DE102020107936A1

DE102020107936A1 - Vorrichtung zum Halten und kontrollierten Freigeben mit mindestens einem Element aus einer Formgedächtnislegierung

Info

Publication number: DE102020107936A1
Application number: DE102020107936.2A
Authority: DE
Inventors: Siebo Reershemius
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: DE102020107936B4; US20210293225A1; US11701716B2

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Halten und kontrollierten Freigeben eines Bolzens (30) weist einen Sockel (2), ein an dem Sockel (2) abgestütztes Halteelement (5) für den Bolzen (30) und ein ebenfalls an dem Sockel (2) abgestütztes Freigabeelement (8) aus einer Formgedächtnislegierung auf. Durch Erwärmen des Freigabeelements (8) bis über eine Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung und eine resultierende Rückkehr des Freigabeelements (8) in eine Ausgangsform ist das Halteelement (5) deaktivierbar. Dazu ist an dem Sockel (2) eine Spanneinrichtung (26) abgestützt und ein Kraftübertragungselement (14) ist einerseits durch die Spanneinrichtung (26) mit einer elastischen Spannkraft beaufschlagbar ist und andererseits gegen die Spannkraft über eine Parallelschaltung des Halteelements (2) und des Freigabeelements (8) an dem Sockel (2) abgestützt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Halten und kontrollierten Freigeben eines Bolzens, die einen Sockel, ein an dem Sockel abgestütztes Halteelement für den Bolzen und ein ebenfalls an dem Sockel abgestütztes Freigabeelement aus einer Formgedächtnislegierung aufweist, wobei das Halteelement durch Erwärmen des Freigabeelements bis über eine Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung und eine resultierende Rückkehr des Freigabeelements in eine Ausgangsform deaktivierbar ist.
Die Vorrichtung kann an einem Raumfahrzeug vorgesehen sein, um mit dem Freigeben des Bolzens beispielsweise eine über den Bolzen an dem Raumfahrzeug befestigte Einrichtung zum Zwecke ihres Aussetzens abzutrennen oder zum Zwecke ihrer Entfaltung freizugeben. Insbesondere kann durch das Freigeben eines elastisch vorgespannten Bauteils ein Solarpaneel oder eine andere großflächige Struktur an dem Raumfahrzeug entfaltet werden.
STAND DER TECHNIK
Aus der US 5 771 742 A ist ein Freigabemechanismus mit einem Betätigungselement aus einer Formgedächtnislegierung bekannt. Wenn das Betätigungselement über seine Übergangstemperatur erwärmt wird, übt es eine Kraft auf einen Riegel aus, die den Riegel in eine Freigabeposition bewegt. In der Freigabeposition gibt der Riegel eine in einer Antriebsfeder gespeicherte höhere Energie frei, die ein Halteelement antreibt, um es aus seinem Eingriff in eine freizugebende Struktur heraus zu bewegen. Das Halteelement wird durch eine Sperrklinke in seiner verriegelten Position gehalten, und die Sperrklinke wird zum Freigeben des Halteelements aus einer gefangenen Position in eine zurückgezogene Position bewegt, wenn der Riegel von dem Betätigungselement bewegt wird. Das Betätigungselement aus der Formgedächtnislegierung ist ein Draht, der sich beim Überschreiten der Übergangstemperatur verkürzt und dadurch den Riegel bewegt. Nach einmaligem Freigeben des Halteelements muss der bekannte Freigabemechanismus aufwändig zurückgesetzt werden, um erneut verwendet werden zu können. Im Weltraum mag dies nicht erforderlich sein. Für das Testen des Freigabemechanismus unter unterschiedlichen Belastungen ist dies jedoch von Nachteil. Zudem wird mit dem bekannten Freigabemechanismus das Halteelement aus seinem Eingriff in die Struktur zurückgezogen. Der Freigabemechanismus ist nicht zur direkten Freigabe eines Bolzens geeignet, so dass sich dieser von dem Rest des Freigabemechanismus entfernen kann.
