WO2018010711A2

WO2018010711A2 - Aktoranordnung mit formgedächtnisstellern und betriebsverfahren

Info

Publication number: WO2018010711A2
Application number: PCT/DE2017/000206
Authority: WO
Inventors: Norman Perner; Helmut Bronowski
Original assignee: Solvo GmbH
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2018-01-18
Also published as: DE102016008526B3; WO2018010711A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aktoranordnung umfassend eine Gestellvorrichtung; ein an der Gestellvorrichtung gelagertes Getriebe mit einem Abtriebsglied, wobei die Kinematik des Getriebes eine erste Betriebsstellung und eine zweite Betriebsstellung umfasst und die zweite Betriebsstellung eine Grenzlage des Getriebes darstellt; und wobei das Getriebe so ausgestaltet ist, dass beim Übergang von der ersten Betriebsstellung in die zweite Betriebsstellung das Abtriebsglied eine Totlage durchläuft; und einen Getriebeantrieb mit Formgedächtnisstellern, umfassend ein Agonist-Stellelement und ein Antagonist-Stellelement. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Agonist-Stellelement ein erstes Formgedächtniselement und das Antagonist-Stellelement ein zweites Formgedächtniselement umfassen, die jeweils bei einer Aktivierung eine Längenkontraktion aufweisen und wobei das erste Ende des ersten Formgedächtniselements von einer ersten gestellseitigen Halterung ausgeht und das zweite Ende des ersten Formgedächtniselements an einer ersten beweglichen Halterung befestigt ist, die über ein Zwischenelement in mittelbarer Triebverbindung zum Getriebe steht und wobei das erste Ende des zweiten Formgedächtniselements von einer zweiten gestellseitigen Halterung ausgeht, die näher an der ersten beweglichen Halterung als an einer zweiten beweglichen Halterung angeordnet ist.

Description

Aktoranordnung mit Formgedächtnisstellern und Betriebsverfahren

Die Erfindung betrifft eine Aktoranordnung mit Formgedächtnisstellern mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren für deren Betrieb.

Die Verwendung von Formgedächtnismaterialien für Aktoren ist bekannt. Zur Ausführung von Stellbewegungen wird ein Phasenumwandlungseffekt genutzt. Für ein Bauteil aus einer thermisch aktivierbaren Formgedächtnislegierung, beispielsweise TiNi, TiNiCu, CuZnNi oder CuAIIMi, erfolgt zunächst eine plastische Verformung in einer Tieftemperaturphase, für die ein Martensitgefüge vorliegt. Bei einer Erwärmung auf eine Temperatur, die ausreicht, um das Martensitgefüge in ein Austenitgefüge umzuwandeln, resultiert eine Formveränderung zum Zustand vor der plastischen Verformung. Eine nachfolgende Abkühlung, für die wieder ein Martensitgefüge eintritt, führt bei einer Einwegeffekt-Formgedächtnislegierung ohne

zusätzlichen Kraftaufwand nicht zum ursprünglichen Verformungszustand zurück. Allerdings besteht die Möglichkeit durch mehrere übereinstimmende plastische Umwandlungs- und Temperaturwechselzyklen das Material so zu trainieren, dass ein Zweiwegeffekt auftritt und ein aktorisches Bauteil geschaffen werden kann, das zwischen zwei definierten Formzuständen in Abhängigkeit der Temperatur wechselt.

Zusätzlich zu einer thermischen Aktivierung des Formgedächtniseffekts sind Materialien bekannt, die aufgrund der Einwirkung eines elektrischen Feldes oder unter der Wirkung von UV- Strahlung einen Phasenwechsel ausführen, wobei die Gefügeveränderung zu einem

Formgedächtniseffekt führt. Beispiele solcher Materialien sind NiMnGa mit einem hohen

Formveränderungsgrad oder Formgedächtnis-Polymere mit einer Zimtsäuregruppe.

Die Nutzung eines Formgedächtnisaktors als schaltbares Federelement ist beispielsweise aus EP 1207553 AI bekannt. Beschrieben wird eine Einspannvorrichtung für Halbleiterbauelemente, die eine Stapelanordnung mit Tellerfedern aus einer Formgedächtnislegierung zur direkten Krafteinwirkung nutzt. Des Weiteren ist bekannt, zwei gegeneinander als Agonist-Stellelement und Antagonist-Stellelement wirkende Formgedächtnisaktoren zum Antrieb einer mechanischen Komponente, die die Kinematik einer Bewegung vorgibt, zu verwenden. Als Beispiel wird auf die DE 3909480 AI verwiesen. Beschrieben wird eine Verstellvorrichtung mit zwei Endlagen zum Einbau in eine Türverriegelungsmechanik eines Kraftfahrzeugs, die eine

Kugelschreibermechanik gekoppelt mit einem Getriebeantrieb mit Formgedächtnissteller in Agonist-Antagonist-Bauweise beschreibt. Weitere bistabile Getriebeanordnungen mit zwei antagonistisch wirkenden Formgedächtnisdrähten sind aus DE 602004001337 T2,

US 5977858 A und US 20050115235 AI bekannt.

