaler Leistung oder ähnliche elektromechanische Einrichtungen macht. Die Einrichtungen nutzen die Fähigkeit solcher Formgedächtnislegierungen, wiederholt zwischen zwei extremen Positionen hin- und herzuschalten, wie beispielsweise bei einem zurückziehbaren Frontspoiler, einer Verriegelung und einer Kupplung, oder über einen Bereich von Positionen zwischen vorbestimmten Grenzen umgeschaltet zu werden, wie beispielsweise bei einer einstellbaren Klappenreihe, einem Rück- oder Seitenspiegel oder einer Sonnenblende.
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Formgedächtnislegierungen (SMAs) sind spezielle Legierungen, die eine im Wesentlichen reversible Umwandlung zwischen zwei Kristallphasen durchlaufen – einer Niedrigtemperaturphase, die als Martensit bekannt ist, und einer Hochtemperaturphase, die als Austenit bekannt ist. Die spezielle Phasenumwandlungstemperatur variiert mit dem Legierungssystem, reicht aber im Wesentlichen von ungefähr –100°C bis ungefähr +150°C oder dergleichen. Ein Formgedächtnisverhalten wurde bei einer großen Anzahl von Legierungssystemen beobachtet, die Ni-Ti, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Ti-Nb, Au-Cu-Zn, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Si, Ag-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn-Ga, Ni-Al, Fe-Pt, Ti-Pd-Ni, Fe-Mn-Si, Au-Zn und Cu-Zn umfassen, es sind jedoch nur wenige dieser Legierungen kommerziell verfügbar. Nitinol, eine Legierung aus Nickel und Titan mit nahezu gleichen atomaren Anteilen, genießt die breiteste Verwendung.
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Bei vielen Anwendungen wird die SMA in einen Draht oder eine ähnliche längliche Form vorgeformt, wie beispielsweise ein Band, eine Kette, ein Kabel und eine Litze, neben anderen, der Bequemlichkeit halber wird jedoch in den nachfolgenden Abschnitten lediglich der Ausdruck Draht verwendet. Mit der Änderung in der Kristallstruktur, welche die SMAs erfahren, ist eine Änderung in der Form verbunden, die sich am offensichtlichsten in einer Änderung in der Länge des Drahtes zeigt. Die Größe dieser Längenänderung ist für das spezielle Legierungssystem charakteristisch und kann bis zu 7% oder dergleichen bei einigen Systemen, wie beispielsweise dem Ni-Ti-System, reichen. Wenn das SMA-Element versucht, seine Länge zu ändern, kann es eine beträchtliche Kraft ausüben, um einen beliebigen mechanischen Widerstand oder eine beliebige mechanische Gegenwirkung zu überwinden. Mit einer geeigneten Konstruktion können mechanische Einrichtungen hergestellt werden, um die Kraft, die aus der Umwandlung resultiert, nutzbar zu machen und zu verwenden, um Mechanismen oder ähnliche mechanische Einrichtungen zu betreiben oder zu betätigen.
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1A und 1B zeigen ein repräsentatives Beispiel einer linearen mechanischen Einrichtung, die für eine Kraftfahrzeuganwendung repräsentativ und dafür vorgesehen ist, zwischen festen Endpunkten zyklisch betätigt zu werden, und zwar ein durch eine SMA ausrückbaren, zurückziehbaren Frontspoiler. Frontspoiler sind im Allgemeinen unterhalb der vorderen Stoßstange eines Kraftfahrzeugs eingepasst und erstrecken sich in die Luftströmung unterhalb des Fahrzeugs. Frontspoiler können die Bedienung und die Steuerung des Kraftfahrzeugs verbessern, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit erhöhen und auch die Führung der Luftströmung zum Kühlen/für einen Wärmeaustausch in dem Motorraum des Fahrzeugs verbessern. Die Effektivität der Frontspoiler ist bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten und dann am größten, wenn sie sich nahezu bis auf die Straße erstrecken, diese Konfiguration macht sie jedoch am meisten verwundbar gegenüber einem Stoß mit Straßenhindernissen, sogar bei niedrigen Geschwindigkeiten. Daher stellt die Geometrie von feststehenden Frontspoilern notwendigerweise einen Kompromiss zwischen der aerodynamischen Effektivität und dem Vermeiden einer Kollision des Frontspoilers mit Widerständen und Hindernissen auf der Straße dar. Ein besserer Kompromiss kann durch die Verwendung eines zurückziehbaren Frontspoilers erreicht werden. Ein solcher zurückziehbarer Frontspoiler bietet die Möglichkeit, den Frontspoiler nur bei hoher Geschwindigkeit auszufahren und den Frontspoiler bei niedrigen Geschwindigkeiten zurückzuziehen, um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit Beschädigung des Frontspoilers zu minimieren, wenn der Frontspoiler am wenigsten effektiv ist.
