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Die Erfindung betrifft eine Aktoranordnung mit Formgedächtnisstellern mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren für deren Betrieb.
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Die Verwendung von Formgedächtnismaterialien für Aktoren ist bekannt. Zur Ausführung von Stellbewegungen wird ein Phasenumwandlungseffekt genutzt. Für ein Bauteil aus einer thermisch aktivierbaren Formgedächtnislegierung, beispielsweise TiNi, TiNiCu, CuZnNi oder CuAlNi, erfolgt zunächst eine plastische Verformung in einer Tieftemperaturphase, für die ein Martensitgefüge vorliegt. Bei einer Erwärmung auf eine Temperatur, die ausreicht, um das Martensitgefüge in ein Austenitgefüge umzuwandeln, resultiert eine Formveränderung zum Zustand vor der plastischen Verformung. Eine nachfolgende Abkühlung, für die wieder ein Martensitgefüge eintritt, führt bei einer Einwegeffekt-Formgedächtnislegierung ohne zusätzlichen Kraftaufwand nicht zum ursprünglichen Verformungszustand zurück. Allerdings besteht die Möglichkeit durch mehrere übereinstimmende plastische Umwandlungs- und Temperaturwechselzyklen das Material so zu trainieren, dass ein Zweiwegeffekt auftritt und ein aktorisches Bauteil geschaffen werden kann, das zwischen zwei definierten Formzuständen in Abhängigkeit der Temperatur wechselt.
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Zusätzlich zu einer thermischen Aktivierung des Formgedächtniseffekts sind Materialien bekannt, die aufgrund der Einwirkung eines elektrischen Feldes oder unter der Wirkung von UV-Strahlung einen Phasenwechsel ausführen, wobei die Gefügeveränderung zu einem Formgedächtniseffekt führt. Beispiele solcher Materialien sind NiMnGa mit einem hohen Formveränderungsgrad oder Formgedächtnis-Polymere mit einer Zimtsäuregruppe.
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Die Nutzung eines Formgedächtnisaktors als schaltbares Federelement ist beispielsweise aus
EP 1207553 A1 bekannt. Beschrieben wird eine Einspannvorrichtung für Halbleiterbauelemente, die eine Stapelanordnung mit Tellerfedern aus einer Formgedächtnislegierung zur direkten Krafteinwirkung nutzt. Des Weiteren ist bekannt, zwei gegeneinander als Agonist-Stellelement und Antagonist-Stellelement wirkende Formgedächtnisaktoren zum Antrieb einer mechanischen Komponente, die die Kinematik einer Bewegung vorgibt, zu verwenden. Als Beispiel wird auf die
DE 3909480 A1 verwiesen. Beschrieben wird eine Verstellvorrichtung mit zwei Endlagen zum Einbau in eine Türverriegelungsmechanik eines Kraftfahrzeugs, die eine Kugelschreibermechanik gekoppelt mit einem Getriebeantrieb mit Formgedächtnissteller in Agonist-Antagonist-Bauweise beschreibt. Weitere bistabile Getriebeanordnungen mit zwei antagonistisch wirkenden Formgedächtnisdrähten sind aus
DE 60 2004 001 337 T2 ,
US 5977858 A und
US 20050115235 A1 bekannt.
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DE 10 2005 055 759 A1 offenbart eine durch einen Wandlerwerkstoff angetriebene Kinematik mit einem Kniehebel zur Ausführung eines Stellelements für eine Bremse. Nicht beschrieben wird die Nutzung der Kniehebelmechanik im Bereich einer Totlage. Dies gilt auch für die durch
DE 19842923 A1 offenbarte Hebelmechanik mit Formgedächtnisstellern. Dabei bewegen die aktorischen Komponenten die Endglieder des Getriebes, sodass ein außerhalb des Totpunktbereichs liegender Arbeitsbereich mit einer zur Gliederkette des Getriebes transversalen Abtriebsbewegung genutzt wird. Des Weiteren beschreibt
DE 10 2009 013 126 A1 eine Spannvorrichtung für eine mikrolithographische Komponente mit einem Kniehebelgetriebe und nach dem Agonist/Antagonist-Prinzip arbeitenden Formgedächtnisdrähten als Aktoren.
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Eine Kniehebelmechanik in Verbindung mit Formgedächtnisstellern zur Totlagen-Auslösung ist aus der
DE 10027519 C2 bekannt. Beschrieben wird die Wirkverbindung zwischen einem elektrischen Kontaktelement und einem Abtriebsglied eines Kniehebels, wobei der Kniehebel im Normalbetriebszustand, für den der Batteriekontakt aufrechtzuerhalten ist, ein kraftfreie, mechanisch stabile Stellung in einer Getriebegrenzlage außerhalb des Totpunkts einnimmt. In diese Stellung wird der Kniehebel mittels eines Federelements aus einer Formgedächtnislegierung gebracht. Als Aktor für die Auslöserichtung dient ein thermisch aktivierbarer Formgedächtnisdraht, der direkt auf das mittlere Getriebegelenk der Kniehebelmechanik wirkt und im Auslösefall das Getriebe wieder über den Totpunkt führt. Die beschriebene Konstruktion ist so gewählt, dass das Spannen des Kniehebels mit dem relativ großbauenden Federelement aus einer Formgedächtnislegierung im Verhältnis zum Auslösevorgang langsam erfolgt. Darüber hinaus wird für die vorgeschlagene Aktoranordnung ein relativ großer Bauraum benötigt.