DE 102005055759 AI offenbart eine durch einen Wandlerwerkstoff angetriebene Kinematik mit einem Kniehebel zur Ausführung eines Stellelements für eine Bremse. Nicht beschrieben wird die Nutzung der Kniehebelmechanik im Bereich einer Totlage. Dies gilt auch für die durch DE 19842923 AI offenbarte Hebelmechanik mit Formgedächtnisstellern. Dabei bewegen die aktorischen Komponenten die Endglieder des Getriebes, sodass ein außerhalb des

Totpunktbereichs liegender Arbeitsbereich mit einer zur Gliederkette des Getriebes

transversalen Abtriebsbewegung genutzt wird. Des Weiteren beschreibt DE 102009013126 AI eine Spannvorrichtung für eine mikrolithographische Komponente mit einem Kniehebelgetriebe und nach dem Agonist/Antagonist-Prinzip arbeitenden Formgedächtnisdrähten als Aktoren.

Eine Kniehebelmechanik in Verbindung mit Formgedächtnisstellern zur Totlagen-Auslösung ist aus der DE 10027519 C2 bekannt. Beschrieben wird die Wirkverbindung zwischen einem elektrischen Kontaktelement und einem Abtriebsglied eines Kniehebels, wobei der Kniehebel im Normalbetriebszustand, für den der Batteriekontakt aufrechtzuerhalten ist, ein kraftfreie, mechanisch stabile Stellung in einer Getriebegrenzlage außerhalb des Totpunkts einnimmt. In diese Stellung wird der Kniehebel mittels eines Federelements aus einer

Formgedächtnislegierung gebracht. Als Aktor für die Auslöserichtung dient ein thermisch aktivierbarer Formgedächtnisdraht, der direkt auf das mittlere Getriebegelenk der

Kniehebelmechanik wirkt und im Auslösefall das Getriebe wieder über den Totpunkt führt. Die beschriebene Konstruktion ist so gewählt, dass das Spannen des Kniehebels mit dem relativ großbauenden Federelement aus einer Formgedächtnislegierung im Verhältnis zum

Auslösevorgang langsam erfolgt. Darüber hinaus wird für die vorgeschlagene Aktoranordnung ein relativ großer Bauraum benötigt.

US 8499913 B2 beschreibt die Verwendung einer Vorrichtung mit Formgedächtnisstellern für die Klappenbewegung an einem Flugzeugflügel. Verwendet wird ein Zweiwegeffekt- Torsionsformgedächtnissteller, der mit unidirektionalen Lagerelementen und über eine schaltbare Kupplungsvorrichtung auf die Flügelklappen wirkt. Als Aktor für die

Kupplungsvorrichtung wird ein röhrenförmiger Formgedächtnis-Linearaktor verwendet, der nach dem Zweiwegeffekt arbeitet. Da der Formgedächtnis-Linearaktor eine relativ große thermische Masse aufweist, dient ein zusätzlicher Kniehebelmechanismus im Antriebsstrang zwischen dem Formgedächtnis-Linearaktor und der Kupplungsvorrichtung dazu, ein möglichst rasches

Freisetzen der Klappen als Reaktion auf einen Überlastfall zu realisieren. In Normalbetriebsstellung befindet sich der Kniehebel in einer Getriebegrenzlage außerhalb des Totpunkts. Um den Kniehebel für die Notauslösung möglichst schnell über den Totpunkt zu führen, wird vorgeschlagen, mit Formgedächtniselementen geringer thermischer Masse eine Drehbewegung eines Umlenkkörpers auszulösen, der auf das Mittelgelenk des Kniehebels wirkt. Die durch US 8499913 B2 vorgeschlagene Aktorik bedarf eines Bauraums, der für viele

Anwendungen, etwa für kompaktbauende Stellbremsen als Sicherungskomponenten eines elektrischen Antriebs, nicht vorliegt. Eine kleinbauende, genestete Anordnung von

Formgedächtnisstellern zum Antrieb eines Getriebes mit Totlage wird durch DE 10 2015 001 AI beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aktoranordnung mit Formgedächtnisstellern, umfassend ein Agonist-Stellelement und ein Antagonist-Stellelement, anzugeben, die in einem kleinen Bauraum realisiert werden kann. Die Aktoranordnung soll einfach montierbar und mit geringem Energieaufwand aktivierbar sein und eine schnelle Stellbewegung zwischen einer ersten Betriebsstellung und einer zweiten Betriebsstellung unter Last ausführen und eine hohe Standzeit aufweisen. Dabei sollten die Betriebsstellungen ohne permanente Energiezufuhr aufrechterhalten werden. Zusätzlich ist ein Verfahren zum Betrieb einer solchen

Aktoranordnung anzugeben.

Die erfindungsgemäße Aktoranordnung verwendet ein Getriebe mit einer Kinematik, für die zwischen einer ersten Betriebsstellung und einer zweiten Betriebsstellung ein Abtriebsglied des Getriebes eine Totlage durchläuft. Für eine Totlage ist die Abtriebsgeschwindigkeit an wenigstens einem Punkt des Abtriebsglieds gleich null, ohne dass die Antriebsgeschwindigkeit verschwindet. Anders ausgedrückt bedeutet eine Totlage, dass das Abtriebsglied einer

Kinematik mit Richtungswechsel folgt. Wird als zweite Betriebsstellung durch einen ortsfesten Anschlag oder einen Bewegungsbegrenzer als Teil eines Getriebeglieds etwas jenseits der Totlage eingestellt, entsteht ein statisch stabiler Betriebspunkt dann, wenn eine auf das Abtriebsglied wirkende äußere Kraft gegen eine Bewegung in Richtung der Totlage wirkt. Wird ein Abtriebsglied in eine solche Stellung durch die Antriebsaktoren gebracht, resultiert eine sichere Lage auch ohne dauerhafte aktorische Einwirkung mit permanentem Energiefluss.