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In der Schnittansicht von 1A umfasst das Frontspoilersystem 10 einen Frontspoiler 22, ein Gehäuse 12 und ein SMA-Betätigungssystem, das einen SMA-Draht 30 umfasst. Der Frontspoiler ist in seiner zurückgezogenen Position gezeigt, die sich außerhalb einer Luftströmung 38 befindet. Der Frontspoiler 22 ist im allgemeinen L-förmig mit einem längeren Abschnitt 24, der zur Einführung in die Luftströmung 38 vorgesehen ist. Der kürzere Abschnitt 26 des Frontspoilers 22 weist entgegengesetzte Oberflächen 23, 25 auf, und er ist mechanisch an dem SMA-Draht befestigt und spricht auf dessen Bewegung an. Die Oberfläche 23 ist an einem Ende des SMA-Drahtes 30 und die Oberfläche 25 an einem Ende einer Spannfeder 28 befestigt. Das entgegengesetzte Ende der Feder 28 ist an der Unterseite einer Abdeckung 14 befestigt. Der SMA-Draht 30 ist an seinem anderen Ende an einer Befestigung 32 angebracht, und er ist um Rollen 34 herumgeführt, um eine kompaktere Einrichtung zu ermöglichen. Die Einrichtung ist in einem Gehäuse 12 enthalten, das aus entgegengesetzten, im Wesentlichen vertikalen Wänden 18, der im Wesentlichen horizontalen Abdeckung 14 und einem entgegengesetzten Abschluss 16 gebildet ist. Der Abschluss 16 umfasst eine geschlitzte Öffnung 20 mit nachgiebigen Klappendichtungen 21, die abdichtend in Eingriff stehen, um für Spritzwasser und Schmutz von der Straße den Zugang zu dem Gehäuse 12 zu verhindern, wenn der Frontspoiler 22 zurückgezogen ist.
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In 1B wurde der SMA-Draht 30 betätigt, vorzugsweise durch eine Verwendung der mechanischen Verbindungselemente an den Drahtenden als elektrische Verbindungselemente und indem ein elektrischer Strom entlang der Länge des Drahtes fließt (wobei Details nicht gezeigt sind). Der Draht 30 befand sich vor dem Aufheizen des Drahtes durch den elektrischen Strom oder durch ein anderes anwendbares Mittel in seinem Martensitzustand bei niedriger Temperatur und mit geringerer Festigkeit. Wenn sich der Draht 30 in seinem Martensitzustand mit geringem Modul befindet, kann er durch die Feder 28 verformt und verlängert werden, wodurch der Frontspoiler 22 in das Gehäuse 12 zurückgezogen wird, wie es in 1A gezeigt ist. Das Aufheizen des SMA-Drahtes 30 führt zu dessen Umwandlung in dessen Austenitzustand mit höherer Festigkeit, was als Draht 30' in 1B gezeigt ist. Zusammen mit seiner Umwandlung in den Austenit mit höherer Festigkeit versucht der Draht 30, auf eine Länge zu schrumpfen, die für den Austenitdraht 30' geeignet ist. Wenn dies erfolgt, übt er eine ausreichende Kraft aus, um die Kraft zu überwinden, die durch die Feder 28 ausgeübt wird, wobei die Kraft bewirkt, dass die Feder 28 ausgedehnt wird und der Abschnitt 24 des Frontspoilers 22 durch die Öffnung 20 gedrückt wird, wo er sich in die Luftströmung 38 erstreckt. Die Dichtungen 21 werden in einen Kontakt mit den entgegengesetzten Oberflächen des Abschnitts 24 des Frontspoilers ausgelenkt, so dass sie weiterhin Feuchtigkeit und Schmutz aus dem Gehäuse 12 fernhalten können.
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Nach dem Ende des Aufheizens kühlt der Draht 30' ab und wandelt sich in den Martensitdraht 30 um. Der Martensitdraht 30 mit geringerer Festigkeit kann durch die Feder 28 verformt werden, wodurch ermöglicht wird, dass sich die Feder 28 zusammenzieht und aufgrund ihrer Verbindung mit der Oberfläche 25 des Frontspoilers 22 den Frontspoiler 22 in das Gehäuse 12 zurückzieht, wie es in 1A gezeigt ist.
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Bei dieser Anwendung ist der SMA-Aktuatormechanismus dafür vorgesehen, in einem Modus mit fester Verschiebung zu arbeiten, so dass sich der Frontspoiler um eine gewisse vorbestimmte Ausdehnung über das Gehäuse hinaus erstreckt. Dieses relativ einfache Betriebsschema kann beispielsweise implementiert werden, indem der angelegte Strom, der durch den Draht fließt, progressiv rampenartig erhöht wird, bis die Verschiebung gemäß der Konstruktion erreicht ist, und indem anschließend lediglich ein Endstrom angelegt wird, um die gewünschte ausgefahrene Position zu halten. Ähnliche Mechanismen können verwendet werden, um andere Einrichtungen zu betreiben, einschließlich von Verriegelungen und Kupplungen.
