DE112009000514T5

DE112009000514T5 - Formgedächtnislegierungsseile

Info

Publication number: DE112009000514T5
Application number: DE112009000514T
Authority: DE
Inventors: Nilesh D. Ann Arbor Mankame; John Andrew Dexter Shaw; Benjamin Ann Arbor Reedlunn; Alan L. Grosse Pointe Browne; Xiujie Troy Gao; Paul W. Ypsilanti Alexander; Jan H. Oakland Township Aase; Nancy L. Northville Johnson; Kenneth A. Washington Strom; Sanjeev M. Troy Naik; Chandra S. Troy Namuduri; Robin Bloomfield Stevenson; William R. Rodgers; John C. Oxford Ulicny; Christopher P. Thousand Oaks Henry; Paul E. Troy Krajewski; Ravindra Bangalore Brammajyosula
Original assignee: University of Michigan; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: University of Michigan; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2011-02-17
Also published as: CN102017022A; US20090226691A1; WO2009114357A2; WO2009114357A3; CN102017022B; US8272214B2

Abstract

Seil, das zur Verwendung als ein Aktuator, ein adaptives strukturelles Teil oder ein Dämpfer geeignet ist, wobei das Seil umfasst:
eine Vielzahl von längs miteinander in Eingriff stehenden, zusammenwirkend fungierenden Drähten, wobei zumindest zwei der Drähte ein Formgedächtnislegierungsmaterial umfassen, das dazu dient, eine reversible Änderung zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt und/oder gegenüber diesem abgeschottet ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Seile, Taue, Litzen und andere Verbundstrukturen, die eine Vielzahl von zusammenwirkend fungierenden Drähten (hierin kollektiv als „Seile” bezeichnet) umfassen; und im Spezielleren ein betätigendes, adaptives strukturelles oder dämpfendes Seil, das eine Vielzahl von Formgedächtnislegierungsdrähten umfasst.
2. Erläuterung des Standes der Technik
Strukturelle Spannseile, die aus natürlichen oder synthetischen Materialien hergestellt sind, wurden für eine Vielfalt von nützlichen Anwendungen entwickelt. Zum Beispiel werden Seile in Ingenieurbaustrukturen für Leistungskabel, Brückenseile und Bergbauschächte; in Schifffahrts- und Schiffbaustrukturen zur Rettung/Bergung, zum Schleppen, Festmachen von Wasserfahrzeugen, für Yachttakelagen und Ölplattformen; in Luftfahrtstrukturen für Leichtflugzeug-Steuerseile und zum Anbinden von Astronauten; und in Freizeitanwendungen wie Seilbahnen und Schiliften verwendet. Typischerweise bestehen diese Seile aus Stahldrähten, die helixförmig zu Strängen gewickelt sind, die wiederum um eine Einlage gewickelt sind. Allerdings sind herkömmliche Seile typischerweise leider statische Teile, die nicht abgestimmt oder sonst wie modifiziert werden können, wenn es vorteilhaft ist.
Kurzzusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit diesem Anliegen und präsentiert ein Seil aus einem aktiven Material, das zur Verwendung als ein Aktuator, ein adaptives strukturelles Teil, ein Dämpfer oder dergleichen verwendet werden kann. Im Vergleich mit monolithischen Stangen mit dem gleichen nominalen Außendurchmesser sieht das erfindungsgemäße Seil eine bessere Ermüdungsleistung vor und ist flexibler beim Biegen, was in Bezug auf Letzteres ein kompakteres Spulen (z. B. einen engeren Biegeradius) zulässt.
Der SMA-Drahtseilaufbau spricht mehrere Anliegen in Verbindung mit der Produktion von SMA-Strukturelementen in größerem Maßstab an und bietet als solcher Vorteile diesen gegenüber. Zunächst ist einzusehen, dass das Aneinanderfügen von herkömmlichem SMA-Material allgemein spezialisierte Schweißtechniken und maschinelle Laserbearbeitung, um komplexe Formen zu produzieren, und mechanisches Crimpen erforderte, um Befestigungen an anderen Strukturen herzustellen. Außerdem bringt eine SMA als ein monolithisches Material Maßstabprobleme mit sich, einschließlich (1) dass die Eigenschaften von Stangen mit großen Teilstücken auf Grund von Schwierigkeiten bei der Steuerung der Abschreckraten über das Teilstück während der Materialbearbeitung und der Unmöglichkeit von Kaltverarbeitungsprozeduren, die für SMA-Drähte hoch optimiert wurden, allgemein schlechter sind als jene von Drähten, (2) dass die Kosten in Verbindung mit großen Stangen aus SMA viel höher sind als jene in Verbindung mit Drähten, und (3) der Zeitmaßstäbe der thermischen Ansprechzeit, wobei das Volumen/Oberflächen-Verhältnis, d. h. der Maßstab mit dem Stangendurchmesser, zu einem trägen Ansprechen in großen Stangen führt.
In einem ersten Aspekt der Erfindung präsentiert das Seil einen kompakten, sehr kraftvollen, kostengünstigen Aktuator. Hier, wie zuvor erwähnt, stellt der Seilaufbau ein schnelleres thermisches Ansprechen im Vergleich mit Stangen mit den gleichen Dimensionen auf Grund des besseren Volumen/Oberflächen-Verhältnisses von Seilen bereit. Das erfindungsgemäße Seil umfasst eine Vielzahl von längs miteinander in Eingriff stehenden, zusammenwirkend fungierenden Drähten, wobei zumindest zwei der Drähte ein Formgedächtnislegierungsmaterial umfassen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Seil auf SMA-Basis, das zur Verwendung als ein Dämpfungselement geeignet ist. Hier befinden sich die SMA-Drähte in der austenitischen Phase, in der Energie superelastisch absorbiert und abgeführt wird, und können außerdem eine verformbare Struktur bilden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen intelligenten Seilaktuator, der das zuvor erwähnte Aktuatorseil, zumindest einen Sensor, der betrieben wird, um einen oder mehrere Zustände zu detektieren, und einen Controller umfasst, der kommunizierend mit dem zumindest einen Sensor und dem Seil gekoppelt und ausgebildet ist, um die Änderung zu bewirken, wenn der Zustand detektiert wird.
Die Offenlegung ist durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung der verschiedenen Merkmale der Offenlegung und die hierin umfassten Beispiele leichter verständlich.
Kurzbeschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnung
(Eine) bevorzugte Ausführungsformen) der Erfindung ist/sind unten stehend im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungsfig. mit beispielhaftem Maßstab beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Darstellung des distalen Endes eines Seiles, das eine Vielzahl von Formgedächtnislegierungsdrähten, die zu Strängen gewickelt sind, und eine Vielzahl von Strängen, die um eine Einlage gewickelt sind, umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
2 ein Querschnitt eines Seiles, das eine Vielzahl von Formgedächtnislegierungs- und Stahldrähten, die zu Strängen gewickelt sind, und eine Vielzahl von Strängen, die um eine Einlage gewickelt sind, umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
3a ein Aufriss eines Seiles mit einer äußeren Helixkonfiguration, die einen äußeren rechtsgängigen Kreuzschlag definiert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
3b ein Aufriss eines Seiles mit einer äußeren Helixkonfiguration, die einen äußeren linksgängigen Kreuzschlag definiert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
3c ein Aufriss eines Seiles mit einer äußeren Helixkonfiguration, die einen äußeren rechtsgängigen Gleichschlag definiert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
3d ein Aufriss eines Seiles mit einer äußeren Helixkonfiguration, die einen äußeren linksgängigen Gleichschlag definiert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
3e ein Aufriss eines Seiles mit einer äußeren Helixkonfiguration, die einen äußeren rechtsgängigen Wechselschlag definiert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
4 ein Aufriss eines Seiles mit einer äußeren Helixkonfiguration, die insbesondere den Helixwinkel der Stränge definiert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
5a ein Querschnitt eines Seiles mit einer Vielzahl von Lagen aus Formgedächtnislegierungsdrähten, die um eine einzelne Einlage gewickelt sind und Beschichtungen aufweisen, und einem Schmiermittel zwischen den Drähten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
5b ein Querschnitt eines Seiles mit einer Vielzahl von Lagen aus Formgedächtnislegierungsdrähten und Abstandhaltern, die um eine einzelne Einlage gewickelt sind und Ummantelungen zwischen jeder Lage aufweisen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
6 ein Aufriss eines intelligenten Seilaktuators mit einem teilweise gezeigten Seil auf SMA-Basis, einem thermoelektrischen Element, das mit der Einlage gekoppelt ist, einem Controller, der funktionell mit dem Element gekoppelt ist, und einem Sensor, der kommunizierend mit dem Äußeren des Seils und dem Controller gekoppelt ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
7 ein Aufriss eines Seiles mit einer Hohlrohreinlage, die fluidtechnisch mit einer Fluidquelle gekoppelt ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
8a eine Hystereseschleife, die die Beziehung zwischen Dehnung und angewendeter Spannung eines Seils zeigt, das flache Draht/Strang-Helixwinkel wie in den 3a, b gezeigt definiert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
8b eine Hystereseschleife, die die Beziehung zwischen Dehnung und angewendeter Spannung eines Seils zeigt, das einen größeren Helixwinkel als in 4 gezeigt definiert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist; und
9 eine perspektivische Darstellung einer kugelförmigen Struktur mit einer Vielzahl von Formgedächtnislegierungsseilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist rein beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Unter Bezugnahme auf die 1–9 sind verschiedene Konfigurationen eines Seils 10 auf Formgedächtnislegierungsbasis veranschaulicht; wie jedoch zuvor erwähnt, ist ohne weiteres einzusehen, dass die Vorteile der Erfindung vielfältig mit anderen ähnlichen geometrischen Formen wie Tauen, Litzen, Bündeln und dergleichen genutzt werden können. Es ist einzusehen, dass der Ausdruck „Seil”, wie hierin verwendet, somit diese anderen geometrischen Formen einschließt, sodass sich die Erfindung allgemein auf ein Seil 10 bezieht, das eine Vielzahl von längs miteinander in Eingriff stehenden und zusammenwirkend fungierenden Formgedächtnislegierungs(SMA, von shape memory alloy)-Drähten 12 umfasst. Abhängig von der Phase des SMA-Materials kann das Seil 10 als ein Aktuator, ein adaptives strukturelles Teil, ein Dämpfer oder eine andere Anwendung verwendet werden, wo die zuvor erwähnte Funktionalität und Charakteristika des Seils 10 vorteilhaft zum Einsatz kommen. Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf SMA-Material beschrieben und veranschaulicht. Es ist jedoch einzusehen, dass in einigen Aspekten der Erfindung andere gleichwertige aktive Materialien, die in ähnlicher Weise einen Formgedächtniseffekt zeigen, anstelle oder zusätzlich zu der SMA verwendet werden können.
I. Aktives Material, Erläuterung und Funktionalität
Wie hierin verwendet, soll der Ausdruck „aktives Material” das bedeuten, was ein Fachmann darunter versteht, und umfasst jedes/n Material oder Verbundstoff, das/der eine reversible Änderung in einer fundamentalen (z. B. chemischen oder intrinsischen physikalischen) Eigenschaft zeigt, wenn es/er einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder von diesem eingeschlossen wird. Geeignete aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Formgedächtnismaterialien (z. B. Formgedächtnislegierungen, ferromagnetische Formgedächtnislegierungen und elektroaktive Polymere (EAP) etc.). Es ist einzusehen, dass diese Arten von aktiven Materialien die Fähigkeit besitzen, sich schnell zu verschieben oder sich an ihre/n ursprüngliche/n Form und/oder Elastizitätsmodul zu erinnern, die/der später abgerufen werden kann, indem ein äußerer Reiz angewendet wird. Als solches ist die Verformung gegenüber der ursprünglichen Form ein temporärer Zustand.
Im Spezielleren beziehen sich SMAs allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, die die Fähigkeit besitzen, zu einer zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem entsprechenden thermischen Reiz unterworfen werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu erfahren, in denen ihre Fließgrenze, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Der Ausdruck „Fließgrenze” bezieht sich auf eine Spannung, bei der ein Material eine genau angegebene Abweichung von der Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung zeigt. Im Allgemeinen liegen Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur- oder Martensit-(diffusionslosen)Phase in einer monoklinen B19'-Struktur niedriger Symmetrie mit zwölf energetisch gleichwertigen Gitterkorrespondenz-Varianten vor, die pseudoplastisch verformt werden können. Wenn sie einer höheren Temperatur ausgesetzt sind, werden sie sich in eine Austenit- oder Mutterphase umwandeln, die eine B2 (kubische) Kristallstruktur aufweist. Die Umwandlung bringt das Legierungselement in seine Form vor der Verformung zurück. Materialien, die diesen Formgedächtniseffekt nur beim Erwärmen zeigen, werden als solche bezeichnet, die ein Formgedächtnis in eine Richtung aufweisen. Jene Materialien, die auch beim Wiederabkühlen ein Formgedächtnis zeigen, werden als solche bezeichnet, die ein Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen aufweisen.