Um unter Belastung einen Wechsel der Betriebsstellung nahe bei oder über eine Totlage hinaus zu bewirken, sind typischerweise hohe aktorische Kräfte auf einem kurzen Weg notwendig. Die sich daraus ergebenden Anforderungen an die aktorischen Stellelemente wird aufgrund der hohen, zur Verfügung stehenden Kraftdichte vorteilhaft durch Formgedächtnismaterialien erfüllt. Erfindungsgemäß werden sowohl für ein Agonist-Stellelement, das eine Getriebebewegung von der ersten Betriebsstellung über einen Totpunkt in die zweite Betriebsstellung bewirkt, als auch für ein Antagonist-Stellelement, mit dem eine Getriebebewegung von der zweiten

Betriebsstellung zur ersten Betriebsstellung ausgeführt wird, Formgedächtniselemente verwendet, die bei einer Aktivierung eine Längenkontraktion und somit eine Zugkraft erzeugen. Bevorzugt sind die Formgedächtniselemente Formgedächtnisdrähte oder

Formgedächtnismembranen. Ferner werden bevorzugt thermisch aktivierbare

Formgedächtniselemente verwendet, deren Material beim Aufheizen über die

Phasenumwandlungstemperatur den Austenitzustand annimmt. Denkbar sind auch

Formgedächtniselemente mit magnetisch oder durch UV-Strahlung aktivierten

Formgedächtnismaterialien.

Die Verwendung eines ersten Formgedächtniselements für das Agonist-Stellelement und eines zweiten Formgedächtniselements für das Antagonist-Stellelement hat den Vorteil, dass der Einwegeffekt für den Wechsel zwischen ersten Betriebsstellung und der zweiten Betriebsstellung verwendet werden kann. Bevorzugt werden Formgedächtniselemente in Form von Drähten oder Membranen, die aufgrund eines hohen Oberflächen-Volumenverhältnis schnelle

Temperaturwechselvorgänge ermöglichen, sodass eine Aktivierung des Formgedächtniseffekts und damit die Ausführung einer Stellbewegung in einer kurzen Zeitspanne erfolgen kann. Ein zusätzlicher Vorteil des Einsatzes von Einwegformgedächtniselementen in Form von Drähten und Membranen besteht darin, dass deren geringe thermische Masse bei einer thermischen Aktivierung aus einem begrenzten Energiespeicher, etwa einem Kondensator, gespeist werden kann und so eine hohe Ausfallsicherheit insbesondere für die Verwendung in einer

Sicherheitsbremseinrichtung gegeben ist.

Für die gewählte Kinematik mit einer Getriebetotlage kann die Agonist-Antagonist-Bauweise am einfachsten durch eine symmetrische Anordnung der Zugkräfte erzeugenden

Formgedächtniselemente zu beiden Seiten des Getriebes realisiert werden. Dadurch entsteht eine langbauende Ausführung. Eine kleinere Bauform kann mit einer asymmetrischen

Anordnung erzielt werden, wenn eines der Formgedächtniselemente über eine Umlenkung geführt wird. Diese Bauform hat den Nachteil, dass der über die Umlenkung ablaufende Abschnitt des Formgedächtniselements bei einer Stellbewegung stark beansprucht wird und die daraus resultierende Abnutzung die Standzeit begrenzt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch den Wärmeverlust im umlaufenen Abschnitt aufgrund des thermischen Kontakts zum

Umlenkungskörper, der die Aktorwirkung verringert. In einem weiteren Schritt haben die Erfinder erkannt, dass dann eine besonders kompakte Aktoranordnung entsteht, wenn die Formgedächtniselemente des Agonist-Stellelements in einem gemeinsamen Bauraum gegenläufig verlaufen und keines der beiden Stellelemente einen direkten Zug auf ein Gelenk oder ein Glied des Getriebes bewirkt und stattdessen ein oder mehrere kraftübertragende Zwischenelemente zur mittelbaren Triebverbindung zum Getriebe genutzt werden. Damit wird erfindungsgemäß für den Agonist und den Antagonist der von den Formgedächtniselementen erzeugte Zug in eine Schubkraft umgelenkt ohne dass die Formgedächtniselemente selbst bis auf die endseitige Einspannung in Kontakt zu einem weiteren Bauteil stehen.

Bevorzugt werden die Führungen der Zwischenelemente tragenden Gehäuseteile zur

Abstützung der beweglichen Halterungen der Formgedächtniselemente verwendet, sodass eine kompakte Aktoranordnung entsteht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die

Formgedächtniselemente des Agonist-Stellelements und des Antagonist-Stellelements auf ein gemeinsames Zwischenelement wirken. Ein zusätzlicher Vorteil der mittelbaren Ankopplung der Stellelemente an das Getriebe resultiert aus einer vereinfachten Montage der

Formgedächtniselemente.

