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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung für einen zylindrischen Körper, mit zumindest einem ersten Kontaktelement und einem zweiten Kontaktelement, welche beide in radialer Richtung um einen zylindrischen Körper anordenbar und zwischen einer ersten Position, in welcher das jeweilige Kontaktelement mit dem zylindrischen Körper in Kontakt bringbar ist, und einer zweiten Position, in welcher das jeweilige Kontaktelement von dem zylindrischen Körper beabstandet ist, überführbar ausgebildet sind.
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Kupplungsvorrichtungen für zylindrische Körper sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Derartige Kupplungs- oder Bremsvorrichtungen werden für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. Sie eignen sich beispielsweise als Feststellvorrichtung, um die Rotation einer Welle zu unterdrücken. Alternativ können sie auch zum Übertragen eines Drehmoments von oder auf eine Welle eingesetzt werden.
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Nachteilig im Stand der Technik ist, dass bekannte Kupplungs- und Bremsvorrichtungen nur mit einem vergleichsweise hohen Kraftaufwand eine effektive Bremswirkung aufzeigen können. Der hohe Kraftaufwand führt häufig zu hohem Verschleiß und damit zu erhöhtem Wartungsaufwand.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kupplungsvorrichtungen für zylindrische Körper zu schaffen, welche mindestens einen der Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Kupplungsvorrichtung für zylindrische Körper nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird diese Aufgabe mit einem System zum Kuppeln- und/oder Bremsen eines zylindrischen Körpers nach dem Gegenstand des Anspruchs 14 gelöst.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass die Kupplungsvorrichtung einen Formgedächtnislegierungs-Aktor umfasst, welcher mit dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement in Wirkverbindung steht, wobei der Formgedächtnislegierungs-Aktor dazu ausgebildet ist, bei einer bestimmten Temperaturänderung das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement in die erste Position zu überführen.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung besteht einerseits darin, dass die Kupplungs- oder Bremswirkung aufgrund des ersten und des zweiten Kontaktelements erhöht wird. Es entsteht keine punktuelle Kupplungsstelle, sondern die effektive Brems- oder Kupplungsfläche wird erhöht. Zusätzlich besteht der Vorteil, dass mittels des Formgedächtnislegierungs-Aktors eine hohe Kraftwirkung erzielt werden kann. Somit kann mittels des Formgedächtnislegierungs-Aktuators eine hohe Kraftwirkung erzielt werden, die sich gleichzeitig auf mindestens zwei Kontaktelemente verteilt. Insgesamt wird eine hohe Bremsleistung bei geringem Verschleiß- und Wartungsaufwand erzielt. Zusätzlich haben Formgedächtnislegierungs-Aktoren nur ein geringes Gewicht und benötigen wenig Bauraum.
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Eine Kupplungsvorrichtung im Sinne der Erfindung kann jede Vorrichtung sein, die dazu geeignet ist ein Drehmoment radial von oder auf eine Welle zu übertragen. Alternativ kann die Kupplungsvorrichtung auch als Bremsvorrichtung ausgebildet sein. Hierbei kann der zylindrische Körper sowohl eine Rotationsbewegung als auch ein Translationsbewegung vollziehen.
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Als Formgedächtnislegierungen verstehen sich Metalle, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können. Sie werden auch als Memory-Metalle bezeichnet. Formgedächtnislegierungen können sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung „erinnern“. Als Aktor im Sinne der Erfindung versteht sich eine Baueinheit, die mittels eines Signals mechanische Bewegungen umsetzen kann. Aktoren auf Basis einer Formgedächtnislegierung sind temperatursensitiv. Formgedächtnislegierungs-Aktoren zeichnen sich durch geringen Bauraum und geringes Gewicht aus. Die als Formgedächtnislegierungen hauptsächlich verwendeten Werkstoffe nennt man auch Kryowerkstoffe. Beispiele hierfür sind NiTi (Nickel-Titan oder Nitinol) oder NiTiCu (Nickel-Titan-Kupfer).