Formgedächtnislegierungen liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase, die oben erläutert sind. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird als Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet.
Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als Martensit-Anfangstemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird oft als Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und in der austenitischen Phase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das zuvor Gesagte ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der bisherigen Verarbeitung einen Formgedächtniseffekt in eine Richtung, einen intrinsischen Effekt in zwei Richtungen oder einen extrinsischen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Formgedächtniseffekt in eine Richtung. Ein ausreichendes Erwärmen anschließend an eine Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur wird die Martensit/Austenit-Umwandlung induzieren und das Material wird seine ursprüngliche, geglühte Form wiedererlangen. Somit werden Formgedächtniseffekte in eine Richtung nur beim Erwärmen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, welche Gedächtniseffekte in eine Richtung zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück und es ist wahrscheinlich, dass sie eine äußere mechanische Kraft benötigen, falls es erforderlich ist, doe Vorrichtung zurückzusetzen.
Intrinsische und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien sind durch eine Formänderung sowohl beim Erwärmen von der Martensitphase in die Austenitphase als auch eine zusätzliche Formänderung beim Abkühlen von der Austenitphase zurück in die Martensitphase gekennzeichnet. Aktive Materialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die bewirken wird, dass sich die aktiven Materialien infolge der oben angeführten Phasenumwandlungen automatisch selbst zurückbilden. Ein intrinsisches Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch die Bearbeitung induziert werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials während es sich in der Martensitphase befindet, ein Erwärmen/Abkühlen unter Zwang oder Belastung, oder eine Oberflächenmodifizierung durch z. B. Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beigebracht wurde, einen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedrig- und Hochtemperaturzuständen allgemein reversibel und bleibt über viele thermische Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, die die extrinsischen Formgedächtniseffekte in zwei Richtungen zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung, welche einen Effekt in eine Richtung zeigt, mit einem weiteren Element kombinieren, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form rückzubilden.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen Graden statt und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder zwei Graden gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen dem System typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen ohne Einschränkung Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt, die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt wie z. B. eine Änderung der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und dergleichen.
Es ist einzusehen, dass SMAs einen Modulanstieg des 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung (Wiedererlangung der pseudoplastischen Verformung, die induziert wird, wenn sie sich in der martensitischen Phase befinden) von bis zu 8% (je nach Ausmaß der Vorverformung) aufweisen, wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenumwandlungstemperatur erwärmt werden. Es ist einzusehen, dass thermisch induzierte SMA-Phasenumwandlungen in eine Richtung verlaufen, sodass ein Vorspannkraft-Rückstellmechanismus (z. B. eine Feder) erforderlich sein würde, um die SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen, sobald das angelegte Feld weggenommen wird. Es kann eine Ohm'sche Heizung verwendet werden, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen.
Spannungsinduzierte Phasenänderungen in SMAs, die durch Belastung und Entlastung der SMA (bei Temperaturen über der A_f) verursacht sind, verlaufen jedoch von Natur aus in zwei Richtungen. Das bedeutet, die Anwendung einer ausreichenden Spannung, wenn sich die SMA in ihrer austenitischen Phase befindet, wird bewirken, dass sie sich in ihre martensitische Phase mit niedrigerem Modul umwandelt, in der sie eine „superelastische” Verformung von bis zu 8% zeigen kann. Die Wegnahme der angewendeten Spannung wird bewirken, dass sich die SMA in ihre austenitische Phase zurückstellt und dabei ihre Ausgangsform und den höheren Modul wiedererlangt.
Ferromagnetische SMAs (FSMAs) sind eine Unterklasse der SMAs. Diese Materialien verhalten sich wie herkömmliche SMA-Materialien, die eine spannungs- oder thermisch induzierte Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit zeigen. Außerdem sind FSMAs ferromagnetisch und besitzen eine starke magnetokristalline Anisotropie, was zulässt, dass ein äußeres magnetisches Feld die Orientierung/den Anteil von feldausgerichteten martensitischen Varianten beeinflusst. Wenn das magnetische Feld entfernt wird, kann das Material ein vollständiges Formgedächtnis in zwei Richtungen, ein partielles in zwei Richtungen oder eines in eine Richtung aufweisen. Für ein partielles oder Formgedächtnis in eine Richtung kann ein äußerer Reiz, eine Temperatur, ein magnetisches Feld oder eine Spannung zulassen, dass das Material in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Ein perfektes Formgedächtnis in zwei Richtungen kann für eine proportionale Steuerung, bei der eine kontinuierliche Energie zugeführt wird, verwendet werden. Ein Formgedächtnis in eine Richtung ist äußerst nützlich in Schienenfüllanwendungen. Äußere magnetische Felder werden in Kraftfahrzeuganwendungen im Allgemeinen über Elektromagneten mit einem weichmagnetischen Kern erzeugt, wenngleich für ein schnelles Ansprechen auch ein Paar Helmholtz-Spulen verwendet werden kann.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder besitzen. Ein Beispiel eines elektrostriktiven Pfropfelastomers mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluoid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder sogar als ein elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Gummi (oder eine Kombination davon) umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt, oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorverformtes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, Haftkleber, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, können z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermischungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer umfassen.
II. SMA-Seilaktuator: Beschreibung und Verwendung
In einem ersten Aspekt der Erfindung kann das Seil 10 als ein flexibler Aktuator und/oder ein adaptives strukturelles Zugteil verwendet werden, das antriebstechnisch mit einem freien Körper 14 wie z. B. einem Crimp verbunden werden kann, der ferner geeignet ist, eine Verbindung mit einer strukturellen Anordnung herzustellen (7). Das Seil 10 dient dazu, den Körper 14 in eine geeignete Position, Orientierung, Konfiguration oder Form zu bringen (z. B. translatorisch bewegen, biegen und/oder zu drehen oder zu „verdrehen”), wenn es aktiviert wird. Hierzu ist das Seil 10 derart ausgebildet, dass es relativ zu der vorgesehenen Funktion und Körpermasse eine ausreichende Betätigungskraft erzeugt. Hier ist einzusehen, dass die Drahtstärke, die Querschnittsfläche, die Länge und/oder die weitere Konfiguration der SMA-Drähte 12, die erforderlich sind, um die Betätigungskraft hervorzubringen, auf der Basis des verwendeten aktiven Materials von einem Fachmann ohne weiteres ermittelt werden können, und die Auswahlkriterien als solche werden hierin nicht im Detail ausgeführt.