Für die erfindungsgemäße Aktoranordnung geht das erste Ende eines ersten

Formgedächtniselements, das dem Agonist-Stellelement zugeordnet ist, von einer ersten gestellseitigen Halterung aus. Unter einer gestellseitigen Halterung wird eine Komponente verstanden, die nicht in Triebverbindung zu einem Gelenk oder einem beweglichen

Getriebeglied steht. Das zweite Ende des ersten Formgedächtniselements ist an einer ersten beweglichen Halterung derart befestigt, dass die bei der Aktivierung des

Formgedächtniselements entstehenden Zugkräfte übertragen werden. Die erste bewegliche Halterung steht über mindestens ein relativ zur Gestellvorrichtung verschiebbares

Zwischenelement, das bevorzugt als Starrelement ausgebildet ist, in mittelbarer

Triebverbindung zum Getriebe. Besonders bevorzugt ist dem Zwischenelement eine

gehäuseseitige Führung zugeordnet.

Für das Antagonist-Stellelement wird eine entsprechende Anordnung verwendet. Das erste Ende des zweiten Formgedächtniselements geht von einer zweiten gestellseitigen Halterung aus, wobei für eine bevorzugte Ausgestaltung die zweite gestellseitige Halterung relativ zum Getriebe gegenüberliegend zur ersten gestellseitigen Halterung angeordnet ist. Das zweite Ende des zweiten Formgedächtniselements ist an einer zweiten beweglichen Halterung befestigt, die wenigstens mittelbar mit einem Zwischenelement gekoppelt ist, das relativ zur

Gestellvorrichtung verschiebbar ist. Das Zwischenelement steht in Triebverbindung zum

Getriebe und ist so angeordnet, dass eine Zugbewegung des zweiten Formgedächtniselements in eine auf das Getriebe wirkende Schubbewegung umgelenkt wird. Für eine bevorzugte Ausführung sind die erste bewegliche Halterung und die zweite bewegliche Halterung wenigstens mittelbar mit demselben Zwischenelement verbunden, um gehäuseseitige

Führungskomponenten kleinbauend auszubilden. Für eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sind der erste beweglichen Halterung und der zweiten beweglichen Halterung separate

Zwischenelemente zugeordnet, um die Parallelanordnung der Formgedächtniselemente konstruktiv einfach aufbauen zu können.

Des Weiteren sind bevorzugt die erste und die zweite gestellseitige Halterung und/oder die erste und die zweite bewegliche Halterung so mit einem Umlenkkörper zur Führung eines Formgedächtniselements ausgestaltet, dass die Formgedächtniselemente des Agonist- Stellelements und/oder des Antagonist-Stellelements in Schlaufen um die jeweilige

Drahtaufnahme und gestellseitige Halterung geführt sind.

Bevorzugt wird eine Befestigung der Umlenkkörper an der jeweilige Halterung mittels eines Drehgelenks. Diese Maßnahme ermöglicht eine Ausgleichbewegung zwischen mehreren parallel verlaufenden Wirkabschnitten eines Formgedächtniselements, das in Form geschlossener Schlaufen um die Umlenkkörper geführt ist. Des Weiteren ist es für eine solche Halterung möglich, mit einem Justageelement den Relativabstand zum Gehäuse und die gewünschte Spannung im Formgedächtniselement einzustellen. Auf diese Weise resultiert eine einfache Montage eines mit Mehrfachwicklungen in Form geschlossener Schlaufen angeordneten Formgedächtniselements, wobei durch die Wahl der Anzahl der Wicklungen eine Anpassung der von den Formgedächtniselementen aufgebrachten Stellkräfte erzielt werden kann. Dabei stellen die freien Abschnitte der geschlauften Formgedächtniselemente zwischen der gestellseitigen Halterung und der beweglichen Halterung die aktivierbaren Aktorteile dar.

Werden die Formgedächtniselemente in Form von Schlaufen oder als Mehrfachwicklung angelegt, kann dem Verlauf des Formgedächtniselements des jeweiligen Stellelements eine gemittelte Verlaufsebene zugeordnet werden. Unter einer gemittelten Verlaufsebene wird vorliegend eine Näherungsebene verstanden, die einer Mittelung des räumlichen Verlaufs der aktivierbaren Aktorteile eines Formgedächtniselements entspricht. Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist eine erste gemittelte Verlaufsebene des

Formgedächtniselements des Agonist-Stellelements parallel zu einer zweiten gemittelten Verlaufsebene des Formgedächtniselements des Antagonist-Stellelements angeordnet.

Bevorzugt wird ein Winkel zwischen der ersten gemittelten Verlaufsebene und der zweiten gemittelten Verlaufsebene im Bereich von 0° - 35°, besonders bevorzugt im Bereich von 0° - 10°. Für eine alternative Ausführung stehen die mittleren Verlaufsebenen der

Formgedächtniselemente des Agonist-Stellelements und der Formgedächtniselemente des Antagonist-Stellelements in Winkelstellung mit größer als 35°, insbesondere in rechtwinkliger Stellung.

Als Getriebe mit Totlage für die erfindungsgemäße Aktoranordnung wird bevorzugt ein

Schubkurbelgetriebe verwendet. Alternativ kann der Kniehebel mit Totpunkt durch ein

Kurvengetriebe ausgestaltet werden. Auch Getriebe mit mehr als drei Getriebegliedern sind denkbar. Besonders bevorzugt werden ferner Koppelgetriebe insbesondere Viergelenkgetriebe mit einer Totlage, insbesondere für Anwendungen, für die eine Klemm- oder Spannkraft erzeugt werden muss.