Aus der US 7 422 403 B1 ist eine Freigabevorrichtung zum begrenzten Freigeben einer durch einen Bolzen mit einem Kopf befestigten Einrichtung bekannt. Ein Schaft des Bolzens weist einen Bereich mit reduziertem Durchmesser auf, in dem er plastisch verformbar ist. Der Bolzen ist von einer Hülse aus einer Formgedächtnislegierung umgeben, die sich axial ausdehnt, wenn sie über ihre Übergangstemperatur erwärmt wird. Dadurch wird der Bolzen permanent gelängt. Die Längenänderung bleibt erhalten, wenn die Formgedächtnislegierung wieder unter ihre Ausgangslänge abgekühlt wird. Diese bekannte Haltevorrichtung ist nur zur einmaligen Verwendung vorgesehen und gibt bei Betätigung den Bolzen nicht vollständig frei.
Auf einem ähnlichen Prinzip wie dasjenige, das in der US 7 422 403 B1 beschrieben ist, basiert das Produkt Frangibolt der Firma TiNi Aerospace, Inc., USA. Bei dem Produkt Frangibolt wird mit der Ausdehnung der Hülse aus der Formgedächtnislegierung ein Bolzen, der mit seinem einen Ende in eine freizugebende Struktur eingeschraubt ist, der durch die Hülse hindurchragt und dessen Kopf sich an dem der Struktur abgekehrten Ende der Hülse abstützt, durch Erwärmen der Hülse über ihre Übergangstemperatur in einem dafür präparierten Bereich seines Schafts gebrochen. Die Hülse besteht aus einer Formgedächtnislegierung mit einem one way memory-Effekt und muss vor erneuter Verwendung mechanisch in ihre gekürzte Form zurückgesetzt werden. Der aus einer Titanlegierung bestehende Bolzen wird bei der Freigabe der Struktur zerstört, d. h. er ist nur zur einmaligen Verwendung vorgesehen. Ein weiterer Nachteil ist, dass beim Brechen des Bolzens große elastische Kräfte schlagartig freigesetzt werden, die zu ungewollten Bewegungen der freigegebenen Struktur führen können.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Halten und kontrollierten Freigeben eines Bolzens aufzuzeigen, die ohne großen Aufwand komplett zur wiederholten Verwendung geeignet ist, die den Bolzen ohne Freisetzung großer Kräfte freigibt und die zugleich einen kostengünstigen Aufbau aufweist.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Halten und kontrollierten Freigeben eines Bolzens, die einen Sockel, ein an dem Sockel abgestütztes Halteelement für den Bolzen und ein ebenfalls an dem Sockel abgestütztes Freigabeelement aus einer Formgedächtnislegierung aufweist, wobei das Halteelement durch Erwärmen des Freigabeelements bis über eine Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung und eine resultierende Rückkehr des Freigabeelements in eine Ausgangsform deaktivierbar ist, ist durch eine an dem Sockel abgestützte Spanneinrichtung und ein Kraftübertragungselement gekennzeichnet, das einerseits durch die Spanneinrichtung mit einer elastischen Spannkraft beaufschlagbar ist und andererseits gegen die Spannkraft über eine Parallelschaltung des Halteelements und des Freigabeelements an dem Sockel abgestützt ist. Das Halteelement hält den Bolzen, wenn es zwischen dem Kraftübertragungselement und dem Sockel mit der Spannkraft beaufschlagt ist. Das parallel zu dem Halteelement zwischen dem Kraftübertragungselement und dem Sockel angeordnete Freigabeelement ist auch von der Spannkraft beaufschlagt, stützt diese aber unterhalb der Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung nur zu einem kleinen Teil ab, der das Halten des Bolzens durch das Halteelement aufgrund der Spannkraft nicht beeinträchtigt. Vielmehr führt die Spannkraft, soweit sie auf das Halteelement einwirkt, dazu, dass sich dieses aus seiner Ausgangsform im Wesentlichen plastisch verformt. Durch das Erwärmen des Freigabeelements bis über die Übergangstemperatur seiner Formgedächtnislegierung kehrt das Freigabeelement in seine Ausgangsform zurück und beaufschlagt dabei das Kraftübertragungselement mit einer für