In dieser Konfiguration befinden sich die SMA-Drähte 12 in einer normal martensitischen Phase, um thermisch aktiviert zu werden; das bedeutet, das Drahtmaterial ist derart gewählt, dass es eine Übergangstemperatur oberhalb der Raum-(oder einer erwarteten Betriebs)-Temperatur aufweist. Als solche sind die Drähte 12 mit einer thermischen Signalquelle 16 (6 und 7) gekoppelt, die betrieben wird, um ein Signal zu erzeugen und zu liefern, das ausreicht, um das Material zu aktivieren. Es ist einzusehen, dass das Signal in weiteren Ausführungsformen abhängig von dem speziellen verwendeten aktiven Material elektrisch, spannungsbezogen, magnetisch oder dergleichen sein kann. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Drähte 12 mit der Quelle 16 über eine feste Verdrahtung (6), eine Fluidströmung (7) oder passiv durch passive Umgebungswärmeenergie (z. B. von der Sonne oder einem benachbarten exothermen System) gekoppelt. Es ist auch einzusehen, dass die Drähte 12 ein Hybrid aus einer SMA und einem anderen beständigen Material wie z. B. Stahl; ein Hybrid aus einem superelastischen Stoff und einem Formgedächtnis-SMA sein kann; oder letztlich verschiedene SMA-Beschaffenheiten über das Seil 10 hinweg aufweisen kann, um Unterschiede in den Drahtdehnungen, Drahtlängen und Temperaturen über den Querschnitt hinweg auszugleichen.
Wendet man sich der strukturellen Konfiguration des Seils 10 zu, so sind in den veranschaulichten Ausführungsformen verschiedene Schläge und Querschnittsformen beispielhaft abgebildet, wobei funktionell abgestufte Querschnitte mit unterschiedlichen Drahtzusammensetzungen möglich sind. Die 1 und 2 zeigen einen grundlegenden Seilaufbau, wobei eine Vielzahl von Drähten 12 helixförmig um eine Einlage 18 gewickelt sind, um einen Strang 20 zu bilden. Die Einlage 18 stützt die Drähte des Stranges 20 zu einem nominell kreisförmigen Querschnitt (2 und 5). Eine Vielzahl von Strängen 20 kann dann helixförmig um einen weiteren axialen Strang 20 oder ein längliches flexibles Teil, das als die Seileinlage 18 dient, gewickelt sein (1 und 2). Es ist einzusehen, dass die helixförmigen Stränge 20 die hauptlasttragenden Elemente des Seils 10 sind.
Die Drähte des Seils 10 können nur aus SMA-Drähten 12 bestehen oder können ferner Nicht-SMA-Drähte 22 umfassen (2). Die Nicht-SMA-Drähte 22 können umfasst sein, um eine erhöhte strukturelle Integrität vorzusehen, als eine Rückstellfeder zu wirken oder das Leistungsvermögen des Seils 10 anderweitig maßzuschneidern. In Bezug auf die strukturelle Integrität ist einzusehen, dass die vielen Drähte 12, 22 und Stränge 20 Zuglasten parallel tragen, um eine Redundanz und einen verträglicheren Fehlermodus vorzusehen.
Es ist einzusehen, dass die Durchmesser der SMA-Drähte 12 deckungsgleich oder variabel sein können, zusammenwirkend jedoch ausgebildet sind, um die erforderliche Betätigungskraft zu erzeugen, während die Länge/n der Drähte 12 ausgebildet ist/sind, um den gewünschten Hub des Aktuators 10 zu bewirken. Mit Bezug auf den letzteren ist auch einzusehen, dass unterschiedliche aktive Längen, die z. B. durch Einspleißen von elektrischen, thermischen und/oder mechanischen Verbindungen an unterschiedlichen Punkten entlang der Seillänge oder durch unterschiedliche absolute Drahtlängen bereitgestellt werden, verwendet werden können, um eine differenzielle und proportionale Betätigung zu bewirken. Überdies können die SMA-Drähte 12 ein Längssegment eines Seils 10 umfassen, das ferner herkömmliche Längssegmente aufweist.
Die Drähte 12, 22 werden bevorzugt durch plastische Verformung zu einer helixförmigen Referenzkonfiguration vorgeformt, die mit der gewünschten Geometrie konsistent ist, um die Bildung von Graten durch Zurückfedern eines kaputten Drahtes zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausführungsform können die SMA-Drähte 12 jedoch nicht-helixförmige permanente Formen aufweisen, sodass bei einer Betätigung bewirkt wird, dass das Seil 10 eine lineare und/oder rotatorische Verschiebung erfährt, wenn die Drähte 12 versuchen, die aktivierten, nicht-helixförmigen Profile zu erreichen.
Im Spezielleren weist in den in den (4 und 5) gezeigten Standard-Seilkonfigurationen jede Lage 22 von Draht 12 in einem Strang 18 einschließlich der äußeren Drähte 12 deckungsgleiche Helices auf, die einen Helixwinkel α und eine Schlagrichtung definieren (es wird jedoch neuerlich darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung andere geometrische Formen wie z. B. gerade Bündel, Litzen, gewebte Taue etc. beinhaltet). Die Helices der Drähte 12, 22 in einem Strang 20 gegenüber jenen der Stränge 20 in einer gegebenen Lage 22 können entgegengesetzt (Kreuzschlag) oder gleich (Gleichschlag) gelegt sein, was den Winkel beeinflusst, den die Drähte mit der Seilachse bilden. Wie in den 3a–e gezeigt, können die äußeren Draht/Strang-Helixkonfigurationen z. B. einen rechtsgängige Kreuz-, einen linksgängigen Kreuz-, einen rechtsgängigen Gleich-, einen linksgängigen Gleich- oder einen rechtsgängigen Wechselschlag aufweisen. Es ist einzusehen, dass der Helixwinkel und der Schlag helfen, die axiale Steifigkeit, die gespeicherte elastische Energie, die Biege/Verdrehungs-Nachgiebigkeit, die äußere Glattheit, die Abriebbeständigkeit und die Redundanz des Seils 10 zu bestimmen. Es ist z. B. einzusehen, dass der Helixwinkel direkt proportional zu dem Gesamthub des Seils 10 und umgekehrt proportional zu seinem Fließdruck ist.
