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Die Erfindung betrifft einen Aktor zur Erzeugung von Stellbewegungen für unterschiedliche Endeffektoren mittels aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Aktorelementen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es ist bekannt, dass Formgedächtniselemente zur Erzeugung von Stellbewegungen eingesetzt werden, initiiert durch eine Erwärmung und eine damit verbundene Phasenumwandlung des Materials von der weichen martensitischen Phase zur austenitischen Phase. Um eine Wiederholbarkeit der Stellbewegung zu gewährleisten, ist ein Rückstellelement vorgesehen, welches im kalten Zustand das Formgedächtniselement wieder verformt. Herkömmliche Rückstellfederelemente besitzen jedoch den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer ansteigenden Federkennlinie die Arbeitsleistung des Formgedächtniselementes in nicht unerheblichem Maße reduzieren. Wird das Formgedächtniselement erwärmt, stellt es sich in seine Ausgangsform zurück. Aus der
DE 10 2010 015 447 A1 ist ein modular ausgebildeter Aktuator zur Erzeugung von Stellbewegungen bekannt, bei dem die Rückstellung ebenfalls durch ein Formgedächtniselement übernommen wird. Der Aktor besteht aus einem Grundmodul, mit einem an einem Gehäuse angeordneten, Stellbewegungen ausführenden Betätigungselement, das mit zwei aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Aktorelementen gekoppelt ist, derart, dass das erste Formgedächtniselement bei Überschreiten einer Umwandlungstemperatur eine translatorische Stellbewegung des Betätigungselementes und das zweite, einen pseudoelastischen Formgedächtniseffekt aufweisende Formgedächtniselement zur Rückstellung des Betätigungselementes eine Rückstellkraft erzeugt, die konstant, als auch einstellbar ist. Der Aktuator ist sowohl als eigenständiges Grundmodul vorgesehen und durch Ankopplung von Zusatzmodulen an das Grundmodul sind die Stellbewegungen des Betätigungselementes umformbar und/oder gesperrt vorgesehen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Aktor zur Erzeugung von Stellbewegungen auf Basis von Formgedächtniselementen zu schaffen, bei dem durch eine Schutzeinrichtung eine Überlastung der Formgedächtniselemente vermieden wird, indem eine automatische Abschaltung der elektrischen Energie zur Erwärmung der Formgedächtniselemente erfolgt, der Aktor gleichzeitig kompakt aufgebaut ist und auf einfache Weise einen Austausch der Formgedächtniselemente ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Aktor zur Erzeugung von Stellbewegungen für unterschiedliche Endeffektoren mittels aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Aktorelementen vor, bei dem ein Betätigungselement mit mindestens zwei Formgedächtniselementen gekoppelt ist, die parallel zueinander und mit Abstand voneinander jeweils beidseitig mit Spliceverbindern an einem Aktorgehäuse angeordnet sind, wobei ein beweglicher Spliceverbinder jeweils mittels einer Schutzfeder vorgespannt ist. Bei zu großer Krafteinwirkung des Formgedächtniselementes auf die Schutzfeder, wenn die resultierende Kraft aus Last- und Zugkraft des Formgedächtniselementes größer als die Steifigkeit der Schutzfeder ist, biegt sich die Schutzfeder so, dass das Formgedächtniselement zum Schutz vor Überlastung so axial bewegbar ist, dass eine Trennung der elektrischen Verbindung zwischen dem beweglichen Spliceverbinder und einem Leitungsblech erfolgt, verbunden mit einer elektrischen Trennung des gesamten Stromkreises im Formgedächtnisaktor.
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Das Betätigungselement ist dabei mittels einer Rückstellfeder bei einer elektrischen Deaktivierung in die Ausgangslage zurückstellbar, wobei die Vorspannkraft der Rückstellfeder einstellbar vorgesehen ist.