Formgedächtnislegierungen typischen großen Rückstellkraft. Die resultierende Verlagerung des Kraftübertragungselements gegen die elastische Spannkraft der Spanneinrichtung führt dazu, dass die Spannkraft nicht mehr durch das Halteelement, sondern durch das Freigabeelement an dem Sockel abgestützt wird. Das auf diese Weise entlastete Halteelement gibt den Bolzen frei. Nach Wiederabkühlen des Freigabeelements unter die Übergangstemperatur seiner Formgedächtnislegierung wird das Freigabeelement erneut von der Spannkraft deformiert. Damit wird die Spannkraft wieder im Wesentlichen durch das Halteelement abgestützt, so dass dieses wieder den Bolzen halten kann. Dafür reicht es aus, den Bolzen vor dem Abkühlen des Freigabeelements wieder in die erfindungsgemäße Vorrichtung einzuführen. Für dieses Wiedereinführen des Bolzens kann das Freigabeelement auch erneut erwärmt werden, nachdem es schon zuvor abgekühlt wurde. Ein mechanisches Zurücksetzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht erforderlich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt für das Freigabeelement mit einer einfachen Formgedächtnislegierung mit einem one way memory-Effekt aus. Dabei ist die Formgedächtnislegierung so auszuwählen, dass die Übergangstemperatur zu der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung passt. Die Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung sollte nur willentlich durch gezieltes Erwärmen des Freigabeelements und nicht durch bei der Verwendung aus anderen Gründen auftretende Temperaturschwankungen des Freigabeelements überschritten oder auch nur erreicht werden. Die Bandbreite der verfügbaren Formgedächtnislegierungen und deren Übergangstemperaturen ist groß. Vielfach verwendete, im Wesentlichen aus Nickel und Titan bestehenden Formgedächtnislegierungen weisen Übergangstemperaturen in einem Bereich von 70 bis 100 °C auf. Es sind jedoch zum Beispiel kupfer- oder eisenbasierte Formgedächtnislegierungen mit höheren Übergangstemperaturen auch oberhalb von 200 °C bekannt. Auch solche Formgedächtnislegierungen können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommen. In jedem Fall sollte die Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung deutlich über normaler Raum-, Umgebungs- und Transporttemperatur liegen und daher mindestens 70 °C betragen. Eine absolute Obergrenze für die Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung gibt es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht, so lange eine entsprechende Formgedächtnislegierung verfügbar ist und die anderen Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung oberhalb der Übergangstemperatur beständig sind.
Das Freigabeelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eines von mehreren gleichen Freigabeelementen sein, die ringförmig um das Halteelement herum angeordnet und gemeinsam dem Halteelement parallel geschaltet sind. Konkret können diese mehreren gleichen Freigabeelemente Stäbe aus der der Formgedächtnislegierung sein und damit eine extrem einfache Form haben. Die Stäbe können mit radialem Spiel in Sacklöchern in dem Sockel angeordnet sein. Unterhalb der Übergangstemperatur ihrer Formgedächtnislegierung werden die Stäbe durch die Spannkraft in den Löchern aus ihrer typischerweise geraden Ausgangsform heraus verbogen. Beim Überschreiten der Übergangstemperatur strecken sie sich wieder.
In der Praxis der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen dem Kraftübertragungselement und jedem der Stäbe ein in dem zugehörigen Sackloch geführtes Kraftübertragungsstück geschaltet ist. Bei Verwendung dieser Kraftübertragungsstücke müssen die Freigabeelemente nicht aus den Sacklöchern herausragen und damit besteht keine Gefahr, dass die Freigabeelemente außerhalb der Sacklöcher durch die Spannkraft in unkontrollierter Weise deformiert werden.