Die Einlage 18 kann eine Achse sein, in der nur die in sich verdrehte Lage von Drähten 12 den Strang 20 ausmacht; selbst aus einem oder mehreren Drähten 12, 22 oder Strängen 20 bestehen kann (2); oder aus einem nicht aktiven monolithischen Teil bestehen kann. Die Einlage 18 ist aus einem geeigneten flexiblen und komprimierbaren Material gebildet, welches es dem Seil 10 unter anderem ermöglicht, den minimalen Spulradius zu erreichen, und eine Dehnungsnachgiebigkeit aufweist. Zum Beispiel kann die Einlage 18 in der vorliegenden Erfindung aus Gummis, Schäumen, Aluminium, Kupfer, Kunststoffen, Baumwolle, einer zusätzlichen Formgedächtnislegierung in entweder der martensitischen oder austenitischen Phase oder Kombinationen aus diesen und anderen ähnlichen Materialien gebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Einlage 18 ferner ein Heiz- und/oder Kühlelement auf, welches zum Betätigen oder Abführen von Wärme von dem/den verbleibenden Strang/Strängen oder Draht/Drähten des Seils 10 ausgebildet ist. In dieser Konfiguration ist die Einlage 18 aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet und ist mit der Quelle thermisch gekoppelt. Zum Beispiel, und wie in 6 gezeigt, kann die Einlage 18 thermisch mit einem thermoelektrischen Element 16a gekoppelt sein. Wenn eine Ohm'sche Erwärmung stattfinden soll, wird die Einlage 18 in Zusammenwirkung mit dem Spannungsbereich der Quelle 16 derart gewählt, dass ein gewünschter Widerstand bereitgestellt wird, der die Leistungseffizienz fördert; und kann z. B. zumindest einen Nickelchromdraht umfassen. Alternativ kann die Einlage 18 einen flexiblen Kanal aufweisen, der einen inneren Raum 24 definiert, wobei der Raum 24 fluidtechnisch mit einer Quelle 16 gekoppelt ist, die betrieben wird, um ein erwärmtes oder Kühlfluid in den Raum 24 zu leiten (8).
Das bevorzugte Seil 10 umfasst ferner ein Zwischendrahtelement, das in Längsrichtung, dazwischenliegend, mit zumindest einem Abschnitt der Drähte 12 in Eingriff steht, und betrieben wird, um eine Wechselwirkung dazwischen zu modifizieren. Unter anderem kann das Element ein Drahtoberflächenzustand (z. B. eine Texturierung), ein Abstandhalter 26 (5b), ein Schmiermittel 28 (5a), eine Ummantelung 30 (5b) oder eine Drahtbeschichtung 32 (z. B. Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Rippen etc.) sein, der/die/das eine Betätigung unterstützt, das Leistungsvermögen fördert, die interstitiellen Seilkomponenten schützt oder die Lebensdauer des Seils 10 sonst wie verlängert. Das Seil 10 kann z. B. ferner ein Vaselineschmiermittel 28 umfassen, um den Reibungskoeffizient zwischen benachbarten Drähten 12, 22 zu reduzieren (5a). Wenn einzelne Stränge 20 und/oder Drähte 12, 22 separat betätigt werden sollen, ist das Schmiermittel 28 bevorzugt thermisch und/oder elektrisch isolierend. Hingegen ist das Schmiermittel 28, um eine gleichmäßigere Betätigung von einem einzelnen Strang 20 oder Draht 12, 22 (z. B. der Einlage) zu ermöglichen, thermisch und/oder elektrisch leitfähig.
Zusätzlich zu dem oder anstelle des Schmiermittels 28 können die Drähte 12, 22 beschichtet oder behandelt sein, um einen gewünschten Oberflächenzustand aufzuweisen (5a). Es kann z. B. eine Beschichtung 32 aufgebracht sein, um ermüdungs/thermomechanische Grenzflächeneigenschaften zu modifizieren (z. B. verbessern). Überdies kann der Oberflächenzustand ausgebildet sein, um den Reibungskoeffizienten zwischen benachbarten Drähten 12 zu modifizieren. Es ist einzusehen, dass alternativ eine Ummantelung 30, z. B. aus Teflon^TM 66 verwendet werden kann, um einzelne SMA-Stränge 20 oder -Drähte 12, 22 zu bedecken (5b). Es ist einzusehen, dass das Ansprechen des Seils 10 maßgeschneidert wird, indem der Reibungsbeitrag von Strang/Draht zu Strang/Draht modifiziert wird. Des Weiteren kann die Beschichtung 32 verwendet werden, um das Emissionsvermögen oder andernfalls Wärmeübertragungseigenschaften des Drahtes 12 zu modifizieren. Schließlich ist einzusehen, dass eine (z. B. licht-, EMK-, etc.)-empfindliche Beschichtung 32 in Längsrichtung in Eingriff stehen und in Verbindung mit einer geeigneten (z. B. Glasfaser-, etc.)-Einlage 18 verwendet werden kann, sodass der Durchgang von Licht oder einem anderen Medium bewirkt, dass die Beschichtung 32 Wärmeenergie erzeugt.
Wie weiter in 5b gezeigt, können z. B. längs gerichtete Abstandhalter 26, die an der Einlage 18 und/oder über die gesamten Stränge 20 befestigt sind, vorgesehen sein, um ein Erwärmen oder Kühlen zu unterstützen oder zu behindern, indem eine Drahtwechselwirkung modifiziert oder verhindert wird.