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Eine alternative Anwendung eines SMA-Aktautors ist in 2A und 2B gezeigt. Bei dieser Anwendung sind mehrere Klappen 42, die zum Steuern einer Luftströmung angeordnet sind, durch Verbindungen 48 an Drehgelenken 46 mit einer gemeinsamen Stange 58 verbunden. Ein Umlenkhebel 56 ist wiederum auch mit der Stange 58 und mit einem SMA-Draht 52 sowie mit einer Feder 54 verbunden, die entgegengesetzt an dessen entsprechenden Armen befestigt sind. In 2A sind die Klappen in ihrer geschlossenen oder ”die Luftströmung blockierenden” Konfiguration dargestellt. Der SMA-Draht 52 befindet sich in seiner Martensitphase und ist bis zu einem vorbestimmten Ausmaß gestreckt. Bei der gezeigten Konfiguration kann festgestellt werden, dass sich die aneinander anliegenden Klappen gegenseitig überlagern, wenn sie sich in der geschlossenen Position befinden, und dadurch das Ausmaß der Streckung begrenzen oder steuern. Bei anderen Klappengeometrien, bei denen eine solche Überlagerung nicht auftreten kann, kann ein separater Anschlag (nicht gezeigt) verwendet werden, um die Streckung zu begrenzen. In 2A ist der SMA-Aktautor 50 derart gezeigt, dass sich der SMA-Draht 52 in seiner Martensitphase befindet und dadurch in der Lage ist, durch die Feder 54 gestreckt zu werden. Unter dem Einfluss der Feder 54 wird die Stange 58 in der Richtung des Pfeils 61 bewegt, wodurch die Verbindung 48 ungefähr in eine 2-Uhr-Position ausgerichtet wird und die Klappen geschlossen werden. Beim Aufheizen und Betätigen des SMA-Drahtes 52', wie es in 2B gezeigt ist, wird der Umlenkhebel 56 um einen Drehpunkt 60 gegen den Uhrzeigersinn gedreht, wodurch die Stange 58 in der Richtung des Pfeils 62 verschoben wird und dadurch die Verbindung 48 um ihren Drehpunkt 46 gegen den Uhrzeigersinn bis ungefähr zu einer 10-Uhr-Position gedreht wird. Wenn sich die Verbindung 48 dreht, wird dadurch jede der Klappen 42 zum Verschwenken um entsprechende Drehpunkte 44 und zum Ausrichten der Klappen in ihrer ”offenen” Position angetrieben.
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Es ist einzusehen, dass dadurch, dass die Umwandlung vom Martensit zum Austenit über einen kleinen Temperaturbereich anstatt bei einer speziellen Temperatur erfolgt, die Klappenausrichtung unter einer geeigneten Temperatursteuerung auf eine beliebige Position zwischen der ”geschlossenen” und ”offenen” Konfiguration eingestellt werden kann, die in 2A bzw. 2B gezeigt sind. Andere Kraftfahrzeugeinrichtungen, die ähnliche bezüglich der Position steuerbare SMA-Aktuatoren verwenden können, umfassen Rück- und/oder Seitenspiegel, Sonnenblenden und Schirme.
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3A–D stellen einen repräsentativen oder generischen SMA-Aktuatormechanismus 70 dar. In 3A befindet sich ein SMA-Draht 80, der an einem Ende an einer festen Halterung 74 und an einem zweiten Ende an einer Seite einer Scheibe 82 befestigt ist, auf einer Temperatur unterhalb seiner Unwandlungstemperatur, und er befindet sich daher im Wesentlichen vollständig in seiner Martensitphase. In dieser Phase mit geringerer Festigkeit wird der Draht 80 leicht durch eine Feder 76 verformt und bis zu einer maximalen vorbestimmten Länge ausgedehnt. Die Länge wird durch den Abstand zwischen der Halterung 74 und einem Anschlag 86 festgelegt und durch einen Eingriff der Scheibe 82 mit dem Anschlag 86 eingestellt. Es ist einzusehen, dass sich der Draht 80 unter Spannung befindet, obwohl die Scheibe 82 den Anschlag 86 berührt. Die Scheibe 82 ist auf einer Seite an dem Draht 80 und auf einer entgegengesetzten Seite an einem Ende der Feder 76 fest angebracht. Ein zweites Ende der Feder 76 ist an der festen Halterung 72 befestigt. In 3B ist der SMA-Draht 80' aufgeheizt, beispielsweise durch einen Durchgang von elektrischem Strom entlang seiner Länge (wobei die elektrische Schaltung und die Verbindungen nicht gezeigt sind), und er ist teilweise in die Austenitphase umgewandelt, wodurch die Feder 76' teilweise ausgedehnt wird. Ein späterer Zustand, der einer weiteren Umwandlung und Kontraktion des Drahtes 80'' und einer weiteren Ausdehnung der Feder 76'' entspricht, ist in 3C gezeigt, während der Draht bei seiner vollständig kontrahierten Länge 80''' und die vollständig ausgedehnte Feder 76''' in 3D gezeigt sind.