Konkret können die Sacklöcher zur Aufnahme der Freigabeelemente parallel zu dem von dem Halteelement gehaltenen Bolzen verlaufen. In der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Sacklöcher teilweise frei bleiben, wenn auch mit weniger Freigabeelementen beim Überschreiten der Übergangstemperatur ihrer Formgedächtnislegierung eine ausreichende Rückstellkraft auf das Kraftübertragungselement ausgeübt wird. Es versteht sich, dass die vorhandenen Freigabeelemente vorzugsweise in einer um das Halteelement und/oder Bolzen herum rotationssymmetrischen Anordnung vorgesehen sind.
Das radiale Spiel der Freigabeelemente in den Sacklöchern kann zwischen insgesamt 5 % und insgesamt 15%, d.h. etwa insgesamt 10 % ihres Durchmessers betragen, wobei sich diese Angabe insbesondere auf stabförmige Freigabeelemente von rundem Querschnitt der Stäbe bezieht. Der Durchmesse der Sacklöcher ist dann um etwa 10 % größer als der Durchmesser der Stäbe.
Das Halteelement nimmt den Bolzen vorzugsweise in einer zentralen Aufnahmeöffnung auf. Konkret kann das Halteelement eine Spannzange mit einer solchen zentralen Aufnahmeöffnung für den Bolzen sein. Die Spannzange ist typischerweise geschlitzt und kann einen Außenkonus aufweisen, über den sich die Spannzange an einem Innenkonus des Sockels abstützt und so durch die an dem Sockel abgestützte Spannkraft auf den Bolzen hin zusammengedrückt wird. Vollwinkel des Außenkonus der Spannzange und des Innenkonus des Sockels sind vorzugsweise gleich, um eine flächige wechselseitige Abstützung zu realisieren. Konkret können diese Vollwinkel in einem Bereich von 10° bis 20° liegen, wie er für die Spannzangen im Werkzeug- und Maschinenbau üblich ist. Es versteht sich, dass der Außenkonus der Spannzange und der Innenkonus des Sockels ausreichend harte und glatte Oberflächen aufweisen müssen, die ein Festklemmen der Spannzange in dem Sockel verhindern. Wenn das oder die Freigabeelemente die Spannkraft übernehmen, muss sich die Spannzange, um den Bolzen freizugeben, mit ihrem Außenkonus zumindest etwas aus dem Innenkonus des Sockels heraus bewegen. Diese Bewegung wird grundsätzlich bereits durch die Elastizität der Spannzange bewirkt, kann aber durch eine Lösefeder unterstützt werden, über die sich die Spannzange zusätzlich axial an dem Sockel abstützt. Auch ein Trenn- und/oder Gleitmittel zwischen dem Außenkonus der Spannzange und dem Innenkonus des Sockels oder entsprechende Beschichtungen des Außenkonus der Spannzange und des Innenkonus des Sockels können für das sofortige Freigeben des Bolzens bei Übernahme der Spannkraft durch das oder die Freigabeelemente hilfreich sein.
Die Spanneinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise ein Schraubelement mit einem Gewinde aufweisen, das mit einem Gegengewinde an dem Sockel in Eingriff bringbar ist. Eine Gewindeachse des Gegengewindes kann parallel oder genauer koaxial zu dem von dem Halteelement gehaltenen Bolzen verlaufen. Weiterhin kann das Schraubelement ein auf das Gegengewinde des Sockels aufschraubbarer Schraubdeckel sein. Dieser Schraubdeckel kann eine zentrale Durchtrittsöffnung für den Bolzen aufweisen. Statt eines Schraubdeckels oder sonstigen Schraubelements kann die Spanneinrichtung irgendein anderes Spannelement zum Aufbringen der Spannkraft oder auch nur zum Abstützen der Spannkraft an dem Sockel aufweisen. Regelmäßig weist die Spanneinrichtung aber eine Feder auf, um die Elastizität der Spannkraft bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu bewirken. Diese Feder kann beispielsweise eine Tellerfeder oder spezieller eine kleeblattförmige Tellerfeder oder einen Stapel solcher Tellerfedern aufweisen. Mit kleeblattförmigen Tellerfedern sind hier solche Tellerfedern gemeint, wie sie in der US 6 705 813 A beschrieben sind und die eine günstige Federkennlinie für das Bereitstellen der elastischen Spannkraft aufweisen.