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US 8499913 B2 beschreibt die Verwendung einer Vorrichtung mit Formgedächtnisstellern für die Klappenbewegung an einem Flugzeugflügel. Verwendet wird ein Zweiwegeffekt-Torsionsformgedächtnissteller, der mit unidirektionalen Lagerelementen und über eine schaltbare Kupplungsvorrichtung auf die Flügelklappen wirkt. Als Aktor für die Kupplungsvorrichtung wird ein röhrenförmiger Formgedächtnis-Linearaktor verwendet, der nach dem Zweiwegeffekt arbeitet. Da der Formgedächtnis-Linearaktor eine relativ große thermische Masse aufweist, dient ein zusätzlicher Kniehebelmechanismus im Antriebsstrang zwischen dem Formgedächtnis-Linearaktor und der Kupplungsvorrichtung dazu, ein möglichst rasches Freisetzen der Klappen als Reaktion auf einen Überlastfall zu realisieren. In Normalbetriebsstellung befindet sich der Kniehebel in einer Getriebegrenzlage außerhalb des Totpunkts. Um den Kniehebel für die Notauslösung möglichst schnell über den Totpunkt zu führen, wird vorgeschlagen, mit Formgedächtniselementen geringer thermischer Masse eine Drehbewegung eines Umlenkkörpers auszulösen, der auf das Mittelgelenk des Kniehebels wirkt. Die durch
US 8499913 B2 vorgeschlagene Aktorik bedarf eines Bauraums, der für viele Anwendungen, etwa für kompaktbauende Stellbremsen als Sicherungskomponenten eines elektrischen Antriebs, nicht vorliegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aktoranordnung mit Formgedächtnisstellern, umfassend ein Agonist-Stellelement und ein Antagonist-Stellelement, anzugeben, die in einem kleinen Bauraum realisiert werden kann. Die Aktoranordnung soll mit geringem Energieaufwand aktivierbar sein und eine schnelle Stellbewegung zwischen einer ersten Betriebsstellung und einer zweiten Betriebsstellung unter Last ausführen. Dabei sollten die Betriebsstellungen ohne permanente Energiezufuhr aufrechterhalten werden. Zusätzlich ist ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Aktoranordnung anzugeben.
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Die erfindungsgemäße Aktoranordnung verwendet ein Getriebe mit einer Kinematik, für die zwischen einer ersten Betriebsstellung und einer zweiten Betriebsstellung ein Abtriebsglied des Getriebes eine Totlage durchläuft. Für eine Totlage ist die Abtriebsgeschwindigkeit an wenigstens einem Punkt des Abtriebsglieds gleich null, ohne dass die Antriebsgeschwindigkeit verschwindet. Anders ausgedrückt bedeutet eine Totlage, dass das Abtriebsglied einer Kinematik mit Richtungswechsel folgt. Wird als zweite Betriebsstellung durch einen ortsfesten Anschlag oder einen Bewegungsbegrenzer als Teil eines Getriebeglieds etwas jenseits der Totlage eingestellt, entsteht ein statisch stabiler Betriebspunkt dann, wenn eine auf das Abtriebsglied wirkende äußere Kraft gegen eine Bewegung in Richtung der Totlage wirkt. Wird ein Abtriebsglied in eine solche Stellung durch die Antriebsaktoren gebracht, resultiert eine sichere Lage auch ohne dauerhafte aktorische Einwirkung mit permanentem Energiefluss.
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Um unter Belastung einen Wechsel der Betriebsstellung nahe bei oder über eine Totlage hinaus zu bewirken, sind typischerweise hohe aktorische Kräfte auf einem kurzen Weg notwendig. Die sich daraus ergebenden Anforderungen an die aktorischen Stellelemente wird aufgrund der hohen, zur Verfügung stehenden Kraftdichte vorteilhaft durch Formgedächtnismaterialien erfüllt.
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Erfindungsgemäß werden sowohl für ein Agonist-Stellelement, das eine Getriebebewegung von der ersten Betriebsstellung über einen Totpunkt in die zweite Betriebsstellung bewirkt, als auch für ein Antagonist-Stellelement, mit dem eine Getriebebewegung von der zweiten Betriebsstellung zur ersten Betriebsstellung ausgeführt wird, Formgedächtnisdrähte verwendet, die bei einer Aktivierung eine Längenkontraktion und somit eine Zugkraft erzeugen. Für die bevorzugt verwendeten thermisch aktivierbaren Formgedächtnisdrähte stellt das Aufheizen des Materials über die Phasenumwandlungstemperatur zum Austenitzustand die Aktivierung dar. Denkbar sind auch Zugdrähte mit magnetisch oder durch UV-Strahlung aktivierten Formgedächtnismaterialien.