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement bezüglich dem zylindrischen Körper einander gegenüberliegend angeordnet. Dadurch ergibt sich beispielsweise der technische Vorteil, dass die Brems- oder Kupplungsfläche symmetrisch angeordnet und somit die Bremswirkung verbessert wird.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Formgedächtnislegierungs-Aktor drahtförmig ausgebildet. Dadurch ergibt sich beispielsweise der technische Vorteil, dass eine hohe Auslösegeschwindigkeit des Formgedächtnislegierungs-Aktors möglich ist. Innerhalb von wenigen Millisekunden können somit große Lasten bewegt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der drahtförmige Formgedächtnislegierungs-Aktor in einer Umfangsrichtung zumindest teilweise um den zylindrischen Körper herum angeordnet. Dadurch ergibt sich beispielsweise der technische Vorteil, dass ein gleichzeitiges Betätigen mehrerer Kontaktelemente mögliche ist. Mit anderen Worten kann eine Vielzahl von Kontaktelementen zeitlich synchronisiert betätigt werden, wodurch eine besonders gute Bremswirkung erreichbar ist.
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Um die Kraftübertragung zusätzlich zu verbessern weisen das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement jeweils eine Nut zum Führen des drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktors auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der drahtförmige Formgedächtnislegierungs-Aktor eine Führung und damit eine exakte Kraftübertragung auf die Kontaktelemente zulässt.
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Nach einer darauf aufbauenden Ausführungsform weist die Nut jeweils eine Teflonbeschichtung auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Reibung zwischen dem drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktor und dem jeweiligen Kontaktelement reduziert werden kann. Zusätzlich ergibt sich der technische Vorteil, dass die Teflonbeschichtung eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Somit kann Verschleiß vorgebeugt und die Einsatzdauer erhöht werden.
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Gemäss einer weiteren Ausführungsform umfasst die Nut jeweils eine U-förmige oder eine O-förmige Hülse zum Führen des drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktors. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der drahtförmige Formgedächtnislegierungs-Aktor besser in der Nut geführt werden kann. Beispielsweise besteht die U-förmige oder die O-förmige Hülse aus Teflon oder einem ähnlichen geeigneten Material, wodurch die Gleitreibung reduziert und die Wärmedämmung verbessert werden kann.
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Nach eine weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Kupplungsvorrichtung eine Vielzahl von Kontaktelementen auf, welche in einer Umfangsrichtung um den zylindrischen Körper anordenbar sind. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine besonders symmetrische Bremswirkung erzielt werden kann. In Verbindung mit einer erhöhten Anzahl von Kontaktelementen kann die Bremswirkung zusätzlich erhöht werden. Insbesondere in Verbindung mit einem drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktor, welcher in Umfangsrichtung um den zylindrischen Körper herum angeordnet ist, ergibt sich die Möglichkeit alle Kontaktelemente gleichzeitig zu Betätigen wodurch eine besonders hohe Bremswirkung erreichbar ist.
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Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform weist jedes Kontaktelement eine radial innenliegende thermische Trennschicht auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass durch Reibung entstehende Temperaturen auf der Oberfläche des zylindrischen Körpers möglichst nicht in die Kontaktelemente übertragen werden. Die thermische Trennschicht dient einerseits die Wärmebrücke zum Kontaktelement möglichst klein zu machen. Andererseits besteht die Trennschicht aus einem verschleißunempfindlichen Material, wodurch die Einsatzdauer der Vorrichtung zusätzlich erhöht werden kann.
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Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform weisen die Kontaktelemente Aussparungen auf, um eine Wärmeleitung in radialer Richtung zum drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktor hin zu vermindern. Beispielsweise können die Aussparungen mit einer möglichst großen Oberfläche ausgebildet sein, wodurch möglichst viel Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Dadurch bekommen die Aussparungen die Funktion eines passiven Kühlkörpers mit Kühlrippen.
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Um die Vielzahl von Kontaktelementen möglichst platzsparend anzuordnen weisen die Kontaktelemente jeweils eine keilförmige Grundform auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Anzahl der Kontaktelemente und damit die effektive Brems- oder Kupplungsfläche optimiert wird. Somit kann mittels des Formgedächtnislegierungs-Aktuators eine hohe Kraftwirkung erzielt werden, die sich gleichzeitig auf eine maximale Anzahl von Kontaktelementen verteilt. Insgesamt wird eine hohe Bremsleistung bei geringem Verschleiß- und Wartungsaufwand erzielt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist jedem Kontaktelement ein Rückstellmittel zugeordnet, um das Kontaktelement in die zweite Position zu überführen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Kontaktelemente nach erfolgter Überführung in die erste Position wieder in die zweite Position rücküberführt werden können. Beispielsweise ist das Rückstellmittel als Druckfeder ausgebildet.