Das Kraftübertragungselement der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine einfache Lochscheibe mit einem zentralen Durchtrittsloch für den Bolzen sein, die von der Tellerfeder oder dem Stapel der Tellerfeldern mit der elastischen Spannkraft beaufschlagt wird.
Eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Freigabeelements der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein, also beispielsweise eine in den Sockel eingesetzte Heizpatrone umfassen. Weiterhin ist es möglich, eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Freigabeelements um den Sockel der erfindungsgemäßen Vorrichtung herum anzuordnen. Die Heizeinrichtung kann also als von den weiteren Bestandteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung grundsätzlich separate Einheit vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform ist die Heizeinrichtung dazu ausgebildet, jedes Betätigungselement direkt zu erwärmen, indem sie einen elektrische Heizstrom durch das Betätigungselement leitet. Grundsätzlich kann das Freigabeelement auch durch einen elektrischen Strom direkt erwärmt werden. Beim direkten Bestromen der Freigabeelemente treten sehr hohe Ströme auf, die schnell 10 A überschreiten, um die Formgedächtnislegierung in endlicher Zeit über ihre Übergangstemperatur zu erwärmen. Wenn ein Raumfahrzeuge einen derart Ströme eventuell nicht bereitstellen kann, kann die Heizeinrichtung einen DC/DC-Wandler aufweisen, der diesen Strom auf Basis eines kleineren Stroms mit höherer Spannung bereitstellt. Dabei kann der DC/DC-Wandler zum Aufladen eines Speicherkondensators genutzt werden, der dann, wenn er über die Freigabeelemente entladen wird, einen hohen Kurzschlussstrom bereitstellt.
Um den Heizstrom gezielt durch die Freigabeelemente zu leiten, die als in Sacklöchern angeordnete Stäbe ausgebildet sind, können die Stäbe an ihren Außenumfängen und/oder die Sacklöcher an ihrem Innenumfängen mit einer elektrischen Isolation versehen sein. Diese elektrische Isolation kann durch Auftragen eines Isolierlacks bewirkt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Erzeugnis aufweist.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 ist eine Explosionszeichnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 ist ein Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 1 in zusammengebautem Zustand und
3 ist eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem zusammengebauten Zustand gemäß 2.