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Die Verwendung eines ersten Formgedächtnisdrahts für das Agonist-Stellelement und eines zweiten Formgedächtnisdrahts für das Antagonist-Stellelement hat den Vorteil, dass der Einwegeffekt für den Wechsel zwischen ersten Betriebsstellung und der zweiten Betriebsstellung verwendet werden kann. Darüber hinaus erlaubt die Verwendung von Formgedächtniselementen mit einem hohen Oberflächen-Volumenverhältnis schnelle Temperaturwechselvorgänge, sodass eine Aktivierung des Formgedächtniseffekts und damit die Ausführung einer Stellbewegung in einer kurzen Zeitspanne erfolgen können. Ein zusätzlicher Vorteil des Einsatzes von Formgedächtnisdrähten besteht darin, dass deren geringe thermische Masse bei einer thermischen Aktivierung aus einem begrenzten Energiespeicher, etwa einem Kondensator, gespeist werden kann und so eine hohe Ausfallsicherheit insbesondere für die Verwendung in einer Sicherheitsbremseinrichtung gegeben ist.
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In einem weiteren Schritt haben die Erfinder erkannt, dass die gewählte Kinematik mit einer Getriebetotlage und die Agonist-Antagonist-Bauweise mit Zugkräfte erzeugenden Formgedächtnisdrähten dann einen besonders kompakten Bauraum einnimmt, wenn die wesentliche Erstreckung der Formgedächtnisdrähte des Agonist-Stellelements und des Antagonist-Stellelements in einem gemeinsamen Bauraum angeordnet sind. Dabei verlaufen die Formgedächtnisdrähte des Agonist-Stellelements und des Antagonist-Stellelements bevorzugt gegenläufig. Dies wird dadurch erreicht, indem eines der beiden Stellelemente einen direkten Zug auf ein Gelenk oder ein Glied des Getriebes bewirkt und das jeweils andere Stellelement ein kraftübertragendes Zwischenelement zur mittelbaren Triebverbindung zum Getriebe nutzt, das ein durch einen Formgedächtnisdraht erzeugten Zug in eine Schubkraft umlenkt.
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Für den Getriebeantrieb der erfindungsgemäßen Aktoranordnung geht das erste Ende eines ersten Formgedächtnisdrahts, der dem Agonist-Stellelement zugeordnet ist, von einer ersten gestellseitigen Halterung aus. Unter einer gestellseitigen Halterung wird eine Komponente verstanden, die nicht in Triebverbindung zu einem Gelenk oder einem beweglichen Getriebeglied steht. Das zweite Ende des ersten Formgedächtnisdrahts steht mit einer am Getriebe angeordneten und mit dem Getriebe gekoppelten ersten Drahtaufnahme in direkter Wirkverbindung. Vorliegend wird unter einer Drahtaufnahme ein Bauelement verstanden, das mit einer relativ zur Gestellvorrichtung beweglichen Komponente gekoppelt ist.
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Für das Antagonist-Stellelement wird folgende Anordnung verwendet: Das erste Ende des zweiten Formgedächtnisdrahts geht von einer zweiten gestellseitigen Halterung aus und das zweite Ende des zweiten Formgedächtnisdrahts steht in Verbindung zu einer zweiten Drahtaufnahme, die mit einem Zwischenelement gekoppelt ist, das relativ zur Gestellvorrichtung verschiebbar ist. Das Zwischenelement steht in Triebverbindung zum Getriebe und ist so angeordnet, dass eine Zugbewegung des zweiten Formgedächtnisdrahts in eine Schubbewegung umgelenkt wird.
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Um die erfindungsgemäße kompakte Bauweise mit einer Verschränkung des Agonist-Stellelements und des Antagonist-Stellelements zu realisieren, liegt die zweite gestellseitige Halterung, die dem Antagonist-Stellelements zugeordnet ist, näher an der ersten Drahtaufnahme des Agonist-Stellelements als an der ersten gestellseitigen Halterung des Agonist-Stellelements. Zusätzlich muss die Bedingung erfüllt sein, dass die zweite Drahtaufnahme näher an der ersten gestellseitigen Halterung als an der ersten Drahtaufnahme des Agonist-Stellelements liegt. Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung ist die zweite gestellseitige Halterung zwischen der ersten Drahtaufnahme und der ersten gestellseitigen Halterung angeordnet. Des Weiteren wird eine Ausgestaltung bevorzugt, für die die erste gestellseitige Halterung zwischen der zweiten gestellseitigen Halterung und der zweiten Drahtaufnahme liegt.
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Des Weiteren sind die erste und die zweite Drahtaufnahme und/oder die erste und die zweite gestellseitige Halterung so mit einem Umlenkkörper zur Führung eines Formgedächtnisdrahts ausgestaltet, dass die Formgedächtnisdrähte des Agonist-Stellelements und/oder des Antagonist-Stellelements in Schlaufen um die jeweilige Drahtaufnahme und gestellseitige Halterung geführt sind.