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Nach einer zusätzlichen Ausführungsform ist jedem Kontaktelement ein Justiermittel zugeordnet, um eine Position des Kontaktelements anzupassen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass Verschleißerscheinungen an den Kontaktelementen oder eine Anpassung an einen veränderten Durchmesser des zylindrischen Körpers korrigiert werden kann. Vorzugsweise umfasst das Justiermittel ein radiales Schraubengewinde, welches dazu ausgebildet ist die Position jeden Kontaktelements radial zu variieren. Beispielsweise ist das Schraubengewinde radial von außerhalb des Gehäuses bedienbar.
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Darauf aufbauend ist das Justiermittel jeden Kontaktelements dazu ausgebildet, individuell angepasst zu werden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass einzelne Kontaktelemente ausgetauscht oder radial eingestellt werden können.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist die Kupplungsvorrichtung zumindest einen elektrischen Anschluss für den drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktor auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass mittels eines elektrischen Stromsignals mechanische Bewegungen umgesetzt werden kann. Durch den elektrischen Strom wird auf Grundlage der Joul'schen Wärme eine Erwärmung des drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktors erreicht. Die Rückverformung des drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktors bei anschließender Abkühlung ist dabei vollkommen reversibel.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe mit einem System zum Kuppeln- und/oder Bremsen eines zylindrischen Körpers gelöst. Das System umfasst eine Kupplungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ausführungsformen und einem zylindrischen Körper in Form einer Kolbenstange eines Linearaktuators. Dadurch werden ähnliche Vorteile wie im Zusammenhang der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung erreicht. Eine zusätzliche Besonderheit besteht hierbei im Zusammenwirken mit einem Linearaktuator. Die Kupplungsvorrichtung kann dazu eingesetzt werden als Kupplung und/ oder als Bremse den Hub des Linearaktuators zu steuern. Besonders vorteilhaft ist hierbei die flache Bauform der Kupplungsvorrichtung. Ohne nennenswerten Hubverlust kann die Kupplungsvorrichtung in Längsrichtung an den Linearaktuator angeordnet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kupplungsvorrichtung ein Gehäuse zum stirnseitigen Anordnen an einem Linearaktuator auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Gehäuse die Kupplungsvorrichtung als kompakte, leicht handhabbare und einfach austauschbare Einheit abschließt. Sie kann beispielsweise an einem bestehenden Linearaktuator angeordnet oder bei Bedarf als Einheit ausgetauscht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Kupplungsvorrichtung, und
- 2 eine Draufsicht der Kupplungsvorrichtung aus 1.
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Die 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Kupplungsvorrichtung 100. Die Kupplungsvorrichtung 100 ist unmittelbar an einem zylindrischen Körper 200 angeordnet. Der zylindrische Körper 200 kann sich in einer axialen Richtung und/ oder rotierend bewegen. Die Kupplungsvorrichtung 100 umfasst ein Gehäuse 130.
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In Umfangsrichtung um den zylindrischen Körper 200 herum sind eine Vielzahl von keilförmigen Kontaktelementen 110 angeordnet. Die Kontaktelemente 110 erstrecken sich jeweils ausgehend von der Oberfläche des zylindrischen Körpers 200 in radialer Richtung. Jedes Kontaktelement 110 ist zwischen einer ersten Position, in welcher das jeweilige Kontaktelement 110 mit dem zylindrischen Körper 200 in Kontakt ist und einer zweiten Position, in welcher das jeweilige Kontaktelement 110 von dem zylindrischen Körper 200 beabstandet ist, überführbar ausgebildet.
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Am Fuß 111 jeden Kontaktelements 110 befindet sich eine thermische Trennschicht, um eine Weiterleitung der im Betrieb auftretenden hohen Reibungstemperaturen an der Oberfläche des zylindrischen Körper 200 zu unterdrücken. Die Kontaktelemente 110 verfügen über eine Nut 112, die sich jeweils in gleichem Abstand zum Fuß jeden Kontaktelements 110 befindet.