Im Betrieb ist das Seil 10 vorzugsweise Teil eines intelligenten Seilaktuatorsystems 100, das ferner einen Controller 102, der dazwischenliegend mit der Quelle 16 und den SMA-Drähten 12 gekoppelt ist, und zumindest einen Sensor 104 umfasst, der kommunizierend mit dem Controller 102 gekoppelt ist (6). Der bevorzugte Controller 102 ist programmierbar ausgebildet, um selektiv zu bewirken, dass die Drähte 12 dem Signal ausgesetzt sind. Zum Beispiel kann der Controller 102 ausgebildet sein, um die Drähte 12 bei Empfang eines vorbestimmten Bedarfs für eine vorbestimmte Zeitspanne (z. B. 10 Sekunden) zu aktivieren. Der Controller 102 ist bevorzugt ausgebildet, um jeden Draht 12 einzeln zu steuern, was die Fähigkeit mit sich bringt, die Betätigungskraft zu variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das System 100 eine Kühlvorrichtung (nicht gezeigt), die betrieben wird, um die Temperatur der Drähte 12 zu reduzieren und so die Deaktivierung derselben zu beschleunigen, und der Controller 102 ist funktionell mit dieser gekoppelt.
Der Sensor 104 ist betreibbar, um einen Zustand von Bedeutung (z. B. eine Dehnung, eine Temperatur, eine Verschiebung, einen elektrischen Widerstand, einen Strom, eine Spannung oder eine Kraft) zu detektieren, und ist kommunizierend mit dem Controller 102 gekoppelt und ausgebildet, um ein Datensignal an diesen zu senden. Der Controller 102 und der Sensor 104 sind zusammenwirkend ausgebildet, um zu bestimmen, wann eine Betätigungs- oder Deaktivierungssituation auftritt, entweder wenn z. B. durch einen weiteren Vergleich mit einer vorbestimmten Schwelle der Zustand detektiert wird oder ein nicht konformer Zustand detektiert wird. In einem bevorzugten Modus kann der Controller 102 ausgebildet sein, um das Seil 10 zu deaktivieren, wenn die Temperatur oder Dehnung des Seils 10, wie von dem Sensor 104 detektiert, den sicheren Betriebsbereich der SMA-Drähte 12 überschreitet. Es ist einzusehen, dass der Sensor 104 und das Seil 10 einteilig ausgebildet sein können. Zum Beispiel kann das Seil 10 eine fest angebrachte äußere Beschichtung 32 aufweisen, die aus einem Material hergestellt ist, dessen Widerstand proportional zu der Temperatur und/oder Dehnung ist, die es erfährt. Somit kann durch Überwachen des Widerstandes die Temperatur und/oder Dehnung in dem Seil 10 bestimmt werden.
Das Seil kann angewendet werden, um ein intelligentes strukturelles Teil zu bieten, das geeignet ist, die lokale und/oder allgemeine Geometrie und/oder Steifigkeit der Gesamtstruktur wie z. B. in Bezug auf einen vorgespannten Betonträger zu modifizieren; oder wertvolle Information bereitstellen, wenn es zur eingebauten Temperaturerfassung verwendet wird.
III. SMA-Seildämpfer: Beschreibung und Verwendung
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Seil 10 als Dämpfungs- oder Energie absorbierendes Element verwendet werden, das z. B. bei der Schwingungsunterdrückung und im seismischen Schutz von bautechnischen Strukturen verwendet werden kann. In dieser Konfiguration befinden sich die SMA-Drähte 12 in einer normalen austenitischen Phase; das bedeutet, die Drähte 12 weisen Übergangstemperaturen unter Raum- oder erwarteten Betriebstemperaturen auf. Als solche zeigen die Drähte 12 allgemein ein superelastisches Verhalten, wobei sich der Ausdruck „superelastisch” auf die Fähigkeit des Materials bezieht, Dehnungen während eines mechanische Belastungs/Entlastungszyklus, üblicherweise über eine Hystereseschleife, wiederherzustellen (8a, b). Andererseits ist der Aufbau des Dämpfungsseils 10 ähnlich der zuvor beschriebenen strukturellen Konfiguration des Aktuatorseils 10 (1–7).
In dieser Konfiguration kann eine Vielzahl von Seilen 10 verwendet werden, um eine abstimmbare, Energie absorbierende Struktur 200 wie z. B. eine zusammenklappende Schale oder Kugel zu bilden (9). In diesem Sinn ist einzusehen, dass die Quetschcharakteristika der Struktur (z. B. der Kugel) durch Aktivierung geändert werden können, sodass die SMA-Seile 10 verwendet werden, um ein Unfallansprechen maßzuschneidern. Die Geometrie der Struktur 200 und der superelastische Übergang in den Seilen 10 wirken zusammen, um Energie effizienter zu absorbieren und abzuführen.
Im Spezielleren, und wie in den 8a, b gezeigt, ist einzusehen, dass das superelastische Seil 10 Energie absorbiert, wenn es anfänglich in der austenitischen Phase gestreckt wird, wodurch bewirkt wird, dass es in die martensitische Phase übergeht, und dann in der martensitischen Phase weiter gestreckt wird; wenn die Belastung freigegeben wird, setzt das Seil 10 Energie frei, indem es sich in der martensitischen Phase zusammenzieht, zurück in die austenitische Phase übergeht, und sich weiter in ihre austenitische Ausgangsform zusammenzieht. Die Differenz in der Energie ist die durch die Schleife begrenzte Fläche, die in 8 gezeigt ist, die der durch das System bereitgestellten Energieabfuhr entspricht. In 8b wird eine ähnliche Hystereseschleife und Energieabfuhrvolumen durch ein Seil mit einem niedrigeren Fließdruck aber einem höheren Dehnungsvermögen produziert.
In einer Ausführungsform kann/können die Struktur/en 200 ausfahrbar sein, wenn eine Energieabsorption und -abfuhr erwünscht ist, und zu anderen Zeiten in einem Aufbewahrungsraum (nicht gezeigt) zurückgehalten sein. Die Struktur 200 ist bevorzugt im zusammengezogenen Zustand verstaut (die Oberseite der Hystereseschleife) und in die größere, Energie absorbierende Konfiguration erweitert, wenn sie ausgefahren ist. Überdies kann das Ausfahren derart abgestimmt sein, dass die Struktur 200, wie ausgefahren, eine spezifizierte maximale Energie absorbieren kann; wenn die Struktur 200 z. B. ein Käfig sein kann, der geeignet ist, als ein Pseudostoßfänger vor einem tatsächlichen Fahrzeugstoßfänger zu wirken, kann die Struktur auf der Basis der erwarteten Schwere des Aufprallereignisses variabel ausfahrbar sein.