Durch diese Ausbildung des Aktors, dass eine elektrische Trennung des gesamten Stromkreises im Formgedächtnisaktor erreichbar ist, wird eine Überlastung des Formgedächtnismaterials vermieden und gleichzeitig werden nach einer automatischen Abschaltung der elektrischen Energie die Formgedächtniselemente durch die Rückstellfeder wieder zurückgestellt.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass ein Formgedächtniselement jeweils mit einem Spliceverbinder an den einander gegenüberliegenden Seiten des Aktorgehäuses fest und das andere Formgedächtniselement jeweils mit einem Spliceverbinder beweglich und mit dem anderen Spliceverbinder fest an den einander gegenüberliegenden Seiten des Aktorgehäuses angeordnet ist
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Eine vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass die festen Spliceverbinder entweder im Aktorgehäuse stoff- oder formschlüssig in vorgesehenen Taschen gehalten sind und zur Erhöhung einer Anbindungsfestigkeit zwischen dem jeweiligen Formgedächtniselement und dem Aktorgehäuse eine eingeprägte Formkontur aufweisen oder die Spliceverbinder sind schräg im Aktorgehäuse in Nuten angeordnet, die den gleichen Wirkungswinkel wie die Formgedächtniselemente aufweisen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die parallel zueinander und mit Abstand voneinander angeordneten Formgedächtniselemente so ausgebildet sind, dass sie nach der Phasenumwandlung des Materials von der martensitischen Phase zur austenitischen Phase eine gerade gestreckte Form annehmen. Die Kraft des Formgedächtnisaktors ist dabei durch die Anzahl der vorgesehenen Formgedächtniselemente und der Stellweg durch die Formkontur der Formgedächtniselemente bestimmbar. Zur höheren Wärmeabgabe an das direkt anliegende Medium weisen die Formgedächtniselemente einen Überzug auf.
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Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass die jeweils fest an einer Seite im Aktorgehäuse angeordneten Spliceverbinder der beiden Formgedächtniselemente mit elektrischen Leitungsbolzen und mit einem Steckeranschluss verbunden sind.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung wird auch darin gesehen, dass zur Kompensierung der auftretenden systematischen und stochastischen Störgrößen die Vorspannung und der Stellweg der Schutzfedern einstellbar ist.
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Eine bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, dass die Vorspannung der der Schutzfeder entweder durch Drehung eines mit der Schutzfeder verbundenen Exzenters einstellbar ist oder dass als Variante die Schutzfeder in einer Hülse angeordnet ist, wobei durch eine im Aktorgehäuse vorgesehene Ausnehmung die Position der Hülse zur Einstellung der Vorspannung der Schutzfeder einstellbar ist.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung des Aktors hat den Vorteil, dass das eine Formgedächtniselement mittels des beweglichen Spliceverbinder so axial bewegbar ist, dass durch die Trennung des elektrischen Kreises über ein Leitungsblech die am Formgedächtniselement anliegende Kraft messbar ist. Durch die Trennung des elektrischen Kreises über das Leitungsblech können so beim Einsetzen einer Elektronikeinheit zur elektrischen Durchgangsprüfung Rückschlüsse auf eine mechanische Überlastung des Formgedächtnisaktors gezogen werden und außerdem ist durch die Trennung des elektrischen Kreises über das Leitungsblech ohne eine Regelungselektronik der ausgefahrene Zustand des Betätigungselementes haltbar, da der Formgedächtnisaktor die thermische Hysterese der Formgedächtniselemente zur Abkühlung nutzt, indem eine Rückbewegung des axial beweglich angeordneten Spliceverbinders zum Leitungsblech zur erneuten Erwärmung in der Endlage vorgesehen ist.