FIGURENBESCHREIBUNG
Die in den 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung 1 dient zum Halten und kontrollierten Freigeben eines Bolzens 30. Die Vorrichtung 1 weist einen Sockel 2 auf. Der Sockel 2 ist an seiner Rückseite 3 mit Befestigungseinrichtungen zum Festlegen des Sockels 2 an einer übergeordneten Struktur versehen. An seiner Vorderseite weist der Sockel 2 eine Aufnahme 4 für ein Halteelement 5 für den Bolzen 30 und einen Ring aus Sacklöchern 6 auf. Die Sacklöcher 6 sind jeweils zur Aufnahme eines Stabs 7 aus einer Formgedächtnislegierung als Freigabeelement 8 und zur teilweisen Aufnahme eines Kraftübertragungsstücks 9 in demselben Sackloch 6 vorgesehen. Dargestellt sind drei Stäbe 7 und zugehörige Kraftübertragungsstücke 9 bei insgesamt zwölf Sacklöchern 6. Dies ist als Hinweis darauf zu verstehen, dass nicht alle Sacklöcher 6 mit Stäben 7 und Freigabeelementen 8 belegt sein müssen. Vorne an den Kraftübertragungsstücken 9 und dem als Spannzange 10 ausgebildeten Halteelement 5 liegt eine Lochscheibe 11 an, die ein zentralen Durchtrittsloch 12 für den Eintritt des Bolzens 30 in eine Aufnahmeöffnung 13 der Spannzange 10 aufweist. Die Lochscheibe 11 dient als Kraftübertragungselement 14. Über eine Feder 15, die hier als kleeblattförmige Tellerfeder 16 ausgebildet ist, wird das Kraftübertragungselement 14 mit einer elastischen Spannkraft beaufschlagt, wenn ein Schraubdeckel 17 als Schraubelement 18 mit einem innenliegenden Gewinde 19 auf ein hier entsprechend am Außenumfang des Sockels 2 ausgebildetes Gegengewinde 20 aufgeschraubt wird. Der Schraubdeckel 17 weist eine zentrale Durchtrittsöffnung 21 für den Bolzen 30 auf. Die durch das Aufschrauben des Schraubdeckels 17 auf den Sockel 2 hervorgerufene und über die Tellerfeder 16 auf das Kraftübertragungselement 14 einwirkende Spannkraft wird unterhalb einer Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung der Freigabeelemente 8 im Wesentlichen durch die Spannzange 10 abgestützt, die sich über einen Außenkonus 22 an einem Innenkonus 23 in der Aufnahme 4 des Sockels 2 abstützt und dadurch zu dem in ihrer Aufnahmeöffnung 13 angeordneten Bolzen 30 hin elastisch zusammengedrückt wird. So wird eine radiale Haltekraft auf den Bolzen 2 ausgeübt. Die axiale Resultierende dieser Haltekraft stützt die wesentlichen Anteile der Spannkraft ab. Die kleineren Anteile der Spannkraft, die über das Kraftübertragungselement 14 und die Kraftübertragungsstufe 9 auf die Freigabeelemente 8 einwirken, führen unterhalb der Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung der Freigabeelemente 8 ohne größere Gegenkraft zu einer plastischen Verformung der Stäbe 7 in den Sacklöchern 6, die zu diesem Zweck übermaßig ausgebildet sind.
Anders gesagt werden die Stäbe 7 durch die Einwirkung der Spannkraft in den Sacklöchern 6 zusammengedrückt, ohne dass sie der Spannkraft keine relevante Gegenkraft entgegensetzen.
Die relative Aufteilung der Abstützung der elastischen Spannkraft auf die Spannzange 10 und die dazu parallelgeschalteten Stäbe 7 aus der Formgedächtnislegierung ändert sich, wenn die Freigabeelemente 8 mit einer hier nicht separat dargestellten Heizeinrichtung über die Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung erwärmt werden. Dann kehren die Stäbe 7 in ihre gestreckte Form zurück und üben dabei eine hohe Rückstellkraft aus. Diese Rückstellkraft drückt über die Kraftübertragungsstücke 9 das Kraftübertragungselement 14 von der Spannzange 10 weg. Dies führt dazu, dass die Spannzange 10 von einer Lösefeder 24 in Form einer weiteren kleeblattförmigen Tellerfeder 25 soweit aus der Aufnahme 4 in dem Sockel 2 herausgedrückt wird, dass der Außenkonus 22 von dem Innenkonus 23 frei wird. Dadurch öffnet sich die elastische Spannzange 10 und gibt den Bolzen 30 aus ihrer Aufnahmeöffnung 13 frei. Dieser Vorgang ist reversibel. Wenn die Freigabeelemente 8 unter die Übergangstemperatur ihrer Formgedächtnislegierung abkühlen, verformen sie sich unter Einwirkung der Spannkraft wieder in den Sackbohrungen 6. Wenn der Bolzen 30 zuvor schon wieder in die Aufnahmeöffnung 13 eingeführt wurde wird er erneut von der Spannzange 10 gehalten. Ansonsten müssen zum Wiedereinführen und erneuten Halten des Bolzens 30 in die bzw. in der Aufnahmeöffnung 13 der Spannzange 10 nur die Freigabeelemente 8 neuerlich erwärmt werden. Die hier aus dem Schraubdeckel 17 und der Feder 15 zusammengesetzte Spanneinrichtung 26 kann auch anders als dargestellt aufgebaut sein. Sie weist aber regelmäßig eine Feder 15 auf, um die elastische Spannkraft auf das Kraftübertragungselement 14 bereitzustellen.