Es ist einzusehen, dass das Seil 10 als Dämpfer einen breiten Bereich von Anwendungen besitzt, einschließlich eines stoßabsorbierenden oder ruckbegrenzenden Seils zur Lastübertragung. Hier kann das Seil 10 verwendet werden, um einen Anhänger (nicht gezeigt) zu ziehen, oder schwere Lasten mit einem Kran (ebenfalls nicht gezeigt) zu heben. Bei einer Belastung wird das SMA-Material bevorzugt an einem Punkt p entlang der Hystereseschleife genau vor dem Übergang zurückgehalten, sodass jegliche zusätzliche Dehnung (z. B. durch Schwenken) bewirkt, dass sofort mit der Überführung des Materials in die martensitische Phase begonnen wird. Es ist einzusehen, dass, wenn das Schwenken anhält, bevor eine vollständige Überführung stattfindet, die Energieabfuhr proportional zu der erreichten Tiefe der unvollständigen Schleife ist.
Es ist ferner einzusehen, dass das Seil 10 als ein Leistungsübertragungselement für eine flexible Fernbetätigung (z. B. Mahlwerke etc.) oder als ein Riemenspanner verwendet werden kann. Mit Bezug auf Letzteren kann ein Riemen-(z. B. Ketten- etc.)-Antrieb (nicht gezeigt) zumindest ein überdimensionales martensitisches SMA-Segment umfassen, das z. B. aus einem schleifenförmigen Seil 10 gebildet sein kann. Das Segment wird erwärmt, um in den Betriebszustand zu schrumpfen. Es kann später wieder erwärmt werden, um in anderen Abschnitten des Antriebes einen Durchhang aufzunehmen. Alternativ kann sich das Segment in seiner superelastischen austenitischen Phase befinden. Das superelastische SMA-Segment kann verwendet werden, um eine konstante Spannung in dem Riemen, selbst nach längerer Verwendung, sicherzustellen; da einzusehen ist, dass sich dort, wo der Riemen auf Grund von Verschleiß etc. einen Durchhang entwickelt und die Spannung in dem Riemen herabsetzt, das gestreckte SMA-Segment zurück zusammenziehen wird, um den Durchhang zu reduzieren und die Riemenspannung möglicherweise konstant zu halten.
In einem weiteren Beispiel kann/können zumindest ein und stärker bevorzugt eine Vielzahl von miteinander verwobenen superelastischen Seilen 10 verwendet werden, um Energie während eines Aufprallereignisses abzuführen, und können in einer Ausführungsform in kugelsicheren Westen verwendet werden. Hier sind die Seile 10 bevorzugt wiederum vorgedehnt, sodass sie genau vor dem Übergangspunkt der Hystereseschleife zurückgehalten sind. Bei einem Aufprall verursacht das Geschoß oder ein anderes Projektil eine weitere lokale Dehnung und eine Stoßwelle, die sich über die gesamte Weste ausbreitet. In einer weiteren Ausführungsform kann das Seil 10 ein strukturelles Teil eines Fahrzeuges (nicht gezeigt) bilden und ausgebildet und orientiert sein, um bei einem Aufprall Energie zu absorbieren. Das bedeutet, es wird Energie inkrementell absorbiert und abgeführt, da das Seil 10 die durch den Aufprall erzeugte wellenförmig verlaufende Spannungswelle erfährt, und da insgesamt bewirkt wird, dass das Seil 10 einer Zugbelastung/entlastung durch den Gesamtaufprall und Rückprall des Fremdkörpers ausgesetzt ist. Zuletzt ist einzusehen, dass die SMA im superelastischen Modus Vorteile wie z. B. eine Stabilisierung für Rückhaltestrukturen (z. B. Brücken, Sendetürme, Haltetaue etc.) und als Schwingungslager/isolatoren für Taue oder in Kombination mit Sitz- und Aufhängungsstreben bereitstellt. Im letzteren Fall trägt auch die Seilreibung zur Gesamtenergieabfuhr bei und die superelastische Schleife ist maßgeschneidert, um die Abfuhr zu maximieren.
Schließlich ist einzusehen, dass die Struktur 200 ferner martensitische (oder Formgedächtnis)-SMA-Drähte 12 umfassen kann, die ausgebildet sind, um bei einer Aktivierung das Profil oder die geometrische Form der Struktur 200 zu modifizieren, sodass das Energieabsorptions- und -abfuhrvermögen der Struktur 200 erhöht ist.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung offenzulegen, darunter die beste Art, und auch, um jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann in den Sinn kommen. Solche weiteren Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente umfassen, die sich nicht von der wörtlichen Darlegung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleiche strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von der wörtlichen Darlegung der Ansprüche umfassen.
Auch bezeichnen die Ausdrücke „erste/r/s”, „zweite/r/s” und dergleichen, wie hierin verwendet, keinerlei Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern dienen dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe „ein/e/s” bezeichnen hierin keine Beschränkung einer Menge, sondern bezeichnen das Vorhandensein von zumindest einem der Elemente, auf die Bezug genommen wird. Alle Bereiche, die sich auf die gleiche Menge einer gegebenen Komponente oder Messung beziehen, schließen die Endpunkte ein und sind einzeln kombinierbar.
Zusammenfassung
Ein Seil, das zur Verwendung als ein Aktuator, ein adaptives strukturelles Teil oder ein Dämpfer geeignet ist, umfasst eine Vielzahl von längs miteinander in Eingriff stehenden und zusammenwirkend fungierenden Formgedächtnislegierungsdrähten.

Claims

Seil, das zur Verwendung als ein Aktuator, ein adaptives strukturelles Teil oder ein Dämpfer geeignet ist, wobei das Seil umfasst: eine Vielzahl von längs miteinander in Eingriff stehenden, zusammenwirkend fungierenden Drähten, wobei zumindest zwei der Drähte ein Formgedächtnislegierungsmaterial umfassen, das dazu dient, eine reversible Änderung zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt und/oder gegenüber diesem abgeschottet ist.
Seil nach Anspruch 1, wobei sich die zumindest zwei Drähte in der normal martensitischen Phase befinden und eine Betätigungskraft produzieren, die dazu dient, zu bewirken, dass sich das Seil infolge der Änderung zusammenzieht, biegt und/oder verdreht.