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Wenn das Aufheizen unterbrochen wird, kühlt sich der Draht 80''' ab, typischerweise mit einer Rate, die durch die Umgebungsbedingungen vorgegeben ist, obgleich eine erzwungene Abkühlung verwendet werden kann, wenn eine schnelle Abkühlung gewünscht ist. Wenn sich der Draht abkühlt, wandelt er sich über einen speziellen Temperaturbereich in den Martensit um und wird durch die Feder 76 derart verformt, dass der Aktuator zu der Konfiguration von 3A zurückkehrt. Wenn sich der Aktuator nun in der Konfiguration von 3A befindet, kann der Prozess wiederholt werden. Idealerweise wäre eine solche Kontraktion und Ausdehnung des SMA-Drahtes vollständig reversibel, so dass dieser einer beliebigen Anzahl von wiederholten Zyklen ausgesetzt werden könnte, ohne dass er irgendeine Änderung in seinen Eigenschaften erfährt.
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In der Praxis tritt eine gewisse, nahezu nicht wahrnehmbare nicht wiederherstellbare Verformung in jeden Zyklus aufgrund einer gewissen Irreversibilität des Verformungsmechanismus bzw. der Verformungsmechanismen auf. Diese Irreversibilitäten akkumulieren mit der kontinuierlichen zyklischen Betätigung und bewirken eine allmähliche Zunahme in der Länge des SMA-Drahtes sowie eine allmähliche Verringerung der Spannung in dem Draht 80, bis sich nach einer bestimmen Anzahl von Zyklen eine Lockerung in dem SMA-Draht entwickelt. Dies ist der Zustand, der in 4 dargestellt ist. Der Klarheit halber wurden die Ausdehnung des Drahtes 180 und dessen Krümmung zwischen den Halterungen 74 und 82 übertrieben. Diese überschüssige Länge oder Lockerung wirkt wie eine Einrichtung mit totem Gang, verringert den Aktuatorhub oder erfordert, dass der Draht aggressiver aufgeheizt wird, um den Hub gemäß der Konstruktion zu entwickeln. Ein aggressiveres Aufheizen kann jedoch zu einer beschleunigten Akkumulation von Irreversibilitäten und einem damit verbundenen beschleunigten Verlust der Funktionalität der Einrichtung oder einem vorzeitigen Materialausfall führen. Bei Einrichtungen mit progressivem Betrieb, wie beispielsweise bei den Klappen von 2A und 2B, macht dieser tote Gang am Beginn des Hubs das Ansprechen der Klappen auf das Aufheizen stark nichtlinear und nicht voraussagbar. Indem der Draht 180 erneut gespannt wird, kann der ”tote” Gang behoben und die vollständige Funktionalität der Einrichtung mit einem begrenzteren Hub aufrecht erhalten werden, als für den nicht gespannten Draht erforderlich war. Eine Anzahl von Ausführungsformen geeigneter Spanneinrichtungen wird nachstehend beschrieben.
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5A zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung und stellt deren Anordnung relativ zu der Halterung 74, dem SMA-Draht 180 und den anderen SMA-Elementen dar, die in 4 gezeigt sind. Wie offensichtlich werden wird, ist die dargestellte Konfiguration breit anwendbar auf viele der Ausführungsformen der Erfindung. Bei dieser ersten Ausführungsform, die in 5B besser gezeigt ist, ist der Draht 180 an eine Hülse 90 gecrimpt oder auf andere Weise an dieser angebracht, die eine Zahnstange 101 umfasst, welche zu einer Zahnstange 98 komplementär und entgegengesetzt zu dieser angeordnet ist, die an einer Spannfeder 92 angebracht ist. Die Zahnstange 101 weist Zähne 100 auf, die derart geformt und bemessen sind, dass sie mit der Zahnstange 98 eines Stabes 94 in Eingriff stehen. Die Zähne 100 sind derart geformt, dass sie leicht entlang einer Rampe 97 der Zahnstange 98 gleiten, wenn der Draht 180 durch die Feder 92 in die Richtung des Pfeils 102 gedrückt wird, und dass sie jedoch mit steil geneigten Kanten 99 in Eingriff stehen, wenn eine Spannung auf den Draht ausgeübt wird. Daher wird während der Umwandlung des Drahtes 180' vom Martensit zum Austenit oder während einer Verformung des Drahtes 180 durch die Feder 76, während dieser in seiner Martensitform vorliegt, eine robuste Verbindung zwischen dem SMA-Draht 180 und der Halterung 74 über den Stab 94 hergestellt.
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Wenn sich jedoch eine Lockerung in dem Draht 180 entwickelt, kann der Draht unter dem Zug einer geeigneten Einrichtung mit gespeicherter Energie, die hier als Feder 92 gezeigt ist, erneut gespannt werden, welche dazu dient, den Zahn 100 entlang der Zahnstange 98 in der Richtung des Pfeils 102 vorzuschieben. Die Feder 92 dient sowohl zum Detektieren der verringerten Spannung als auch zum Wiederherstellen der Spannung. Um wirksam zu sein, muss die Feder 92 vorgespannt sein und als eine Einrichtung mit gespeicherter Energie arbeiten. Wenn der Verlust an Spannung in dem Draht minimal ist, ist die Feder 92 passiv und speichert weiterhin Energie, sobald jedoch ein vorbestimmter Verlust an Spannung auftritt, wird ein Teil der gespeicherten Energie aufgewendet, um den Draht erneut zu spannen.