Der Längsschnitt gemäß 2 zeigt Befestigungsbohrungen 27 mit Innengewinden 28 als Befestigungseinrichtungen auf der Rückseite 3 des Sockels 2. Ansonsten ist gegenüber 1 zusätzlich zu erkennen, dass der Sockel 2 mit einem Durchgangsloch 29 versehen ist, das eine Stufe 31 zur Abstützung der Lösefeder 24 aufweist. Das Durchgangsloch 29 und die Aufnahme 4 für die Spannzange 10 sind hier konkret in einem Innensockel 32 ausgebildet, der gegenüber einem Außensockel 33, in dem die Sacklöcher 6 ausgebildet sind, über eine Gewindeverbindung 34 axial verstellbar ist. Über diese grundsätzlich optionale axiale Verstellbarkeit ist die axiale Relativlage der Freigabeelemente 8 zu dem Halteelement 5 und damit die Aufteilung der Spannkraft einstellbar. Auch aus 2 geht aber nicht hervor, dass die Spannzange 10 bei der praktischen Umsetzung der Vorrichtung 1 regelmäßig geschlitzt ausgebildet ist und dass das Übermaß der Sacklöcher 9 gegenüber den darin angeordneten Stäben 7 etwa 10 % beträgt.
Die perspektivische Ansicht gemäß 3 zeigt den kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Eine Heizeinrichtung zum Erwärmen der Freigabeelemente kann um den Schraubdeckel 18 herum angeordnet oder in den Sockel 2 oder den Schraubdeckel 17 integriert sein.
Als Freigabeelemente 8 wurden bei der Erprobung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgreich Abschnitte der folgenden Produkte in Sacklöchern 6 mit einem um 10 % übermaßigen Durchmesser verwendet:

a) Kellogg's Research Labs, Teilenummer: LOW-NITI-W-100-HT, Beschreibung: Hohe Temp 180 °F (80 °C), 0,1 cm (1,0 mm) Form Memory Nitinol Draht, 5 Fuß
b) NEXMETAL.com, Nitinol SMA Muscle Wire Shape Memory Alloy (80°C Temperatur, 1mm Durchmesser)

Als Spannzange 10 kam eine an den Durchmesser des Bolzens 30 angepasste Spannzange zum Einsatz, wie sie unter https://www.hoffmann-group.com/DE/de/hom/Spanntechnik/Werkzeugauf nahmen/ER-Spannzange-ER-11/p/308881) zu finden ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Sockel
3: Rückseite
4: Aufnahme
5: Halteelement
6: Sackloch
7: Stab
8: Freigabeelement
9: Kraftübertragungsstück
10: Spannzange
11: Lochscheibe
12: Durchtrittsloch
13: Aufnahmeöffnung
14: Kraftübertragungselement
15: Feder
16: kleeblattförmige Tellerfeder
17: Schraubdeckel
18: Schraubelement
19: Gewinde
20: Gegengewinde
21: Durchtrittsöffnung
22: Außenkonus
23: Innenkonus
24: Lösefeder
25: kleeblattförmige Tellerfeder
26: Spanneinrichtung
27: Befestigungsbohrung
28: Innengewinde
29: Durchgangsloch
30: Bolzen
31: Stufe
32: Innensockel
33: Außensockel
34: Gewindeverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5771742 A [0003]
US 7422403 B1 [0004, 0005]
US 6705813 A [0015]

Claims

Vorrichtung (1) zum Halten und kontrollierten Freigeben eines Bolzens (30), - mit einem Sockel (2), - mit einem an dem Sockel (2) abgestützten Halteelement (5) für den Bolzen (30) und - mit einem an dem Sockel (2) abgestützten Freigabeelement (8) aus einer Formgedächtnislegierung, wobei das Halteelement (5) durch Erwärmen des Freigabeelements (8) bis über eine Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung und eine resultierende Rückkehr des Freigabeelements (8) in eine Ausgangsform deaktivierbar ist, gekennzeichnet durch - eine an dem Sockel (2) abgestützte Spanneinrichtung (26) und - ein