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Innerhalb dieser Nut 112 befindet sich ein drahtförmiger Formgedächtnislegierungs-Aktor 140. Der drahtförmige Formgedächtnislegierungs-Aktor 140 erstreckt sich in Umfangsrichtung durchgängig durch alle Nuten 112 aller Kontaktelemente 110 hindurch und ist mit zwei einander gegenüberliegenden elektrischen Anschlüssen 120 verbunden. Über die elektrischen Anschlüsse 120 kann Mittels eines elektrischen Stromsignals eine mechanische Bewegung des drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktors 140 bewirkt werden. Durch den elektrischen Strom wird eine Erwärmung des drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktors 140 erreicht. Beim Überschreiten einer kritischen Temperaturschwelle zieht sich der Formgedächtnislegierungs-Aktor 140 zusammen. Durch die Vielzahl von Kontaktelementen 110 um den zylindrischen Körper 200 herum wird durch das Zusammenziehen des drahtförmigen Formgedächtnislegierungs-Aktors 140 eine kraftvolle und symmetrische Bremswirkung erzielt.
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Radial außerhalb der Kontaktelemente 110 ist jedem Kontaktelement 110 ein Rückstellmittel 116 in Form einer Druckfeder zugeordnet. Die Druckfeder stellt sicher, dass jedes Kontaktelement 110 nach vollzogenem Bremsvorgang in der ersten Position jeden Kontaktelements 110 wieder in die zweite Position überführt werden kann. Indem kein elektrischer Strom mehr durch den drahtförmigen Formgedächtnislegierung-Aktors 140 hindurchströmt, beginnt sich der Formgedächtnislegierungs-Aktors 140 abzukühlen. Beim Unterschreiten einer kritischen Temperaturschwelle dehnt sich der Draht wieder aus und gibt die Kontaktelemente 110 wieder frei. Durch die Druckfeder wird hierbei das Überführen der Kontaktelemente 110 in eine von der Oberfläche des zylindrischen Körpers 200 entfernte zweite Position realisiert.
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Zusätzlich verfügt jedes Kontaktelement 110 über ein Justiermittel 118 in Form eine Schraube. Hierbei ist jedes Justiermittel 118 dazu ausgebildet, das jeweils zugeordnete Kontaktelement 110 individuell anzupassen.
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Das Gehäuse 130 umfasst eine innere Wandung 132, welche radial außerhalb der Kontaktelemente 110 angeordnet ist. Die innere Wandung 132 trägt die Justiermittel 118 in Form von Schrauben, welche zum radialen Anpassen des jeweils zugeordneten Kontaktelements 110 ausgebildet sind. Hier ist jede Schraube durch eine Justiermittelöffnung in der inneren Wandung 132 hindurchgeführt. Das zugeordnete Rückstellmittel 116 in Form einer Druckfeder ist hierbei zwischen einem Kopf 117 des Justiermittels 118 und der inneren Wandung 132 angeordnet.
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Außenhalb der inneren Wandung 132 befindet sich eine äußere Wandung 134 mit einer Vielzahl von Öffnungen 136. Die Position der Öffnungen 136 ist exakt auf die Justiermittel 118 ausgerichtet. Dadurch entsteht der Vorteil, dass die Justiermittel 118 von außerhalb des Gehäuses 130 betätigt werden können. Beispielsweise umfassen die Köpfe 117 der Justiermittel 118 einen Inbuseingriff, welche mittels eine korrespondierenden Inbusschlüssels durch die Öffnungen 136 betätigt werden können.
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Die 2 zeigt eine Draufsicht der Kupplungsvorrichtung 100 aus der 1.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kupplungsvorrichtung
- 110
- Kontaktelement
- 111
- Fuß
- 112
- Nut
- 114
- Thermische Trennschicht
- 116
- Rückstellmittel
- 117
- Kopf
- 118
- Justiermittel
- 120
- Elektrischer Anschluss
- 130
- Gehäuse
- 132
- Innere Wandung
- 134
- Äußere Wandung
- 136
- Öffnung
- 140
- Formgedächtnislegierungs-Aktor
- 200
- Zylindrischer Körper
- 300
- System