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Bevorzugt wird eine Befestigung der Umlenkkörper an der jeweilige Drahtaufnahme oder der jeweiligen gestellseitigen Halterung mittels eines Drehgelenks. Diese Maßnahme ermöglicht eine Ausgleichbewegung zwischen mehreren parallel verlaufenden Wirkabschnitten eines Formgedächtnisdrahts, der in Form geschlossener Schlaufen um die Umlenkkörper geführt ist. Des Weiteren ist es für eine solche Halterung möglich, mit einem Justageelement, das den Relativabstand zwischen der jeweiligen gestellseitigen Halterung und der jeweiligen Drahtaufnahme einstellt, die gewünschte Spannung im Formgedächtnisdraht einzurichten. Auf diese Weise ist eine einfache Montage eines mit Mehrfachwicklungen in Form geschlossener Schlaufen angeordneten Formgedächtnisdrahts möglich, wobei durch die Wahl der Anzahl der Wicklungen eine Anpassung der von den Formgedächtnisstellern aufgebrachten Stellkräften erzielt werden kann. Dabei stellen die aktivierbaren Abschnitte der geschlauften Formgedächtnisdrähte die freien Drahtabschnitte zwischen der jeweiligen gestellseitigen Halterung und der jeweiligen Drahtaufnahme dar.
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Werden die Formgedächtnisdrähte in Form von Schlaufen oder allgemein als Mehrfachwicklung angelegt, kann dem Verlauf des Formgedächtnisdrahts des jeweiligen Stellelements eine gemittelte Verlaufsebene zugeordnet werden. Unter einer gemittelten Verlaufsebene wird vorliegend eine Näherungsebene verstanden, die einer Mittelung des räumlichen Verlaufs der aktivierbaren Abschnitte eines Formgedächtnisdrahts entspricht. Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung steht eine erste gemittelte Verlaufsebene des Formgedächtnisdrahts des Agonist-Stellelements in einer Winkelstellung zu einer zweiten gemittelten Verlaufsebene des Formgedächtnisdrahts des Antagonist-Stellelements. Bevorzugt wird eine Winkelstellung zwischen der ersten gemittelten Verlaufsebene und der zweiten gemittelten Verlaufsebene im Bereich von 45°–135°, besonders bevorzugt im Bereich von 70°–110° und insbesondere bevorzugt eine rechtwinklige Stellung.
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Als Getriebe mit Totlage für die erfindungsgemäße Aktoranordnung wird bevorzugt ein Schubkurbelgetriebe verwendet. Alternativ kann der Kniehebel mit Totpunkt durch ein Kurvengetriebe ausgestaltet werden. Auch Getriebe mit mehr als drei Getriebegliedern sind denkbar. Besonders bevorzugt werden ferner Koppelgetriebe insbesondere Viergelenkgetriebe mit einer Totlage, insbesondere für Anwendungen, für die eine Klemm- oder Spannkraft erzeugt werden muss.
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In Abhängigkeit des gewählten Getriebes und des Krafteinleitungspunkts der Formgedächtnissteller am Getriebe ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an den Stellweg vom Übergang von der ersten Betriebsstellung in die zweite Betriebsstellung. Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Hubbewegung in einem kleinen Bereich um den Totpunkt, die mittels des Agonist-Stellelements und des Antagonist-Stellelements durch eine Längenveränderung der Formgedächtnisdrähte bestrichen wird. Bei einer Weitergestaltung der Erfindung wird zur Erweiterung der Hublänge ein Zusatzaktor verwendet, der bevorzugt einen weiten Hub in einem Bereich ausführt, in dem die Stellkräfte noch niedrig sind. Als Zusatzaktor kommen insbesondere ein Spindelantrieb oder ein pneumatischer Aktor und auch ein Handhebel infrage. Dabei verlagert der Zusatzaktor eine Teilkomponente der Gestellvorrichtung, die die Formgedächtnissteller trägt, in einen Arbeitsbereich nahe des Totpunkts, in dem hohe aktorische Stellkräfte erforderlich sind. Bevorzugt erzeugt der Zusatzaktor am Ende des Annäherungshubs eine hinreichend hohe Rastkraft, sodass für die Formgedächtnissteller ein sicheres Widerlager vorliegt. Zu diesem Zweck kann der Zusatzaktor eine schaltbare Klemm- oder Rasteinrichtung aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Aktoranordnung wird bevorzugt zur Ausführung von Sicherheitsbremsen oder automatischer oder halbautomatisch wirkender Klemm- oder Spannwerkzeugen verwendet. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zeichnet sich durch eine wechselnde Ansteuerung des Agonist- und des Antagonist-Stellelements aus, wobei für eine bevorzugte Weitergestaltung der Erfindung die Speisung wenigstens eines der beiden Stellelemente und zumindest für eine einmalige Ausführung eines Stellbewegung zwischen den Betriebsstellungen aus einem Energiespeicher erfolgt.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungsbeispiele der Erfindung im Zusammenhang mit Figurendarstellungen erläutert. Diese zeigen Folgendes:
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1 zeigt in teilangeschnittener Seitenansicht eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktoranordnung in der ersten Betriebsstellung.
