DE60118836T2

DE60118836T2 - Betätigungsvorrichtung mit Formgedächtniselement

Info

Publication number: DE60118836T2
Application number: DE60118836T
Authority: DE
Inventors: Bartolomeo Pairetti; Francesco Butera; Stefano Alacqua
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2000-05-02
Filing date: 2001-04-30
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2021-05-01
Also published as: IT1320064B1; EP1164287B1; ITTO20000408A0; EP1164287A3; DE60118836D1; EP1164287A2; ITTO20000408A1; ES2260187T3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungsvorrichtung, welche die Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen ausnutzt.
Eine Betätigungsvorrichtung mit Formgedächtnis entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der WO 96/61792 bekannt. In diesem Dokument wandelt eine Betätigungsvorrichtung konstanter Kraft angewandte Wärme in eine auf eine Ausgabevorrichtung angewandte Kraft auf. Streifen einer Formgedächtnislegierung sind in Spiralen gewickelt und so eingestellt, dass sie diese Gestalt als statischen Zustand halten. Die Federn aus Formgedächtnislegierung sind an der Ausgabevorrichtung angebracht, die eine gerichtete Kraft ausübt. Wenn eine der Federn erwärmt wird, ändert sich der Elastizitätsmodul innerhalb des Federmaterials. Diese Änderung im Modul vergrößert die Kraft, mit welcher die Feder versucht, in ihren statischen Zustand zurückzukehren, was wiederum die auf die Ausgabevorrichtung ausgeübte Kraft erhöht, was das Gleichgewicht der Kräfte verschiebt und zu einer Drehung führt.
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine hocheffizient zu betreibende Betätigungsvorrichtung bereitzustellen, deren Größe zudem stark verkleinert werden kann, und die dennoch einen einfachen Aufbau aufweist und relativ billig ist.
Um diese Aufgabe zu lösen, bezieht sich diese Erfindung auf eine Betätigungsvorrichtung mit Formgedächtnis wie in Anspruch 1 dargelegt.
Die Vorrichtungen zum Erwärmen des Bands können aus Vorrichtungen zur Zufuhr elektrischen Stroms durch das Band bestehen, um es durch den Joule-Effekt zu erwärmen. Um die Rollen aus ihrer Endposition in die Ruheposition zurückzubringen, können zum Beispiel elastische Vorrichtungen vorgesehen und einer der beiden Rollen zugeordnet werden, um so die Rollen zu ihrer Ruheposition zurückzubringen, sobald die Temperatur des Bands unter den Übergangswert fällt.
Alternativ können zwei Bänder eingesetzt werden, eines, das den Übergang aus der Ruheposition in die Endposition bewirkt, und das andere, welches die Rückkehr in die Ruheposition bewirkt.
Die zwischen den Rollen angeordneten Übertragungsvorrichtungen bestehen in einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung vorteilhafterweise aus einem Paar gegenseitig eingreifender Zahnräder, die jeweils so angeschlossen sind, dass sie sich mit den beiden Rollen drehen.
Dank der oben beschriebenen Eigenschaften ist die Betätigungsvorrichtung dieser Erfindung einfach, klein in ihren Abmessungen und kosteneffektiv. Sie kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann eines der Zahnräder zur Drehung mit einer Schneckenschraube verbunden sein, wodurch die lineare Bewegung einer zu einem Betätigungsstab gehörenden Schraube verursacht wird. In einem anderen Beispiel kann eines der Zahnräder entweder mit einer zu einem Betätigungsstab gehörenden Zahnstange oder mit einer zu einer gesteuerten Einheit (zum Beispiel einer Schiebetür) gehörenden Zahnstange eingreifen. In diesem Fall wird das Band im Ruhezustand um eine der Rollen gewickelt, um eine Vielzahl von Wicklungen auf der Rolle zu bilden. Dies stellt mehr Umdrehungen während des Übergangs von der Ruheposition in die Endposition sicher. Entsprechend einem anderen Beispiel dieser Anwendung kann der Schaft einer der beiden Rollen die Bewegung eines Ventilverschlussstifts (zum Beispiel einer Drosselklappe) steuern. Alternativ können die Schäfte beider Rollen zwei Verriegelungshebel eines Stifts in einem Verschlussmechanismus für jede Anwendung (zum Beispiel der Mechanismus eines Türschlosses bei einem Kraftfahrzeug) betätigen.
Diese Erfindung wird besser mit Hilfe der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen als nicht beschränkendes Beispiel erläutert:
1, 2 sind perspektivische Ansichten eines spiralförmig gewickelten Bands aus einer Formgedächtnislegierung in freiem Zustand, jeweils unterhalb bzw. oberhalb der Übergangstemperatur,
3 ist ein Diagramm, welches das Arbeitsprinzip der Erfindung zeigt,
4 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung entsprechend dieser Erfindung,
6 bis 8 sind perspektivische Ansichten, die drei verschiedene mögliche Anwendungen der Betätigungsvorrichtung entsprechend dieser Erfindung veranschaulichen,
9 ist eine schematische Vorderansicht der Vorrichtung in 8,
10 veranschaulicht eine andere mögliche Anwendung der Vorrichtung entsprechend dieser Erfindung,
11, 12 veranschaulichen eine zusätzliche Anwendung und
13 und 14 veranschaulichen eine Abwandlung des Bands in der Vorrichtung entsprechend dieser Erfindung.