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Die Einrichtung mit gespeicherter Energie von 5A und 5B wurde als eine Schraubenfeder unter Spannung dargestellt. Natürlich kann eine beliebige Einrichtung, wie beispielsweise ein Elektromotor, der verschiedene Teile der Spanneinrichtung relativ zueinander bewegen kann, demselben Zwecken dienen, eine federbasierte Einrichtung ist jedoch einfach und im Wesentlichen wartungsfrei. Es ist ebenso einzusehen, dass bei anderen Konfigurationen der Spanneinrichtung eine Schraubenfeder in Kompression, eine Torsionsfeder, eine Blattfeder, eine Uhrfeder, eine Gasfeder, eine Wellenfeder oder eine Kompressionsfeder aus Urethan (oder einem anderen nachgiebigen Polymer) gleich gut oder besser geeignet sein kann als die dargestellte Spannfeder. Wenn lediglich eine kleine Verschiebung des Endes des SMA-Drahtes erforderlich ist, um den Draht erneut zu spannen, wie beispielsweise bei einem Mechanismus mit einer kleinen Verschiebung, der lediglich eine kurze Länge eines SMA-Drahtes verwendet, kann eine geeignete Federwirkung auch unter Verwendung einer oder mehrerer Federscheiben erreicht werden, wie beispielsweise einer Belleville-Scheibe, einer Wellenscheibe oder einer kleeblattförmigen gewölbten Scheibe.
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Typischerweise sollte die Feder 92 derart ausgewählt werden, dass sie eine Spannung in dem Draht 180 herstellt, die der Anfangsspannung im Wesentlichen gleich ist, die durch die Feder 76 ausgeübt wird. Es ist einzusehen, dass die Zahnstange 98 und der Zahn 100 für eine korrekte Funktion über die gesamte Zeit in Eingriff bleiben müssen. Dies kann auf geeignete Weise durch die Ausübung eines moderaten Drucks P in der Richtung des Pfeils 96 erreicht werden. Ein Verfahren zum Ausüben eines solchen Drucks erfolgt durch eine Blattfeder 106, die durch eine hohle Hülse 104 getragen ist. Die hohle Hülse 104 ermöglicht einen Zugang zu der Zahnstange 98 und ist derart bemessen, dass sie den Crimp 90 aufnimmt, während die Feder 106 moderat gebogen wird, was einen konsistenten Eingriff des Zahns 100 mit der Zahnstange 98 unter allen relativen Positionen von Zahn und Zahnstange sicherstellt. Es können jedoch andere Ansätze zum Sicherstellen eines kontinuierlichen Eingriffs des Zahns, wie beispielsweise ein federbelasteter Zahn 100, ebenso unter der Voraussetzung verwendet werden, dass die Hülse 104 für den Bereich der Zahnbewegung geeignet bemessen ist.
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5C stellt eine ähnliche Sperrzahnrad-Zahnstangeneinrichtung dar, die an einem Stab 194 angebracht ist, hier unter Verwendung von entgegengesetzten Zahnstangen 198, die jeweils einen Rampenabschnitt 97 und eine steil geneigte Kante 99 aufweisen. Entgegengesetzte Zähne 200, 200' sind durch einen Crimp 190 an dem Draht 180 angebracht und dafür vorgesehen, mit den Zahnstangen 198 selektiv in Eingriff zu gelangen, um eine Spannung auf den Draht auszuüben. Die entgegengesetzten Zähne 200, 200' sind derart angeordnet, dass sie um einen Drehpunkt 201 rotieren und derart federbelastet sind (wobei Details nicht gezeigt sind), dass sie ohne Gegenwirkung zu ihrer ausgedehnten Konfiguration 200 zurückkehren, aber mit Gegenwirkung die kompakte Konfiguration 200' annehmen können. Daher bewirkt ein Kontakt zwischen der Rampe 97 und der komplementären Oberfläche 297 des Zahns 200, dass der Zahn 200 um den Drehpunkt 201 nach innen rotiert. Wenn die Drehung maximal ist, nimmt der Zahn 200 die Konfiguration des Zahns 200' an, die in Durchsicht gezeigt ist, wodurch jede der gegenüberliegenden Zahnstangen 198 freigegeben wird. Daher kann der Crimp 190 dann, wenn sich eine Lockerung entwickelt, unter dem Zug der Feder 92 in Richtung der Halterung 74 bewegt werden und den Draht 180 spannen, während einer Bewegung in der Richtung des Pfeils 108 während des Betriebs des Aktuators weiterhin entgegengewirkt wird. Es ist einzusehen, dass, obwohl die Feder 92 als eine Schraubenfeder dargestellt ist, andere Federgeometrien ebenso verwendet werden können, wie beispielsweise eine Blattfeder 192, die in 5D gezeigt ist. Allgemeiner kann ein beliebiges Mittel zum Ausüben einer gerichteten Kraft auf den Crimp 190 zum Spannen des Drahtes 180', einschließlich eines Motors, eines Solenoids, eines Hydraulikzylinders oder anderer, die Fachleuten bekannt sind, ohne Einschränkung verwendet werden. Ebenso sind die gegenüberliegenden Zahnstangen als ausgerichtet gezeigt, das heißt, dass die Rampen und Kanten jeder Zahnstange entgegengesetzt zueinander angeordnet sind. Es ist einzusehen, dass die effektive Zahnsteigung verringert werden kann, indem eine Zahnstange gegenüber der anderen verschoben wird, unter der Voraussetzung, dass ein Eingriff eines einzelnen Zahns ausreichend ist, um den Umwandlungslasten Stand zu halten. Ferner kann der Crimp 190, ganz gleich, ob die Zahnstangen ausgerichtet oder verschoben sind, mehrere Zähne 200, 200' umfassen, wie es erforderlich ist, um die Betriebslasten an den wechselwirkenden Zahnstangen und Zähnen auszuhalten.