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Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass durch eine gezielte Auswahl einer Werkstoffkombination zwischen dem Aktorgehäuse und dem Betätigungselement das Betätigungselement so einstellbar ist, dass für eine einmalige Auslösung eine Selbsthemmung vorliegt oder für mehrmalige Stellbewegungen eine reibungsarme Bewegung vorgesehen ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform wird auch darin gesehen, dass bei einer elektrischen Deaktivierung der beiden Formgedächtniselemente nach einer Abkühlung mittels einer am Betätigungselement im oberen Bereich befestigten Rückstellfeder das Betätigungselement zurückstellbar ist. Die Rückstellfeder ist dazu mit einem Federende an einem stationären Befestigungselement und mit einem anderen Ende an einem beweglichen Befestigungselement befestigt, so dass das Betätigungselement entgegen der Wirkungsrichtung der Formgedächtniselemente zurückstellbar ist. Zusätzlich ist über das bewegliche Befestigungselement die Rückstellfeder mittels eines im Aktorgehäuse angeordneten Stellelementes unterschiedlich vorspannbar.
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Eine bevorzugte Weiterbildung wird darin, dass die Rückstellfeder entweder aus Federstahl, Kunststoff oder aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung ausgebildet ist, wobei in diesem Fall durch die Erwärmung der Rückstellfeder eine Krafterhöhung auf die beiden Formgedächtniselemente vorgesehen ist, derart, dass die Position des Betätigungselementes durch eine Widerstandsänderung der beiden Formgedächtniselemente und durch eine Widerstandsänderung der aus Formgedächtnismaterial bestehenden Rückstellfeder beeinflussbar vorgesehen ist.
In vorteilhafter Weise weisen die Befestigungselemente der Rückstellfeder Durchgangsbohrungen auf, welche als Kontaktstellen für sensorische Signale nutzbar sind.
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Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass am oberen Ende des Betätigungselementes Clipelemente zur einfachen Befestigung von Endeffektoren, wie Entriegelungskeile oder Ventilstößel mit Dichtungen angeordnet sind, wobei eine Seitenfläche des Aktorgehäuses eine Aufnahme für einen elektrischen Anschluss aufweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Formgedächtnisaktors in Vorderansicht in inaktiver Lage;
- 2 den Formgedächtnisaktor in Vorderansicht in aktiver Lage;
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Formgedächtnisaktors;
- 4 Anschlussmöglichkeiten des Formgedächtnisaktors.
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Die 1 zeigt den Aufbau eines Formgedächtnisaktors (ohne Frontdeckel) mit inaktiven Formgedächtniselementen 4,5 und 2 den Aufbau eines Formgedächtnisaktors mit erwärmten Formgedächtniselementen 4,5 in aktiver Lage. Ein in einem Aktorgehäuse 1 angeordnetes Betätigungselement 2 ist entlang einer im Aktorgehäuse 1 vorgesehenen Ausnehmung 3 längsbeweglich angeordnet und mit den insbesondere drahtförmig ausgebildeten Formgedächtniselementen 4,5 gekoppelt. Die Formgedächtniselemente 4,5 sind parallel zueinander und mit Abstand voneinander mechanisch über Spliceverbinder 6a,6b,6c,6d beidseitig am Aktorgehäuse 1 befestigt. Das Formgedächtniselement 4 ist mittels des Spliceverbinders 6a fest an einer Seite und mittels des Spliceverbinders 6b fest an der anderen gegenüberliegenden Seite des Aktorgehäuses 1 angeordnet und das Formgedächtniselement 5 ist mittels des