In Abhängigkeit des gewählten Getriebes und des Krafteinleitungspunkts der

Formgedächtnissteller am Getriebe ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an den Stellweg vom Übergang von der ersten Betriebsstellung in die zweite Betriebsstellung. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Hubbewegung in einem kleinen Bereich um den Totpunkt, die mittels des Agonist-Stellelements und des Antagonist-Stellelements durch eine Längenveränderung der Formgedächtniselemente bestrichen wird. Bei einer Weitergestaltung der Erfindung wird zur Erweiterung der Hublänge ein Zusatzaktor verwendet, der bevorzugt einen weiten Hub in einem Bereich ausführt, in dem die Stellkräfte noch niedrig sind. Als Zusatzaktor kommen insbesondere ein Spindelantrieb oder ein pneumatischer Aktor und auch ein Handhebel infrage. Dabei verlagert der Zusatzaktor eine Teilkomponente der

Gesteilvorrichtung, die die Formgedächtnissteller trägt, in einen Arbeitsbereich nahe des Totpunkts, in dem hohe aktorische Stellkräfte erforderlich sind. Bevorzugt erzeugt der

Zusatzaktor am Ende des Annäherungshubs eine hinreichend hohe Rastkraft, sodass für die Formgedächtnissteller ein sicheres Widerlager vorliegt. Zu diesem Zweck kann der Zusatzaktor eine schaltbare Klemm- oder Rasteinrichtung aufweisen.

Die erfindungsgemäße Aktoranordnung wird bevorzugt zur Ausführung von Sicherheitsbremsen oder für automatische oder halbautomatisch wirkende Klemm- oder Spannwerkzeuge verwendet. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zeichnet sich durch eine wechselnde Ansteuerung des Agonist- und des Antagonist-Stellelements aus, wobei für eine bevorzugte Weitergestaltung der Erfindung die Speisung wenigstens eines der beiden Stellelemente und zumindest für eine einmalige Ausführung eines Stellbewegung zwischen den Betriebsstellungen aus einem Energiespeicher erfolgt.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungsbeispiele der Erfindung im Zusammenhang mit Figurendarstellungen erläutert. Diese zeigen Folgendes: Fig. 1 zeigt in teilangeschnittener Seitenansicht eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktoranordnung in der ersten Betriebsstellung.

Fig. 2 zeigt Schnitt A-B von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in teilangeschnittener Seitenansicht eine erste Ausgestaltung gemäß Fig. 1 in der zweiten Betriebsstellung.

Fig. 4 zeigt Schnitt A-B von Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktoranordnung in der ersten Betriebsstellung für Schnitt D-D von Fig. 5.

Fig. 6 zeigt Schnitt C-C von Fig. 5.

Fig. 7 zeigt die zweite Ausgestaltung gemäß Fig. 5 in der zweiten Betriebsstellung.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Aktoranordnung mit einem

Zusatzaktor in Seitenansicht in der ersten Betriebsstellung.

Fig. 9 zeigt die Ausführung gemäß Fig. 8 in der zweiten Betriebsstellung.

Fig. 1 zeigt in schematisch vereinfachter, teilangeschnittener Seitenansicht eine erste

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aktoranordnung 1. Die Aktoranordnung 1 umfasst eine Gesteilvorrichtung 2, die für die dargestellte erste Ausführungsform aus umgeformten Blechteilen besteht. Ein entlang A-B ausgeführter Schnitt, dargestellt in Fig. 2, zeigt, dass die Gesteilvorrichtung 2 ein erstes Gehäuseteil 37.1 und ein zweites Gehäuseteil 37.2 umfasst, die unter Bildung eines als Kulissenführung dienenden Zwischenspalts 38 miteinander verschraubt sind.

Innerhalb der Gesteilvorrichtung 2 ist ein Getriebe 3 mit den Gelenkgliedern 29.1, 29.2 und den Drehgelenken 28.1, 28.2 und 28.3 angeordnet, von denen nur das untere Drehgelenk 28.1 an der Gestellvorrichtung 2 drehbar gelagert ist. Durch die seitliche Führung des

Lastaufnehmers 27 in der Gestellvorrichtung 2 und die Verbindung zum das Abtriebsglied 4 bildenden oberen Gelenkglied 29.2 über das Drehgelenk 28.3 entsteht eine Kniehebel-Kinematik ausgeführt als Schubkurbelgetriebe 24. Durch die vordere Wandung der Gestellvorrichtung 2 und den verstellbaren Anschlag 42 werden Grenzlagen des Getriebes 3 außerhalb der Totlage festgelegt. Für die in Fig. 1 und 2 gezeigte erste Betriebsstellung 5 befindet sich der Lastaufnehmer 27 in einer abgesenkten Stellung, die nach einer Aktivierung des als Agonist-Stellelements 8 wirkenden Formgedächtnisstellers 7.1 erreicht wird. Fig. 2 verdeutlicht mit einem Pfeil die Agonist-Zugrichtung 60, die auf ein Zwischenelement 18 übertragen wird, welches als

Schubstange auf das mittlere Drehgelenk 28.2 des Getriebes 3 wirkt.

Die zweite Betriebsstellung 6 ist in Fig. 3 und 4 dargestellt. Gezeigt ist die angehobene Stellung des Lastaufnehmers 27, die durch die Aktivierung des in den Schnittdarstellungen gezeigten Antagonist-Stellelements 9 mit dem Formgedächtnisstellers 7.2 erreicht wird. Die durch einen Pfeil verdeutlichte Antagonist-Zugrichtung 61 führt zu einer Bewegung des Zwischenelements 18 gegen den Anschlag 42. Entsprechend wird am Getriebe 3 das mittlere Drehgelenk 28.2 um den Stellweg W in der Gestellvorrichtung 2 verlagert und das Getriebe 3 über den Totpunkt in die dargestellte zweite Betriebsstellung 6 geführt, für die ein Vertikalhub H des

Lastaufnehmers 27 resultiert.