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6 stellt eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar, die in der Lage ist, einen Draht 180' kontinuierlich zu spannen. Hier ist eine offene Haltescheibe 112, die einen Scheibenabschnitt 110 mit einer Öffnung, die derart bemessen ist, dass sie mit einer Stange 116 in Eingriff steht, aber frei auf dieser gleitet, und eine abgewinkelte feste Erweiterung 114 umfasst, durch ein Verbindungselement 124 mit einem Crimp 290 verbunden. Auf den Scheibenabschnitt 110 der offenen Haltescheibe 112 wirkt eine Kompressionsfeder 118, welche die Stange 116 umgibt und sich an einem Anschlag 120 abstützt. Wenn der SMA-Draht 180' eine Lockerung erfährt, wird die offene Haltescheibe derart ausgerichtet, wie es in Durchsicht bei 112' gezeigt ist. Bei dieser Ausrichtung kann die offene Haltescheibe entlang der Stange 116 in Richtung einer Halterung 74 gedrückt werden. Wenn dies erfolgt, übt sie eine Spannung auf den SMA-Draht 180' aus, der mit der abgewinkelten Erweiterung 114 verbunden ist, wodurch die offene Haltescheibe in die Richtung des Pfeils 122 bis zu der geneigten Konfiguration gedreht wird, die bei 112 gezeigt ist. Bei dieser Konfiguration steht eine Kante 126 der Öffnung des Scheibenabschnitts 110 mit der Stange 116 in Eingriff, um gegen eine Bewegung der Scheibe 112 in die Richtung des Pfeils 128 im Betrieb der SMA-Einrichtung Widerstand zu leisten.
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7 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar. Bei dieser Ausführungsform ist der SMA-Draht zwischen zwei Klemmen 130, 132 eingeklemmt. Die Klemmen 130, 132 können durch eine reversible Bewegung einer oder beider Klemmen in die Richtung des Pfeils 134 festgeklemmt und gelöst werden sowie unter einem ausgeübten Druck P befestigt werden. Eine oder beide Klemmen 130, 132 können Merkmale oder beispielsweise und ohne Einschränkung auf diese Vorsprünge aufweisen, wie es bei 136 gezeigt ist, um die greifende Kraft zu vergrößern. Die Klemme kann lediglich eine Reibungshaltekraft erzeugen oder mechanisch mit dem Draht in Eingriff stehen, beispielsweise durch Einbinden von geformten Zähnen oder ähnlichen Merkmalen, die sich selbst in den Draht eingraben. Die Klemmen können direkt auf den SMA-Draht 180', wie es dargestellt ist, oder auf einen Crimp oder eine Hülse einwirken, die den Draht umgeben (nicht gezeigt). Wenn ein mechanischer Eingriff beabsichtigt ist, sollte die Klemme mit einem Crimp oder einer Hülse in Eingriff stehen, der bzw. die vorzugsweise aus einem weichen und leicht verformbaren Metall oder einer weichen und leicht verformbaren Legierung hergestellt ist, um eine Beschädigung des SMA-Drahtes während des Greifprozesses zu verhindern. Die Klemmen 130, 132 sind derart an einer Halterung 140 angebracht (nicht gezeigt), dass sie die Lasten aushalten können, die während der Phasenänderung oder während des Spannens durch die Feder 76 auf den Draht 180' ausgeübt werden. Die Befestigung darf die Fähigkeit der Klemmen 130, 132 nicht beeinträchtigen, sich irreversibel relativ zueinander zu bewegen, um mit dem SMA-Draht 180' in Eingriff und außer Eingriff zu gelangen. Bei dieser Ausführungsform ist ein Ende des Drahtes 180' nicht an einer feststehenden Halterung 140 befestigt, sondern stattdessen tritt der Draht 180' an einer Öffnung 141 durch die Halterung 140 hindurch, so dass dessen Ende an einer bewegbaren Halterung 174 angebracht werden kann.