Mit Bezug auf 1 nutzt die Betätigungsvorrichtung entsprechend dieser Erfindung die Eigenschaften eines länglichen, flachen Bandes 1 aus einer Formgedächtnislegierung aus. Das Band 1 ist in den 1, 2 im freien Zustand gezeigt, und zwar in Zuständen, die einer Temperatur, welche niedriger als die Übergangstemperatur, bzw. einer Temperatur, die höher als die Übergangstemperatur ist, entsprechen. Wenn die Temperatur des Bands sich unterhalb der Übergangstemperatur befindet, ist das Band 1 entsprechend einer ersten Wickelrichtung in eine Spirale gewickelt, um so eine nach außen gewandte Seite A und eine nach innen gewandte Seite B aufzuweisen. Wenn die Temperatur des Bands die Übergangstemperatur überschreitet, strebt das Band danach, sich in die entgegengesetzte Richtung zu wickeln (2), wobei die Seite A nach innen gewandt und die Seite B nach außen gewandt ist. Das Diagramm in 3 zeigt die Verformung des Bands mit der Änderung der Temperatur. Hierbei entspricht der in 1 veranschaulichte Ruhezustand einem Punkt I im Diagramm der 3, der wiederum einem Temperaturwert t₁ entspricht. Ausgehend von diesem Zustand wird ein Anstieg der Temperatur (Seite II des Diagramms) die Verformung auf einen Wert III erhöhen, der einer Temperatur t₃ entspricht (ein Zustand, welcher dem in 2 veranschaulichten entspricht). Das Band kann somit in den Ruhezustand I (Abschnitt IV) zurückgebracht werden (auf eine Weise, die im folgenden Text dargestellt wird).
Mit Bezug auf 4 umfasst die Betätigungsvorrichtung entsprechend dieser Erfindung, allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet, zwei Rollen 3, 4, die so zusammengebaut sind, dass sie sich frei um parallele Achsen 5, 6 drehen. Zum besseren Verständnis zeigen die Zeichnungen nicht die Struktur, welche die beiden sich drehenden Rollen 3, 4 trägt. Diese konstruktiven Details sind nicht dargestellt, da sie auf jede bekannte Weise ausgeführt sein können und da ihr Weglassen die Zeichnungen einfacher und leichter verständlich macht. Die beiden Rollen 3, 4 sind gegenseitig durch Übertragungsvorrichtungen verbunden, welche die Rollen sich simultan in entgegengesetzte Richtungen drehen lassen. Im gezeigten Beispiel bestehen die Übertragungsvorrichtungen aus zwei Zahnrädern 7, 8, welche miteinander eingreifen und jeweils so angeschlossen sind, dass sie sich mit den Rollen 3, 4 drehen. Schließlich ist ein längliches, flaches Band 1 der oben in Bezug auf die 1, 2 beschriebenen Art mit an den beiden Rollen sicher angebrachten Endabschnitten 1a, 1b, das zumindest teilweise auf die besagten Rollen gewickelt ist, den Rollen 3, 4 zugeordnet. Der Abschnitt des Bands zwischen einer Rolle und der anderen ist in Form eines S angeordnet. Im Ruhezustand der Betätigungsvorrichtung ist das Band 1 fast vollständig auf die Rolle 4 gewickelt. Wenn das Band erwärmt wird, zum Beispiel wenn es von einem elektrischen Strom durchflossen wird, strebt das Band 1 danach, sich in die entgegengesetzte Richtung zu wickeln, was dazu führt, dass es sich von der Rolle 4 abwickelt und auf die Rolle 3 aufwickelt, mit daraus folgender, gleichzeitiger entgegengesetzter Drehung der Rollen 3, 4 in eine Endposition, in welcher das Band fast vollständig auf die Rolle 3 aufgewickelt ist. Die Rolle 4 ist einer Spiralfeder 9 zugeordnet, welche versucht, die beiden Rollen in die Ausgangsposition zurückbringen, wenn das Band abgekühlt wird. Alternativ (siehe 5) können zwei Bänder 1, 10 auf solche Weise angeordnet sein, dass eines in eine Richtung wirkt, welche die Rollen aus der Ruheposition in die Endposition bringt, und das andere in Rückwärtsrichtung der Rollen zur Ruheposition hin wirkt.
6 veranschaulicht eine mögliche Anwendung der Betätigungsvorrichtung entsprechend dieser Erfindung, bei der das Zahnrad 7 mit einem Zahn 11 des Zahnrads 12 eingreift, welches ganzheitlich mit einer an einem Betätigungsstab 14 befestigten Schraube 13 ausgebildet ist. Die Schraube 13 ist in axialer Position verriegelt, was ein Grund dafür ist, dass ihre Drehung die lineare Bewegung des Betätigungsstabs 14 bewirkt, der irgendeine zur Steuerung zwischen zwei äußeren Endpositionen bestimmte Einheit steuern kann.
7 veranschaulicht eine Abwandlung, bei welcher der Betätigungsstab 14 in eine Zahnstange 15 passt, die mit dem Zahnrad 7 eingreift. Eine ähnliche Lösung ist auch in den 11, 12 gezeigt, mit Bezug auf eine Steuervorrichtung für eine Schiebetür.
8, 9 sind eine perspektivische Ansicht und eine Vorderansicht eines Schlosses, in dem ein Stift 16 in einer Fassung 17 eingeschlossen ist, die zwischen einem ersten festen Verriegelungselement 18 und zwei Kipphebeln 19, 20 definiert ist, welche auf den Achsen der beiden Rollen 3, 4 angebracht sind und sich zwischen einem offenen Zustand (9), in welchem der Stift 16 in die Fassung rein und raus gelassen wird, und einem verriegelten, geschlossenen Zustand (8) bewegen kann. Ein Schloss dieser Art kann für eine Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden, zum Beispiel im Mechanismus des Türschlosses eines Kraftfahrzeugs.
10 veranschaulicht eine andere Anwendung, bei der die Rolle 4 die Drehung eines Ventilverschlussstifts steuert, in diesem Fall einer Drosselklappe 21 im Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors.
Schließlich sind die 13, 14 eine Draufsicht und eine guerschnittsansicht, die ein Band 100 aus einem elektrischen Leiter zeigen, der in Form einer das Band definierenden Serpentine angeordnet ist. Die verschiedenen Zweige des Leiters 100 sind dazu bestimmt, in der gleichen Anzahl von Aufnahmen 101 auf der Seitenfläche der jeweiligen Rollen 3, 4 aufgenommen zu werden. Der Draht wird von einem elektrischen Strom durchflossen, um ihn zu erwärmen. Natürlich besteht auch in diesem Fall der Leiter aus einer Formgedächtnislegierung.