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2 zeigt in teilangeschnittener Seitenansicht eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktoranordnung in der zweiten Betriebsstellung.
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3a zeigt eine Seitenansicht eines Teils der Gestellvorrichtung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aktoranordnung.
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3b zeigt Schnitt A-A von 3a.
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4a zeigt ein Gehäuseelement der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aktoranordnung in teilangeschnittener Seitenansicht.
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4b zeigt eine Aufsicht auf das Gehäuseelement von 4a.
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5a zeigt das Gehäuseelement gemäß 4a mit Getriebekomponenten.
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5b zeigt Schnitt B-B aus 5a.
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6a–6c zeigen eine alternative Ausführung mit einem Kurvengetriebe in drei unterschiedlichen Betriebsstellungen.
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7 zeigt die erste Ausführungsform gemäß 1 mit dem Agonist-Stellelement in der ersten Betriebsstellung.
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8a und 8b zeigen Komponenten des Antagonist-Stellelements der ersten Ausführungsform gemäß 1 in teilmontierter Ansicht.
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9 zeigt das Antagonist-Stellelement für die erste Ausführungsform gemäß 1 in der zweiten Betriebsstellung.
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10 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aktoranordnung für eine Klemmeinrichtung mit einem Viergelenkgetriebe in Seitenansicht in der ersten Betriebsstellung.
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11 zeigt die zweite Ausführungsform gemäß 10 in der zweiten Betriebsstellung.
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1 zeigt in schematisch vereinfachter, teilangeschnittener Seitenansicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aktoranordnung 1. Die Aktoranordnung 1 umfasst eine Gestellvorrichtung 2, die für die dargestellte erste Ausführungsform aus Komponenten besteht, die als Blechteile hergestellt sind. Die Grundform der Blechteile geht von einem U-Profil 37 aus, das als Sicht auf die Schmalseite der Aktoranordnung in 3a dargestellt ist. Aus der Seitenansicht 3b, die den Schnitt A-A aus 3a zeigt, ist ersichtlich, dass das U-Profil 37 im Bodenbereich auf einer Seite einen Stehfalz 38 mit einer Bohrung 39 und Profilabsätze 40.1, 40.2 aufweist. Zusätzlich liegen an den Seitenwandungen des U-Profils 37 Kulissenführungen 41.1, 41.2 für die Halterung weiterer Komponenten der Gestellvorrichtung 2 vor.
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Eine weitere Teilkomponente der Gestellvorrichtung 2 wird in 4a und 4b gezeigt. 4a stellt ein Gehäuseelement 36 für Schnitt C-C aus 4a dar und 4b zeigt das Gehäuseelement 36 in Aufsicht. Die Funktion des Gehäuseelements 36 wird durch die 5a und 5b verdeutlicht, die Komponenten des Getriebes 3 in der Montagestellung zeigen. Dargestellt sind Elemente eines Schubkurbelgetriebes 24 mit den Gelenkgliedern 29.1, 29.2. Das Gelenkglied 29.1 ist mittels des Drehgelenks 28.1 in einem Längsschlitz des Gehäuseelements 36 eingeführt und wird nach einer Einführung des Gehäuseelements 36 in das U-Profil 37 in einer Bohrung des U-Profil 37 gelagert. 1 zeigt diese montierte Stellung.
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Die Verbindung der Gelenkglieder 29.1, 29.2 erfolgt, wie in 5a gezeigt, über das Drehgelenk 28.2. Dabei stellt das Gelenkglied 29.2 das Abtriebsglied 4 des Getriebes 3 dar. Durch die seitliche Führung des Lastaufnehmers 27 im oberen Teil des Gehäuseelements 36 und die Verbindung zum Abtriebsglied 4 über das Drehgelenk 28.3 entsteht eine Kniehebel-Kinematik in der Ausführung als Schubkurbelgetriebe 24, wobei durch die Wandungen des Gehäuseelements 36 und den Anschlag 42 Grenzlagen des Getriebes 3 außerhalb der Totlage festgelegt sind.
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Für das Getriebe 3 der erfindungsgemäßen Aktoranordnung sind mehrere Ausführungen, die zu einer Kinematik mit einer Totlage führen, denkbar. 6a–6c zeigen eine mögliche Ausführungsalternative in Form eines Kurvengetriebes 26 mit einem Kurvenkörper 43 in unterschiedlichen Stellungen. Gelagert wird der Kurvenkörper 43 mittels eines Drehgelenks 28.1 im Gehäuseelement 36. In Anlage zum Kurvenkörper 43 steht ein Lastaufnehmer 27.2, der zugleich das Abtriebsglied 4 des Getriebes 3 bildet. Für die in 6a gezeigte erste Betriebsstellung 5 liegt der Kurvenkörper 43 in Anlage zur Wandung des Gehäuseelements 36, sodass eine erste Grenzlage des Getriebes 3 vorliegt. 6b zeigt einen vertikal ausgerichteten Kurvenkörper 43 und somit eine Getriebestellung in der Totlage. Bei einem Weiterbewegen über die Totlage hinaus resultiert die in 6c dargestellte zweite Betriebsstellung 6 mit einer Getriebegrenzlage durch eine Anlage des Kurvenkörpers 43 am Anschlag 42. Durch einen Vergleich mit der ersten Betriebslage 5 ist ersichtlich, dass der Lastaufnehmer 27.2 einen Vertikalhub H ausgeführt hat.