Im Folgenden wird der Aufbau der Stellelemente anhand des Formgedächtnisstellers 7.1 beschrieben. Dieser umfasst ein Formgedächtniselement 10.1, das für das dargestellte

Ausführungsbeispiel als geschlossene Schlaufe 19 eines Formgedächtnisdrahts angelegt ist. Die geschlossene Schlaufe 19 wird um einen Umlenkkörper 35.1 an einer ersten gestellseitigen Halterung 12, die an der Gestellvorrichtung 2 drehbar fixiert ist, und um einen Umlenkkörper 35.2 an einer ersten bewegliche Halterung 13 geführt. Die Schnittansicht aus Fig. 2

verdeutlicht, dass mehrere parallel angeordnete geschlossene Schlaufen 19.1. 19.2, 19.3 vorliegen, sodass durch eine Mehrfachwicklung 22 eine Verstärkung der Stellkräfte erzielt wird.

Durch die Ausbildung des ersten Formgedächtniselements 10.1 als geschlossenen Schlaufe 19 liegen zwei freie Abschnitte 49.1, 49.2 des ersten Formgedächtniselements 10.1 ohne

Bauteilberührung vor, die zwei aktivierbare Aktorteile zur Ausführung einer Stellbewegung bilden. Dabei reicht der freie Abschnitte 49.1 vom ersten Ende des ersten

Formgedächtniselements 11.1 an der ersten gestellseitigen Halterung 12 bis zum zweiten Ende des ersten Formgedächtniselements 16.1 an der ersten beweglichen Halterung 13 und der freie Abschnitte 49.2 vom ersten Ende des ersten Formgedächtniselements 11.2 an der ersten gestellseitigen Halterung 12 bis zum zweiten Ende des ersten Formgedächtniselements 16.2 an der ersten beweglichen Halterung 13. Unter Bestromung erhitzen sich die freien

Drahtabschnitte 49.1, 49.2 des ersten Formgedächtniselements 10.1 und verkürzen sich um 2 - 4 % bei einer Gefügeumwandlung von einem Martensit- zu einem Austentitgefüge. Die erfindungsgemäße mittelbare Kopplung des Agonist-Stellelements 8 an das

Zwischenelement 18 ist aus Fig. 2 ersichtlich. Dargestellt ist eine Fixierung der ersten beweglichen Halterung 13 an einer mit dem Zwischenelement 18 verschraubten ersten

Führungsplatte 62. Entsprechend besteht eine Wirkverbindung zwischen dem Antagonist- Stellelement 9 und dem Zwischenelement 18 durch eine Fixierung der zweiten beweglichen Halterung 17 an einer zweiten Führungsplatte 63, die eine Schraubverbindung zum

Zwischenelement 18 aufweist.

Zur Führung ist die Materialstärke der verschraubten beweglichen Komponente, bestehend aus der ersten Führungsplatte 62, dem Zwischenelement 18 und der zweiten Führungsplatte 63 derart an die Breite des Zwischenspalts 38 zwischen dem ersten Gehäuseteil 37.1 und 37.2 angepasst, dass die Außenflächen der Führungsplatten 62, 63 an den Innenseiten der

Gehäuseteile 37.1, 37.2 entlanggleiten. Zusätzlich weisen die Führungsplatten 62, 63 L-förmig abgekantete Tragarme 65, 66 auf, die zur Vertikalabstützung dienen. Für den ersten Tragarm 65 zeigt Fig. 1, dass dieser passgenau gegenüber einer ersten Längsöffnung 64.1 im ersten Gehäuseteile 37.1 gearbeitet ist, während der Körper der ersten Führungsplatte 62 gegenüber der ersten Längsöffnung 64.1 Übermaß aufweist. Damit folgt eine Lastabstützung an der Kante der ersten Längsöffnung 64.1. Entsprechend dient der zweite Tragarm 66 an der zweiten Führungsplatte 63 zur Abstützung an der zweiten Längsöffnung 64.2 im zweiten Gehäuseteil 37.2.

Zur Einstellung des Längsabstands zwischen der ersten gestellseitigen Halterung 12 und der ersten beweglichen Halterung 13 dient eine Stellschraube 67.1 am ersten Tragarm 65 in Verbindung mit einer Längseinstellbarkeit der Verschraubung zwischen der ersten

Führungsplatte 62 und dem Zwischenelement 18. Damit kann das erste Formgedächtniselement 10.1 vorgespannt werden. Entsprechend erfolgt die Einstellung des zweiten

Formgedächtniselements 10.2 über eine Stellschraube 67.2 am zweiten Tragarm 66, die den Abstand zwischen der zweiten gestellseitigen Halterung 15 und der zweiten beweglichen Halterung 17 anpasst. Demnach erlaubt die mittelbare Kopplung des Agonist-Stellelements 8 und des Antagoniststellelements 9 über ein Zwischenelement 18 eine montagefreundliche Anordnung der Formgedächtniselemente 10.1, 10.2.