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Im Betrieb kann der SMA-Aktuator betätigt werden, bis sich eine gewisse vorbestimmte Lockerung in dem SMA-Draht entwickelt. Anschließend können eine oder beide der Klemmen 130, 132 zurückgezogen werden, um die Klemmen zu trennen und den Druck auf den Draht 180' zu lösen. Wenn der Draht 180' nun von den Klemmen 130, 132 gelöst ist, verschiebt eine Kompressionsfeder 292, die gegen die feststehende Halterung 140 wirkt, die Halterung 174, die an dem Draht 180' befestigt ist, wodurch der Draht 180' gespannt wird. Die Klemmen 130, 132 können anschließend mit dem Draht 180' in Kontakt gebracht werden, um den Draht 180' festzustellen und den Aktuator wieder betreibbar zu machen. Obwohl bei dieser Ausführungsform das Spannen indirekt unter Verwendung der Kompressionsfeder 292 ausgeführt wird, die zwischen der feststehenden Halterung 140 und der bewegbaren Halterung 174 positioniert ist, kann das Spannen wie bei den Anordnungen von 5B, 5C und 5D auch direkt unter Verwendung von Spannfedern ausgeführt werden.
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8 stellt eine noch andere Ausführungsform einer Spanneinrichtung dar. Es ist einzusehen, dass, obwohl das erneute Spannen des SMA-Drahtes beim Wiederherstellen der Einrichtungsleistung wirksam sein kann, ein solches Spannen nicht unbegrenzt fortgesetzt werden kann. Nach einer bestimmten Anzahl von Vorgängen kann sogar eine volle und ausschließliche Umwandlung des Drahtvolumens in den Austenit keine ausreichende Verschiebung für einen zufriedenstellenden Betrieb der Einrichtung erzeugen. In diesem Fall ist ein vollständiges Ersetzen des Drahtes die einzige geeignete Abhilfemaßnahme. Die Spanneinrichtung, die in 8 gezeigt ist, ist eine Ausführungsform, die sowohl die Möglichkeit zum Spannen des Drahtes 280 als auch zum Ersetzen der aktiven SMA-Drahtlänge 280 bietet, wenn ein erneutes Spannen allein nicht geeignet ist, um die Leistung der Einrichtung wiederherzustellen. Eine Länge des SMA-Drahtes 280 wird von einer Zuführungsspule 144 aus um Tragrollen 149, 149' bis zu einer Aufnahmespule 146 geführt. Im Betrieb kann der Draht durch eine Drehung der Aufnahmespule 146 von der Zuführungsspule 144 weg in die Richtung gezogen werden, die durch den Pfeil 152 angegeben ist, nachdem zuerst jede der Bremsbacken 140, 140' gelöst ist, indem diese jeweils in die Richtung der Pfeile 142, 142' nach außen verschoben werden. Die Zuführungsspule 144 wird nicht angetrieben, sondern durch die Drehung der Aufnahmespule 146, die durch den Draht 280 übertragen wird, in die Richtung des Pfeils 150 gedreht. Nachdem eine geeignete Drahtlänge herausgezogen ist, kann der Draht auf eine von zwei Weisen gespannt werden. Bei einer ersten Ausführungsform kann ein Bremsschuh 140 nach innen in die Richtung des Pfeils 142 gerichtet werden, um den Draht 280 gegen die Rolle 149 zu verriegeln, während die Aufnahmespule 146 weiterhin angetrieben wird, um diese in die Richtung des Pfeils 152 zu drehen. Die Spannung in dem Draht 280 kann ermittelt werden, indem beispielsweise ein Elektromotor verwendet wird, um die Aufnahmespule 146 anzutreiben, und indem der Motorstrom aufgezeichnet wird. Wenn die Drahtspannung einen vorbestimmten Wert erreicht, dann kann die Bremse 140' auf die Rolle 149' angewendet werden, indem diese entlang der Richtung des Pfeils 142' nach innen verschoben wird, wodurch der gespannte Draht 280 zwischen den Rollen 149 und 149' verriegelt wird. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der SMA-Draht 80 gespannt werden, indem die Zuführungsspule 144 in einer Richtung angetrieben wird, die durch den Pfeil 154 angegeben ist, während gleichzeitig die Aufnahmespule 146 in der Richtung des Pfeils 152 angetrieben wird, wobei beide der Bremsen 140 und 140' gelöst sind. Da die zwei Spulen entgegengesetzt wirken, wird der Draht 280 gespannt. Wenn eine vorbestimmte Spannung erreicht ist, können daher beide der Bremsen 140 und 140 im Wesentlichen gleichzeitig betätigt werden, um die Drahtspannung in dem Drahtsegment zwischen den Rollen 149 und 149' aufrecht zu erhalten. Analog zu der Aktuatorkonfiguration, die in 3A–D dargestellt ist, ist die Rolle 149 an der Halterung 274 angebracht, und die Rolle 149' ist an einer Scheibe 282 angebracht.