Seil nach Anspruch 2, wobei ein Abschnitt der Drähte dazu dient, eine Rückstellkraft zu produzieren, die antagonistisch zu der Betätigungskraft ist.
Seil nach Anspruch 1, wobei die Drähte elastisch sind und sich das Formgedächtnislegierungsmaterial in der normal austenitischen Phase befindet, um so dazu gebracht zu werden, sich zu ändern, wenn es dem Spannungsaktivierungssignal ausgesetzt und/oder gegenüber diesem abgeschottet ist.
Seil nach Anspruch 1, wobei die zumindest zwei Drähte eine unterschiedliche Eigenschaft aufweisen, um sich so nicht gleichzeitig und/oder nicht deckungsgleich zu ändern, wenn sie dem Signal ausgesetzt oder gegenüber diesem abgeschottet sind.
Seil nach Anspruch 5, wobei die unterschiedliche Eigenschaft aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen aus unterschiedlichen Zusammensetzungen des Formgedächtnislegierungsmaterials, unterschiedlichen Durchmessern und unterschiedlichen Vordehnungen besteht.
Seil nach Anspruch 1, welches ferner ein Zwischendrahtelement umfasst, das längs und dazwischen mit zumindest einem Abschnitt der Drähte in Eingriff steht und dazu dient, eine Wechselwirkung dazwischen zu modifizieren.
Seil nach Anspruch 7, wobei das Element aus der Gruppe gewählt ist, die aus einer Drahtoberflächentextur, einem Abstandhalter, einem Schmiermittel, einer Ummantelung und einer Drahtbeschichtung besteht.
Seil nach Anspruch 7, wobei sich die zumindest zwei Drähte in der martensitischen Phase befinden und das Element thermisch und/oder elektrisch nicht leitfähig ist, um den zumindest einen Abschnitt thermisch und/oder elektrisch zu isolieren.
Seil nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt der Drähte eine Einlage aufweist und die restlichen Drähte längs in Eingriff mit dem Äußeren der Einlage stehen.
Seil nach Anspruch 10, wobei die Einlage aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen aus Nickelchrom, Gummis, Hartschäumen, Aluminium, Kupfer, Kunststoffen, Baumwolle, Glasfasermaterial und einer Formgedächtnislegierung besteht.
Seil nach Anspruch 10, wobei sich die zumindest zwei Drähte in der normal martensitischen Phase befinden, unterschiedliche aktive Längen aufweisen und längs mit dem Äußeren der Einlage in Eingriff stehen, um so eine Betätigungskraft an unterschiedlichen Punkten in Längsrichtung zu erzeugen.
Seil nach Anspruch 10, wobei die Einlage hohl ist, um so einen inneren Raum zu definieren, und das Seil ferner eine Fluidquelle umfasst, die kommunizierend mit dem Raum gekoppelt und ausgebildet ist, um ein erwärmtes oder Kühlfluid in den Raum zu liefern, um so die zumindest zwei Drähte thermisch zu aktivieren, wenn sie sich in der martensitischen Phase befinden, bzw. Wärmeenergie von den zumindest zwei Drähten abzuführen, wenn sie sich in der austenitischen Phase befinden.
Seil nach Anspruch 10, wobei die Einlage thermisch mit einem thermoelektrischen Element gekoppelt ist und das thermoelektrische Element ausgebildet ist, um die Einlage zu erwärmen und/oder zu kühlen.
Seil nach Anspruch 10, wobei zumindest ein Abschnitt der restlichen Drähte in einer ersten Richtung um das Äußere der Einlage gewickelt ist, um so eine Helix, die einen Helixwinkel definiert, und eine erste Strangaußenfläche zu präsentieren.
Seil nach Anspruch 15, wobei ein Abschnitt der restlichen Drähte ferner in einer zweiten Richtung um die erste Fläche gewickelt ist, um so eine zweite Helix, die einen zweiten Helixwinkel definiert, zu präsentieren, wobei sich die/der erste Richtung oder Winkel jeweils von der/dem zweiten Richtung oder Winkel unterscheidet.
Energie absorbierendes und abführendes System, welches eine verformbare Struktur umfasst, die zumindest teilweise aus zumindest einem Seil gebildet ist, wobei das Seil ferner eine Vielzahl von längs miteinander in Eingriff stehenden Drähten umfasst, wobei zumindest zwei Drähte ein Formgedächtnislegierungsmaterial umfassen, um so dazu gebracht zu werden, sich zu ändern, wenn sie einem Aktivierungssignal ausgesetzt und/oder gegenüber diesem abgeschottet sind.
System nach Anspruch 17, wobei die Struktur eine zusammenklappbare Schale, einen Stoßdämpfer, ein Abschleppseil, ein Riemen- oder Kettenantriebsegment, eine kugelsichere Weste oder ein Abspann-, Trag-, Lenk-, Verankerungs- oder Halteseil ausmacht.
System nach Anspruch 17, welches ferner einen Aufbewahrungsraum, in dem die Struktur in einem verformten Zustand zurückgehalten wird, und einen Ausfahraktuator umfasst, der ausgebildet ist, um die Struktur selektiv aus dem Raum auszufahren.
Intelligenter Seilaktuator, welcher umfasst: ein Seil, das aus einer Vielzahl von längs miteinander in Eingriff stehenden, zusammenwirkend fungierenden Drähten gebildet ist, wobei zumindest zwei der Drähte ein Formgedächtnislegierungsmaterial umfassen, das dazu dient, eine reversible Änderung zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt und/oder gegenüber diesem abgeschottet ist; zumindest einen Sensor, der betreibbar ist, um einen oder mehrere Zustände zu detektieren; und einen Controller, der kommunizierend mit dem zumindest einen Sensor und dem Seil gekoppelt und ausgebildet ist, um das Ausmaß der Änderung zu bewirken und/oder zu steuern, wenn der Zustand detektiert wird.
Aktuator nach Anspruch 20, wobei der Sensor aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen aus einem Dehnungs-, Temperatur-, Verschiebungs-, elektrischen Widerstands-, Strom-, Spannungs- oder Kraftmessgerät besteht.
Aktuator nach Anspruch 20, wobei das Seil und der Sensor einteilig gebildet sind.
Aktuator nach Anspruch 20, wobei der Controller einzeln mit jedem der zumindest zwei Drähte gekoppelt ist, um separat zu bewirken, dass sie sich ändern.