Spliceverbinders 6c beweglich an einer Seite und mittels des Spliceverbinders 6d fest an der anderen gegenüberliegenden Seite des Aktorgehäuses 1 angeordnet. Der bewegliche Spliceverbinder 6c ist mittels einer Schutzfeder 12 vorgespannt. Die mechanische Anbindung der Formgedächtniselemente 4,5 an das Aktorgehäuse 1 erfolgt über die Spliceverbinder 6a,6b,6d, die im Aktorgehäuse 1 stoff- oder formschlüssig in vorgesehenen Taschen 7 befestigt sind, beispielsweise durch Harze oder Klebstoffe. Die Spliceverbinder 6a,6b,6d weisen zur Erhöhung einer Anbindungsfestigkeit zwischen den Formgedächtniselementen 4,5 und dem Aktorgehäuse 1 eine eingeprägte Formkontur auf, um die Anpressoberfläche an das Aktorgehäuse 1 und damit auch die Anbindungsfestigkeit zwischen den Formgedächtniselementen 4,5 und dem Aktorgehäuse 1 zu erhöhen. Alternativ sind die Spliceverbinder 6a,6b,6d auch in einer redundanten Zweifachanordnung vorgesehen, um die Anbindungsfestigkeit zu erhöhen. Zusätzlich weisen die Formgedächtniselemente 4,5 zur höheren Wärmeabgabe an das direkt anliegende Medium einen Überzug auf, beispielsweise aus Silikon oder Teflon. Die Spliceverbinder 6b und 6d, die fest im Aktorgehäuse 1 angeordnet sind, sind mit elektrischen Leitungsbolzen 8 und mit einem Steckeranschluss 9 verbunden. Die elektrischen Leitungsbolzen 8 des Formgedächtnisaktors sind auf einer Seitenfläche des Aktorgehäuses 1 angeordnet, ohne dass zusätzliche Leitungskabel eingelassen sind. Wird ein elektrischer Strom an den Leitungsbolzen 8 angelegt, fließ elektrischer Strom durch die Formgedächtniselemente 4,5 und induziert eine Phasenumwandlung des Materials von der weichen martensitischen Phase zur austenitischen Phase. Die Formgedächtniselemente 4,5 sind so ausgebildet, dass sie in der austenitischen Phase eine gerade gestreckte Form annehmen. Da die Formgedächtniselemente 4,5 durch Ausnehmungen 10,11 des Betätigungselementes 2 durchgeführt sind, bewegt sich das Betätigungselement 2, wie in 2 gezeigt, mit der phaseninduzierten Verformung der Formgedächtniselemente 4,5. Die Kraft des gesamten Formgedächtnisaktors ist dabei durch die Anzahl der verwendeten Formgedächtniselemente 4,5 und der Stellweg durch die Formkontur der Formgedächtniselemente 4,5 bestimmbar und nicht durch deren Anzahl.
Der Spliceverbinder 6c, der axial beweglich im Aktorgehäuse 1 angeordnet ist, wird durch die Schutzfeder 12 vorgespannt, wobei die Federkennlinie der Schutzfeder 12 einstellbar ist. Diese Einstellung ist notwendig, um auftretende systematische und stochastische Störgrößen zu kompensieren.
Die mechanische Vorspannung der Schutzfeder 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch Drehung eines Exzenters 13 einstellbar. Mittels der Schutzfeder 12 wird eine Druckkraft in Gegenrichtung zur Zugkraft des Formgedächtniselementes 5 aufgebracht. Ist die Zugkraft des Formgedächtniselementes 5 größer als die Steifigkeit der Schutzfeder 12, so biegt sich die Schutzfeder 12 zur Mitte des Formgedächtnisaktors hin. Das Formgedächtniselement 5 ist dann zum Schutz vor Überlastung so axial über den beweglichen Spliceverbinder 6c bewegbar, dass eine Trennung der elektrischen Verbindung zwischen dem Spliceverbinder 6c und einem Leitungsblech 14 und damit gleichzeitig eine elektrische Trennung des gesamten Stromkreises im Formgedächtnisaktor erfolgt. Die Schutzfeder 12 erfüllt damit zwei Funktionen. Bei Überlast im Formgedächtniselement 5 wird der Federmechanismus ab einer Schwellkraft in Zugrichtung des