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Die Konfiguration von 8 ermöglicht sowohl das Zuführen als auch das Spannen des Drahtes. Es ist einzusehen, dass das Spannen alleine ausgeführt werden kann, indem die Enden des Drahtes 280, der um die Rollen 149 und 149' herum verläuft, an jeder der Rollen 149 und 149' befestigt wird. Die eine oder die andere der Rollen 149 und 149' kann angetrieben werden, beispielsweise unter Verwendung einer Uhrfeder, um eine Spannung auf den Draht auszuüben. Die Spannung kann unter Verwendung einer Sperrklinke (nicht gezeigt) aufrecht erhalten werden, die für einen Eingriff mit einem Sperrzahnrad (nicht gezeigt) ausgebildet ist, das an der Rolle und koaxial mit der Rollenachse befestigt ist.
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9 zeigt eine Ausführungsform zum Spannen eines Drahtes 180', die eine helikale Feder 392 verwendet, die der Klarheit halber in Durchsicht und teilweise aufgeschnitten gezeigt ist und einen Behälter 402 mit einem inneren Hohlraum 408 mit Gewinde und parallelen Seiten umgibt, der sich teilweise durch den Behälter erstreckt. Der innere Hohlraum 408 ist derart bemessen und geformt, dass er mit einem Gewinde 410 an der Außenseite eines im Wesentlichen zylindrischen Crimps 412 in Eingriff steht, an dem der SMA-Draht 180' angebracht ist. Der Behälter 402 steht mit einer Halterung 374 auf eine Weise in Eingriff, die eine Bewegung in die Richtung des Pfeils 414 verhindert, aber eine Drehung um eine Achse ”A” ermöglicht. Wie es gezeigt ist, wird dies erreicht, indem an der Basis des Behälters 402 eine Struktur 406 gebildet ist, die einen Schaft 407 umfasst, der an einer Oberfläche einer Scheibe 405 befestigt ist, und indem eine Struktur 406 in einem Hohlraum von komplementärer Form 404 in enger Passung in der Halterung 374 angeordnet wird. Die Abmessungen der Struktur 406 und des Hohlraums 404 sollten eine Drehung des Behälters 402 unter dem Zug der helikalen Feder 392 ermöglichen.
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Die helikale Feder 392 ist an einem Ende 418 an der Halterung 374 und an einem zweiten Ende 416 an dem Behälter 402 angebracht, so dass die Feder 392 dann, wenn sie gespannt ist, den Behälter 402 drehen kann. Wenn das Gewinde 410 des Crimps 412 mit dem Hohlraum 408 mit Gewinde in Eingriff steht, dann zieht die Drehung des Behälters 402 den Crimp 412 in den Hohlraum 408, und sie spannt den Draht 180'. Beim Spannen des Drahtes 180' wird die Scheibe 405 in einen Kontakt mit einer Oberfläche des Hohlraums 404 gezogen, wodurch eine Reibungskraft erzeugt wird, die mit einer geeigneten Wahl der Federspannung und der Gewindesteigung eine vorbestimmte Spannung in dem Draht 108' erzeugt, ohne dass dieser überspannt wird. Es ist einzusehen, dass die spezielle Zuordnung des inneren und äußeren Gewindes zu speziellen Komponenten der Spanneinrichtung darstellend und nicht einschränkend ist und dass diese bezogen auf diejenige, die dargestellt ist, umgekehrt werden kann, ohne dass der Betrieb der Spanneinrichtung beeinträchtigt wird.
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Ein Spannmechanismus kann auch Zahnräder verwenden. Eine Einrichtung mit Zahnstange und Ritzel, bei welcher die Zahnstange an einem Drahtcrimp befestigt ist und ein angetriebenes Ritzelzahnrad an einer feststehenden Halterung befestigt ist, würde das Spannen ermöglichen, ohne dass ein Drehmoment oder Torsionslasten auf den Draht ausgeübt werden. Ein solcher Mechanismus mit Zahnstange und Ritzelzahnrad würde jedoch erfordern, dass eine Leistung während des Betriebs aufrecht erhalten wird, oder er würde erfordern, dass eine Bremse zum Vermeiden einer Rückwärtsdrehung des Ritzels hinzugefügt wird. Ein Mechanismus mit Schneckenzahnrad und einer geeigneten Auswahl von Zahnradparametern kann die Rückwärtsdrehung beseitigen, sogar bei einem Betrieb ohne Leistung. Es können jedoch einige Mittel zum Entkoppeln des Drahtes von dem angetriebenen Zahnrad notwendig sein, um ein Verdrehen des Drahtes zu vermeiden.
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Obgleich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zur Veranschaulichung beschrieben wurden, sind diese Veranschaulichungen nicht dazu gedacht, den Umfang der Erfindung einzuschränken.