Kraftübertragungselement (14), wobei das Kraftübertragungselement (14) einerseits durch die Spanneinrichtung (26) mit einer elastischen Spannkraft beaufschlagbar ist und andererseits gegen die Spannkraft über eine Parallelschaltung des Halteelements (2) und des Freigabeelements (8) an dem Sockel (2) abgestützt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung einen one way memory-Effekt aufweist, wobei die Übergangstemperatur optional mindestens 70 °C beträgt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Freigabeelement (8) eines von mehreren gleichen Freigabeelementen (8) ist, die ringförmig um das Halteelement (5) herum angeordnet und gemeinsam parallel zu dem Halteelement (5) geschaltet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabeelemente (8) Stäbe (7) aus der Formgedächtnislegierung sind, die mit radialem Spiel in Sacklöchern (6) in dem Sockel (2) angeordnet sind, wobei optional zwischen das Kraftübertragungselement (14) und jeden der Stäbe ein in dem zugehörigen Sackloch (6) geführtes Kraftübertragungsstück (9) geschaltet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sacklöcher (6) parallel zu dem von dem Halteelement (5) gehaltenen Bolzen (30) verlaufen, wobei das radiale Spiel optional zwischen insgesamt 5 % und insgesamt 15% eines Durchmessers eines runden Querschnitts der Stäbe (7) beträgt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (5) eine Spannzange (10) mit einer zentralen Aufnahmeöffnung (13) für den Bolzen (30) ist, wobei die Spannzange (10) einen Außenkonus (22) aufweist, über den sich die Spannzangen (10) an einem Innenkonus (23) des Sockels (2) abstützt, wobei gleiche Vollwinkel des Außenkonus (22) und des Innenkonus (23) optional zwischen 10° und 20° liegen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung (26) ein Schraubelement (18) mit einem Gewinde (19) aufweist, das mit einem Gegengewinde (20) an dem Sockel (2) in Eingriff bringbar ist, wobei eine Gewindeachse des Gegengewindes optional parallel zu dem von dem Halteelement (5) gehaltenen Bolzen (30) verläuft.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubelement (18) ein auf das Gegengewinde (20) des Sockels (2) aufschraubbarer Schraubdeckel (17) ist, wobei der Schraubdeckel (17) optional eine zentrale Durchtrittsöffnung (21) für den Bolzen (30) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung (26) eine Feder (15) aufweist, wobei die Feder (15) optional eine kleeblattförmige Tellerfeder (16) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement (14) eine Lochscheibe (11) mit einem zentralen Durchtrittsloch (12) für den Bolzen (30) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Freigabeelements (8) Teil der Vorrichtung (1) ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung dazu ausgebildet ist, jedes Betätigungselement direkt zu erwärmen, indem sie einen Heizstrom durch das Freigabeelement (8) leitet.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung einen DC/DC-Wandler und oder einen Speicherkondensator aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, soweit direkt oder indirekt rückbezogen auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (7) an ihren Außenumfängen und/oder die Sacklöcher (6) an ihrem Innenumfängen mit einer elektrischen Isolation versehen sind.