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7 zeigt wesentliche Komponenten der Gestellvorrichtung 2 und des Getriebes 3 gemäß 5a–5b in der Montagestellung und zusätzlich Komponenten des Agonist-Stellelements 8. Das Agonist-Stellelement 8 umfasst einen ersten Formgedächtnisdraht 10.1, der als geschlossene Schlaufe 19 um einen Umlenkkörper 35.1 an der ersten gestellseitigen Halterung 12 und um einen Umlenkkörper 35.2 an der ersten Drahtaufnahme 13 verläuft. Der Umlenkkörper 35.2, der der ersten Drahtaufnahme 13 zugeordnet ist, wird auf einer Welle des Drehgelenks 28.2 des Getriebes 3 gelagert, die zusätzlich eine Verbindung zwischen den Gelenkgliedern 29.1, 29.2 herstellt.
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Durch die Ausbildung des ersten Formgedächtnisdrahts 10.1 als geschlossenen Schlaufe 19 liegen zwei freie Drahtabschnitte 49.1, 49.2 des ersten Formgedächtnisdrahts 10.1 ohne Bauteilberührung vor, die zwei aktivierbare Drahtabschnitte zur Ausführung einer aktorischen Stellbewegung bilden. Unter Bestromung erhitzen sich die freien Drahtabschnitte 49.1, 49.2 des ersten Formgedächtnisdrahts 10.1 und verkürzen sich um 2–4% bei einer Gefügeumwandlung von einem Martensit- zu einem Austentitgefüge. Des Weiteren kann zur Beschreibung einer räumlichen Mittelung der Lage der freien Drahtabschnitte 49.1, 49.2 eine erste gemittelte Verlaufsebene 20 festgelegt werden, die in der Papierebene von 7 liegt.
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Ausgehend von der voranstehend dargelegten Funktion der freien Drahtabschnitte 49.1, 49.2 des ersten Formgedächtnisdrahts 10.1 sind das erste und zweite Ende des ersten Formgedächtnisdrahts festgelegt. An den Kanten des Umlenkelements 35.1, an denen der erste Formgedächtnisdraht 10.1 den Kontakt zum Umlenkkörper 35.1 verliert, liegt das erste Ende des ersten Formgedächtnisdrahts 11.1, 11.2. Entsprechend liegt am Umlenkkörper 35.2 der ersten Drahtaufnahme 13 das zweite Ende des ersten Formgedächtnisdrahts 16.1, 16.2 für die oberen und unteren freien Drahtabschnitte 49.1, 49.2, für die die geschlossene Schlaufe 19 des ersten Formgedächtnisdrahts 10.1 den Anlagekontakt zu den Umlenkkörpern 35.1, 35.2 verliert.
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Das in 7 gezeigte Getriebe 3 befindet sich in einer ersten Betriebsstellung 5, die aufgrund der Anlage der Gelenkglieder 29.1, 29.2 am Gehäuseelement 36 eine stabile Grenzlage darstellt. Aus der Anordnung des ersten Formgedächtnisdrahts 10.1 ist ersichtlich, dass bei einer Längenkontraktion des ersten Formgedächtnisdrahts 10.1 eine Verkürzung des Abstands zwischen der ersten gestellseitigen Halterung 12 und der ersten Drahtaufnahme 13 resultiert, die über die Totlage des Getriebes 3 hinaus bis zur Getriebegrenzlage am Anschlag 42 führt. Dies ist im Einzelnen nicht in 7 dargestellt.
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Die zweite Betriebsstellung 6 für das Getriebe 3 ist in 8a gezeigt, die zusätzlich mit der zweiten gestellseitigen Halterung 15 mit dem Umlenkkörper 35 eine Komponente des Antagonist-Stellelements 9 schematisch vereinfacht darstellt. Ersichtlich ist, dass die zweite gestellseitige Halterung 15 Befestigungselemente umfasst, die formschlüssig in die Kulissenführungen 41.1, 41.2 der Gestellvorrichtung 2 eingreifen und durch das Justageelement 23.1 einstellbar sind.
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Eine zusätzliche Komponente des Antagonist-Stellelements 9 stellt das Zwischenelement 18 mit der zweiten Drahtaufnahme 17 dar. Teil der zweiten Drahtaufnahme 17 ist ein Umlenkkörper 35.4, der drehbar auf Halterungskomponenten des Zwischenelements 18 gelagert ist. Zur Vereinfachung der Montage ist das Zwischenelement 18 zweiteilig aufgebaut und umfasst einen Schubschlitten 44 und einen Schenkel 45 mit einem Auge zur Aufnahme der Gelenkwelle des Getriebes 3. Die Zweiteiligkeit des Zwischenelements 18 ist im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt.