Des Weiteren verdeutlichen Figuren 1 - 4 für die erste Ausführungsform, dass sich die

Formgedächtniselemente 10.1, 10.2 des Agonist-Stellelements 8 und des Antagoniststellelements 9 in einem gemeinsamen Bauraum R befinden. Diese kompakte Bauweise wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, indem die erste gestellseitige Halterung 12 näher an der zweiten beweglichen Halterung 17 angeordnet ist als an der ersten beweglichen Halterung 13. Zusätzlich liegt die zweite gestellseitige Halterung 15 näher an der ersten beweglichen

Halterung 13 als an der zweiten beweglichen Halterung 17.

Fig. 5 - 7 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei Fig. 5 Schnitt D-D aus Fig. 6 in der ersten Betriebsstellung 5 und Fig. 7 Schnitt D-D in der zweiten Betriebsstellung 6 darstellt. Fig. 6 ist stellt die Schnittansicht C-C aus Fig. 5 dar. Als Getriebe 3 wird ein Kurvengetriebe 26 verwendet, das einen durch ein Drehgelenk 28.4 an einem Gehäuse 30 gelagerten

Kurvenkörper 43 aufweist. Das an der Spitze des Kurvenkörpers 43 angeordnete Abrollelement 69 liegt in Anlage zur Unterseite eines Lastaufnehmers 27.2, sodass beim Verschwenken des Kurvenkörpers 43 von der in Fig. 5 gezeigten Anlage am ersten Anschlag 42.1 zu der in Fig. 6 dargestellten Anlage am zweiten Anschlag 42.2 der Lastaufnehmer 27.2 angehoben wird.

Der Übergang zwischen der ersten Betriebsstellung 5 und der zweiten Betriebsstellung 6 erfolgt mittels einer Aktoranordnung 1, die ein Agonist-Stellelement 8 mit einem ersten

Formgedächtniselement 10.1 und ein Antagonist-Stellelement 9 mit einem zweiten

Formgedächtniselement 10.2 umfasst. Die Formgedächtniselemente 10.1, 10.2 sind als flächige Membranen aus einem Einweg-Formgedächtnismaterial aufgebaut.

Das erste Formgedächtniselement 10.1 ist zwischen einer ersten gestellseitigen Halterung 12 und einer gegenüberliegend zum Getriebe 3 angeordneten ersten beweglichen Halterung 13 aufgespannt. Die erste bewegliche Halterung 13 ist drehbar an einem ersten Zwischenelement 18.1 befestigt, das Stellkräfte auf ein Drehgelenk 28.5 am Kurvenkörper 43 überträgt. Hierzu wird das ersten Zwischenelement 18.1 längs- und winkelbeweglich an einer drehbar am Gestell 30 befestigten Führungsbuchse 68.1 gehaltert.

Entsprechend erstreckt sich das zweite Formgedächtniselement 10.2 zwischen einer zweiten gestellseitigen Halterung 15 und einer zweiten beweglichen Halterung 17. Die zweite gestellseitige Halterung 15 und die zweite bewegliche Halterung 17 sind auf unterschiedlichen Seiten des Getriebes 3 angeordnet. Erfindungsgemäß ist die erste gestellseitige Halterung 12 näher an der zweiten beweglichen Halterung 17 angeordnet als an der ersten beweglichen Halterung 13. Zusätzlich liegt zweite gestellseitige Halterung 15 näher an der ersten beweglichen Halterung 13 als an der zweiten beweglichen Halterung 17.

Zur mittelbaren Kraftübertragung ist die zweite bewegliche Halterung 17 drehbar an einem zweiten Zwischenelement 18.2 befestigt, das Schubkräfte auf ein Drehgelenk 28.6 am

Kurvenkörper überträgt. Zur Führung des zweiten Zwischenelements 18.2 dient die

Führungsbuchse 68.2, die drehbar am Gehäuse 30 befestigt ist und die eine längs- und winkelbewegliche Führung des zweiten Zwischenelement 18.2 ermöglicht. Durch die Zuordnung jeweils separater Zwischenelemente 18.1, 18.2 für das erste und zweite Formgedächtniselement 10.1, 10.2 kann eine konstruktiv einfache und montagefreundliche Aktoranordnung 1 mit einem zentral eingebauten Getriebe 3 realisiert werden. Für eine nicht dargestellte Weitergestaltung können die flächigen Formgedächtniselemente 10.1, 10.2 in mehrfach geschleifter Bauweise realisiert werden.

Fig. 8 zeigt in schematisiert vereinfachter Seitenansicht eine Weitergestaltung mit einem

Getriebe 3 in Form eines Koppelgetriebes, insbesondere eines Viergelenkgetriebes 25. Die dargestellte Vorrichtung dient als Spann- und Klemmwerkzeug zum Fassen eines Werkstücks 51. Gezeigt sind die Drehgelenke 28.1 - 28.4. Das Drehgelenk 28.1 stellt eine Verbindung zwischen dem Gestell 30 und dem Gelenkglied 29.1 her. Das Gelenkglied 28.2 verbindet die Gelenkglieder 29.1 und 29.2 und das Drehgelenk 28.3 definiert den Drehpunkt zwischen dem Gelenkglied 29.2 und dem Gelenkglied 29.3. Ein weiterer Drehpunkt am Gestell 30 stellt das Drehgelenk 28.4 dar, das zur Führung des Gelenkglieds 29.3 dient. Die sich aus dieser

Gliederkopplung ergebende Kinematik des Getriebes 3 ist für eine erste Betriebsstellung 5 vor der Totlage in Fig. 8 dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Offenstellung des

Klemmwerkzeugs. In der zweiten, in Figur 9 dargestellten zweiten Betriebsstellung 6 etwas über die Totlage hinaus erfolgt ein Fassen des Werkstücks 51 durch die mit Elastizitäten versehenen Klemmschuhe 52.1, 52.2.