Claims

Betätigungsvorrichtung mit Formgedächtnislegierung, umfassend: – ein flaches, längliches Band (1), aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt, mit zwei Extremitätsabschnitten (1a, 1b) – Vorrichtungen zum Erhitzen des Bands (1) auf eine Temperatur, die eine Übergangstemperatur überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter umfasst: – eine erste und zweite Rolle (3, 4), die sich frei auf parallelen Achsen (5, 6) drehen, – Übertragungsvorrichtungen (7, 8) der Drehung zwischen der ersten und der zweiten Rolle (3, 4), um so die Rollen simultan in entgegengesetzte Richtungen drehen zu lassen, und dass: die zwei Extremitätsabschnitte (1a, 1b) jeweils an der ersten und zweiten Rolle (3, 4) befestigt sind und mindestens teilweise auf den Rollen aufgewickelt sind, wobei der Band (1)-Abschnitt zwischen einer Rolle und der anderen Rolle angeordnet ist und ein S bildet, und das Band dazu neigt, sich in die entgegengesetzte Richtung in Bezug auf die ursprüngliche Richtung zu wickeln, wenn es von den Heizvorrichtungen über die Übergangstemperatur erwärmt wird, um so die gleichzeitige Drehung der beiden Rollen (3, 4) in entgegengesetzte Richtungen zu verursachen, ausgehend von einer Ruheposition, in welcher das Band (1) fast vollständig auf der ersten Rolle (4) aufgewickelt ist, bis zu einer Endposition, in welcher das Band (1) fast vollständig auf der zweiten Rolle (3) aufgewickelt ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsvorrichtungen aus zwei Zahnrädern (7, 8) bestehen, die gegenseitig eingreifen und verbunden sind, um sich jeweils auf den beiden Rollen (3, 4) zu drehen.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Rollen (3, 4) mit elastischen Vorrichtungen (9) ausgestattet ist, die die beiden Rollen in die Ruheposition zurückrufen.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Bänder (1, 10) insgesamt den beiden Rollen zugeordnet sind und so angeordnet sind, um jeweils die Drehung der Rollen aus der Ruheposition in die Endposition und das Zurückkehren der Rollen aus der Endposition in die Ruheposition zu verursachen.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtungen verursachen können, dass ein elektrischer Strom durch das Band (1) fließt.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Zahnräder (7) angeschlossen ist, um eine Schraube (13) zu drehen, wodurch die lineare Bewegung eines Betätigungsstabes (14) verursacht wird.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Zahnräder (7) mit einer Zahnstange (15) eingreift, die zur Betätigungsstange (14) gehört.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft einer der beiden Rollen (3, 4) einen Ventilverschlussstift (21) steuert.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Zahnräder (7) mit einer Zahnstange eingreift, die zu einem Tor oder einer Schiebetür gehört.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rollen zwei Kipphebel (19, 20) steuern und drehen, um einen Stift (16) in einem Schloss zu verriegeln.