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Die Funktion der in 8a und 8b gezeigten Komponenten des Antagonist-Stellelements 9 wird aus der in 9 gezeigten Montagestellung ersichtlich. Gezeigt ist, dass die Getriebewelle 46 durch das Auge am Schenkel 45 des Zwischenelements 18 geführt ist und gleichzeitig das Drehgelenk 28.2 umfasst. Damit folgt das Gelenk 28.2 einer Schubbewegung des Zwischenelements 18 in der Gestellvorrichtung 2 in Längsrichtung um den Stellweg W, die durch eine Kontraktion des zweiten Formgedächtnisdrahts 10.2 bewirkt wird.
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9 zeigt, dass der zweite Formgedächtnisdraht 10.2 als Mehrfachwicklung in drei Ebenen um die Umlenkkörper 35.3 und 35.4 an der zweiten gestellseitigen Halterung 15 und zweiten Drahtaufnahme 17 auf dem Zwischenelements 18 geführt ist. Die geschlossenen Schlaufen 19.1, 19.2, 19.3 verlaufen in Ebenen senkrecht zur Papierebene. Entsprechend liegt eine zweite gemittelte Verlaufsebene 21 für die aktivierbaren Abschnitte des zweiten Formgedächtnisdrahts 10.2 vor, die ebenfalls senkrecht zur Papierebene steht.
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Aufgrund der Mehrfachwicklung in Form geschlossener Schlaufen 19.1, 19.2, 19.3 für den zweiten Gedächtnisdraht 10.2 liegen die in der Teilschnittansicht dargestellten freien Drahtabschnitte 49.1, 49.2, 49.3 vor, die wie einzelne Zugdrähte wirken. Jedem dieser einzelnen freien Drahtabschnitte 49.1, 49.2, 49.3 ist ein Punkt zugeordnet, der als erstes Ende des zweiten Formgedächtnisdrahts 14.1, 14.2, 14.3 anzusehen ist. Dies ist der Punkt, an dem der jeweilige freie Drahtabschnitt 49.1, 49.2, 49.3 den Umlenkkörper 35.3 an der zweiten gestellseitigen Halterung 15 verlässt. Entsprechend weist jeder dieser freien Drahtabschnitte 49.1, 49.2, 49.3 ein zweites Ende des zweiten Formgedächtnisdrahts 50.1, 50.2, 50.3 auf. Dies ist der Punkt des Erstkontakts am Umlenkkörper 35.4 der zweiten Drahtaufnahme 17.
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Ein Vergleich der in 1 gezeigten ersten Betriebsstellung 5 mit der aus 2 ersichtlichen zweiten Betriebsstellung 6 verdeutlicht, dass eine Kontraktion des ersten Formgedächtnisdrahts 10.1 des Agonist-Stellelements 8 zu einem Vertikalhub H am Lastaufnehmer 27 des Getriebes 3 in die angehobene Stellung führt. Zugleich wird der nicht aktivierte zweite Formgedächtnisdraht 10.2 des Agonist-Stellelements 9 durch eine Längsbewegung des Zwischenelements 18 um einen Stellweg W in der Gestellvorrichtung 2 verschoben. Entsprechend führt eine Aktivierung des Antagonist-Stellelements 9 ohne Aktivierung des Agonist-Stellelements 8 wieder zurück zu der in 1 gezeigten ersten Betriebsstellung 5.
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Des Weiteren verdeutlichen 1 und 2 für die erste Ausführungsform die erfindungsgemäße Anordnung, für die sich die wesentlichen Abschnitte und insbesondere der gesamte Verlauf der Formgedächtnisdrähte 10.1, 10.2 des Agonist-Stellelements 8 und des Antagonist-Stellelements 9 in einem gemeinsamen Bauraum R befinden. Für die Ausgestaltung ist die Bedingung erfüllt, dass die zweite gestellseitige Halterung 15 näher an der ersten Drahtaufnahme 13 als an der ersten gestellseitigen Halterung 12 liegt. Zusätzlich liegt die zweite Drahtaufnahme 17 näher an der ersten gestellseitigen Halterung 12 als an der ersten Drahtaufnahme 13. Des Weiteren ist für die dargestellte bevorzugte Ausgestaltung eine Verkippung der ersten gemittelten Verlaufsebene 20 für den ersten Formgedächtnisdraht 10.1, die in der Papierebene liegt, und der zweiten gewählten Verlaufsebene 21 des zweiten Formgedächtnisdrahts 10.2, die senkrecht zur Papierebene liegt, gegeben. Für das dargestellte, bevorzugte Ausführungsbeispiel liegen die erste gemittelte Verlaufsebene 20 und die zweite gemittelte Verlaufsebene 21 senkrecht zueinander.