Formgedächtniselementes 5 betätigt und es erfolgt die Trennung der elektrischen Verbindung des Spliceverbinders 6c zum Leitungsblech 14 und durch das Erreichen der maximalen Ausfahrposition entsteht ebenfalls eine Zugbewegung des gleichen Splicverbinders 6c, wenn dieser bewegt wird, so dass ebenfalls eine Trennung der elektrischen Verbindung zum Formgedächtniselement 5 erfolgt. Bei einer elektrischen Deaktivierung kühlen sich die Formgedächtniselemente 4,5 wieder ab und durch die Wirkung der Kraft einer Rückstellfeder 15 entgegen der Wirkungsrichtung der Formgedächtniselemente 4,5 wird das Betätigungselement 2 in die Ausgangslage zurückgestellt. Wird im lastfreien Einsatzfall die Maximalstellung erreicht, kommt es zu einer axialen Bewegung des beweglichen Spliceverbinders 6c des Formgedächtniselementes 5 und damit zur einer Trennung der elektrischen Verbindung zwischen dem Formgedächtniselement 5 und dem Leitungsblech 14, was gleichzeitig einer elektrischen Trennung des gesamten Stromkreises im Formgedächtnisaktor entspricht. Da in diesem Ausführungsbeispiel eine Reihenschaltung der beiden Formgedächtniselemente 4,5 vorliegt, ist eine elektrische Trennung der beiden Formgedächtniselemente 4,5 schaltbar. Es ist auch eine mechanische Parallelschaltung von mindestens zwei Formgedächtniselementen vorgesehen. Diese sind dann mittig über den Schaft des Betätigungselementes 2 verbunden. Durch die Trennung des elektrischen Kreises über den beweglichen Spliceverbinders 6c wird weiterhin eine Detektion der anliegenden Kraft gemessen. Außerdem können durch die Trennung des elektrischen Kreises über den beweglichen Spliceverbinder 6c bei Einsetzen einer Elektronikeinheit zur elektrischen Durchgangsprüfung Rückschlüsse auf eine mechanische Überlastung des Formgedächtnisaktors geschlossen werden. Durch die Trennung des elektrischen Kreises über den beweglichen Spliceverbinders 6c wird auch ohne eine Regelungselektronik der ausgefahrene Zustand des Betätigungselementes 2 gehalten, da der Formgedächtnisaktor die thermische Hysterese der Formgedächtniselemente 4,5 zur Abkühlung nutzt. Der bewegliche Spliceverbinder 6c des Formgedächtniselementes 5 wird dabei wieder zum Leitungsblech 14 zurückbewegt und damit dem Formgedächtnisaktor wieder eine Erwärmung in der Endlage ermöglicht.
Im Lastfreien Zustand verbleibt der Formgedächtnisaktor in der gezeigten Position. Diese kann durch eine gezielte Auswahl der Werkstoffkombination zwischen dem Aktorgehäuse 1 und dem Betätigungselement 2 so eingestellt werden, dass entweder eine Selbsthemmung vorliegt oder eine reibungsarme Bewegung erreicht wird. Die Selbsthemmung wird für Formgedächtnisaktoren genutzt, die eine einmalige Auslösung vorsehen. Das Betätigungselement 2 des Formgedächtnisaktors wird durch die mechanische Rückstellfeder 15, die im oberen Bereich am Betätigungselement 2 und mit ihren Enden 16 am Aktorgehäuse 1 einerseits mit einem stationären Befestigungselement 17 und anderseits mit einem beweglichen Befestigungselement 18 befestigt ist, zurückgestellt. Die Rückstellfeder 15 ist aus Runddraht, Flachdraht oder Biegeblech sowie aus unterschiedlichen Materialien, wie Federstahl, Kunststoff oder einer superelastischen Formgedächtnislegierung ausgeführt. Über das bewegliche Befestigungselement 18 ist die Rückstellfeder 15 mittels eines im Aktorgehäuse 1 angeordneten Verstellelementes 19,20 vorspannbar, beispielsweise einer Schraube 19 mit konischem Endstück 20. Durch Erwärmung der Rückstellfeder 15, wenn diese aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung ausgebildet ist, erfolgt eine Erhöhung der Rückstellkraft auf die Formgedächtniselemente 4,5. Die Kraftabschaltung in dem Formgedächtnisaktor ist dabei auch nach dem Einbau aktiv verstellbar. Die Position des Betätigungselementes 2 wird durch die Widerstandsänderung der Formgedächtniselemente 4,5 und durch die Widerstandsänderung der Rückstellfeder 15 beeinflusst. Das stationäre Befestigungselement 17 und das bewegliche Befestigungselement 18 weisen Durchgangsbohrungen auf, welche als Kontaktstellen für sensorische Signale nutzbar sind.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Formgedächtnisaktors. Die festen Spliceverbinder 6a,6b,6d und der bewegliche Spliceverbinder 6c sind in schräg im Aktorgehäuse 1 angeordneten Nuten 21 angeordnet, die den gleichen Wirkungswinkel wie die Formgedächtniselemente 4,5 besitzen. Hierdurch wird eine Knickung der Formgedächtniselemente 4,5 in der Nähe der Spliceverbinder 6a,6b,6c,6d vermieden und damit eine hohe Lebensdauer und eine bessere Kraftoptimierung erzielt. Der bewegliche Spliceverbinder 6c wird ebenfalls, wie im ersten Ausführungsbeispiel, mit einer Schutzfeder 22 vorgespannt, die entsprechend 3 als zylindrische Schraubenfeder ausgebildet und in einer Hülse 23 angeordnet ist. Durch eine im Aktorgehäuse 1 angeordnete Ausnehmung 24 kann die Position der Hülse 23 voreingestellt und damit die Schutzfeder 22 auf eine definierte Vorspannung eingestellt werden. Dies erfolgt von außen über die Ausnehmung 24 durch ein automatisches Werkzeug. Wenn die Hülse 23 nach links verschoben wird, wird die Schutzfeder 22 gespannt und der bewegliche Spliceverbinder 6c mit einer definierten Kraft gegen das Leitungsblech 14 gedrückt. Wird im lastfreien Einsatzfall die Maximalkraft im Formgedächtniselement 5 erreicht, kommt es zu einer axialen Bewegung des beweglichen Spliceverbinders 6c des Formgedächtniselementes 5 und damit zur einer Trennung der elektrischen Verbindung zwischen dem Formgedächtniselement 5 und dem Leitungsblech 14, was gleichzeitig einer elektrischen Trennung des gesamten Stromkreises im Formgedächtnisaktor entspricht. Die Rückstellung des Betätigungselementes 2 erfolgt wie im Ausführungsbeispiel 1 ebenfalls durch eine Rückstellfeder 15, deren Vorspannung ebenfalls einstellbar ist.
Am oberen Ende des Betätigungselementes 2 sind entsprechend 4 Clipelemente 25 zur einfachen Befestigung von Endeffektoren, z.B. Entriegelungskeile 26 oder Ventilstößel 27 mit Dichtungen 28 vorgesehen. Das Betätigungselement 2 kann weiterhin mit superelastischen Elementen oder mit Polymerelementen oder mit Stahlfederelementen zu einer Einheit verspritzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktorgehäuse
- 2
- Betätigungselement
- 3
- Ausnehmung
- 4
- Formgedächtniselement
- 5
- Formgedächtniselement
- 6a
- fester Spliceverbinder
- 6b
- fester Spliceverbinder
- 6c
- beweglicher Spliceverbinder
- 6d
- fester Spliceverbinder
- 7
- Tasche
- 8
- elektrischer Leitungsbolzen
- 9
- Steckeranschluss
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Schutzfeder
- 13
- Exzenter
- 14
- Leitungsblech
- 15
- Rückstellfeder
- 16
- Federende
- 17
- stationäres Befestigungselement
- 18
- bewegliches Befestigungselement
- 19
- Schraube
- 20
- konisches Endstück
- 21
- Nut
- 22
- Schutzfeder
- 23
- Hülse
- 24
- Ausnehmung
- 25
- Clipelement
- 26
- Entriegelungskeil
- 27
- Ventilstößel
- 28
- Dichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010015447 A1 [0002]