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10 zeigt in schematisiert vereinfachter Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aktoranordnung mit einem Getriebe 3 in Form eines Koppelgetriebes, insbesondere eines Viergelenkgetriebes 25. Die dargestellte Vorrichtung dient als Spann- und Klemmwerkzeug zum Fassen eines Werkstücks 51. Gezeigt sind die Drehgelenke 28.1–28.4. Das Drehgelenk 28.1 stellt eine Verbindung zwischen dem Gestell 30 und dem Gelenkglied 29.1 her. Das Gelenkglied 28.2 verbindet die Gelenkglieder 29.1 und 29.2 und das Drehgelenk 28.3 definiert den Drehpunkt zwischen dem Gelenkglied 29.2 und dem Gelenkglied 29.3. Ein weiterer Drehpunkt am Gestell 30 stellt das Drehgelenk 28.4 dar, das zur Führung des Gelenkglieds 29.3 dient. Die sich aus dieser Gliederkopplung ergebende Kinematik des Getriebes 3 ist für eine erste Betriebsstellung 5 vor der Totlage in 10 dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Offenstellung des Klemmwerkzeugs. In der zweiten, in 11 dargestellten zweiten Betriebsstellung 6 etwas über die Totlage hinaus erfolgt ein Fassen des Werkstücks 51 durch die mit Elastizitäten versehenen Klemmschuhe 52.1, 52.2.
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Erfindungsgemäß weist die Aktoranordnung einen Getriebeantrieb mit Formgedächtnisstellern mit einer Ausgestaltung gemäß des nachfolgenden Anspruchs 1 auf. Die schematisch vereinfachte Darstellung skizziert ein Agonist-Stellelement 8 mit einem ersten Formgedächtnisdraht 10.1 und ein Antagonist-Stellelement 9 mit einem zweiten Formgedächtnisdraht 10.2 und einem ersten Zwischenelement 18, wobei der erste und der zweite Formgedächtnisdraht 10.1 und 10.2 im gleichen Bauraum R liegen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Getriebeantrieb einen Zusatzaktor 32, beispielsweise einen Spindelantrieb oder einen pneumatischen Stellzylinder, der einen weiten Hub mit geringer Stellkraft ausführt. Unmittelbar vor dem Totpunkt erfolgt eine Fixierung des Zusatzaktors 32, um einen kleinen Hub mit hoher Stellkraft mit dem Formgedächtnisdraht 10.1 des Agonist-Stellelements 8 bis in die in 11 gezeigte, zweite Betriebsstellung 6 auszuführen. Die Rückwärtsbewegung, wiederum über die Totlage, erfolgt durch Aktivierung des zweiten Formgedächtnisdrahts 10.2 des Antagonist-Stellelements 9.
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Für den Betrieb der Formgedächtnissteller sind nur eine geringe Energiemenge für eine kurze Zeitdauer aufzubringen, die in einer ausfallsicheren und auch transportablen Ausführung aus einer Energiespeichereinheit 31 der erfindungsgemäßen Aktoranordnung zumindest für die Ausführung einer Hubbewegung abrufbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktoranordnung
- 2
- Gestellvorrichtung
- 3
- Getriebe
- 4
- Abtriebsglied
- 5
- erste Betriebsstellung
- 6
- zweite Betriebsstellung
- 7.1, 7.2
- Formgedächtnissteller
- 8
- Agonist-Stellelement
- 9
- Antagonist-Stellelement
- 10.1
- erster Formgedächtnisdraht
- 10.2
- zweiter Formgedächtnisdraht
- 11, 11.1, 11.2
- erstes Ende des ersten Formgedächtnisdrahts
- 12
- erste gestellseitige Halterung
- 13
- erste Drahtaufnahme
- 14.1, 14.2 14.3
- erstes Ende des zweiten Formgedächtnisdrahts
- 15
- zweite gestellseitige Halterung
- 16.1, 16.2
- zweites Ende des ersten Formgedächtnisdrahts
- 17
- zweite Drahtaufnahme
- 18
- Zwischenelement
- 19, 19.1, 19.2, 19.3
- geschlossene Schlaufe
- 20
- erste gemittelte Verlaufsebene
- 21
- zweite gemittelte Verlaufsebene
- 22
- Mehrfachwicklung
- 23.1, 23.2
- Justageelement
- 24
- Schubkurbelgetriebe
- 25
- Viergelenkgetriebe
- 26
- Kurvengetriebe
- 27, 27.2
- Lastaufnehmer
- 28.1, 28.2, 28.3, 28.4
- Drehgelenk
- 29.1, 29.2 29.3
- Gelenkglied
- 30
- Gestell
- 31
- Energiespeichereinheit
- 32
- Zusatzaktor
- 33
- lastaufnehmendes Element
- 34
- elastische Kopplung
- 35.1, 35.2, 35.3, 35.4
- Umlenkkörper
- 36
- Gehäuseelement
- 37
- U-Profil
- 38
- Stehfalz
- 39
- Bohrung
- 40.1, 40.2
- Profilabsatz
- 41.1, 41.2
- Kulissenführung
- 42
- Anschlag
- 43
- Kurvenkörper
- 44
- Schubschlitten
- 45
- Schenkel
- 46
- Getriebewelle
- 49.1, 49.2 49.3
- freier Drahtabschnitt
- 50.1, 50.2 50.3
- zweites Ende des zweiten Formgedächtnisdrahts
- 51
- Werkstück
- 52.1, 52.2
- Klemmschuh
- H
- Vertikalhub
- W
- Stellweg
- R
- Bauraum