Erfindungsgemäß weist die Aktoranordnung einen Getriebeantrieb mit

Formgedächtniselementen mit einer Ausgestaltung gemäß des nachfolgenden Anspruchs 1 auf. Die schematisch vereinfachte Darstellung skizziert ein Agonist-Stellelement 8 mit einem ersten Formgedächtniselement 10.1 und ein Antagonist-Stellelement 9 mit einem zweiten

Formgedächtniselement 10.2, die über ein Zwischenelement 18 auf ein Getriebe 3 mit Totlage wirken, wobei das erste und das zweite Formgedächtniselement 10.1 und 10.2 im gleichen Bauraum R liegen,

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Getriebeantrieb einen Zusatzaktor 32, beispielsweise einen Spindelantrieb oder einen pneumatischen Stellzylinder, der einen weiten Hub mit geringer Stellkraft ausführt. Unmittelbar vor dem Totpunkt erfolgt eine Fixierung des Zusatzaktors 32, um einen kleinen Hub mit hoher Stellkraft mit dem Formgedächtniselement 10.1 des Agonist-Stellelements 8 bis in die in Figur 9 gezeigte, zweite Betriebsstellung 6 auszuführen. Die Rückwärtsbewegung, wiederum über die Totlage, erfolgt durch Aktivierung des zweiten Formgedächtniselements 10.2 des Antagonist-Stellelements 9. Für den Betrieb der Formgedächtnissteller sind nur eine geringe Energiemenge für eine kurze Zeitdauer aufzubringen, die in einer ausfallsicheren und auch transportablen Ausführung aus einer Energiespeichereinheit 31 der erfindungsgemäßen Aktoranordnung zumindest für die Ausführung einer Hubbewegung abrufbar ist.

Bezugszeichen Aktoranordnung

Gestellvorrichtung

Getriebe

Abtriebsglied

erste Betriebsstellung

zweite Betriebsstellung

, 7.2 Formgedächtnissteller

Agonist-Stellelement

Antagonist-Stellelement

.1 erstes Formgedächtniselement

.2 zweites Formgedächtniselement

.1, 11.2 erstes Ende des ersten Formgedächtniselements erste gestellseitige Halterung

erste bewegliche Halterung

.1 erstes Ende des zweiten Formgedächtniselements zweite gestellseitige Halterung

.1, 16.2 zweites Ende des ersten Formgedächtniselements zweite bewegliche Halterung

Zwischenelement

.1 erstes Zwischenelement

.2 zweites Zwischenelement

, 19.1,

.2, 19.3 geschlossene Schlaufe

Mehrfachwicklung

Schubkurbelgetriebe

Viergelenkgetriebe

Kurvengetriebe

, 27.2 Lastaufnehmer

.1, 28.2,

.3, 28.4

.5, 28.6 Drehgelenk

.1, 29.2

.3 Gelenkglied

Gestell 1 Energiespeichereinheit 2 Zusatzaktor

3 lastaufnehmendes Element 4 elastische Kopplung 5.1, 35.2 Umlenkkörper

7.1, 37.2 Gehäuseteil

8 Zwischenspalt

2,

2.1, 42.2 Anschlag

3 Kurvenkörper

9.1, 49.2 freier Abschnitt

50.1 zweites Ende des zweiten F

51 Werkstück

52.1, 52.2 Klemmschuh

60 Agonist-Zugrichtung

61 Antagonist-Zugrichtung

62 erste Führungsplatte

63 zweite Führungsplatte

64.1 erste Längsöffnung

64.2 zweite Längsöffnung

65, 66 Tragarm

67.1, 67.2 Stellschraube

68.1, 68.2 Führungsbuchse

69 Abrollelement

H Vertikalhub

W Stellweg

R Bauraum

Claims

Patentansprüche

1. Aktoranordnung umfassend

eine Gesteilvorrichtung (2);

ein an der Gestellvorrichtung (2) gelagertes Getriebe (3) mit einem Abtriebsglied (4), wobei die Kinematik des Getriebes (3) eine erste Betriebsstellung (5) und eine zweite Betriebsstellung (6) umfasst und die zweite Betriebsstellung (6) eine Grenzlage des Getriebes (3) darstellt; und

wobei das Getriebe (3) so ausgestaltet ist, dass beim Übergang von der ersten

Betriebsstellung in die zweite Betriebsstellung (6) das Abtriebsglied (4) eine Totlage durchläuft;

einen Getriebeantrieb mit Formgedächtnisstellern (7.1, 7.2), umfassend ein Agonist- Stellelement (8) und ein Antagonist-Stellelement (9), wobei der Getriebeantrieb so ausgelegt ist, dass das Agonist-Stellelement (8) eine Getriebebewegung von der ersten zur zweiten Betriebsstellung und das Antagonist-Stellelement (9) eine Getriebebewegung von der zweiten zur ersten Betriebsstellung antreiben;

dadurch gekennzeichnet, dass

das Agonist-Stellelement (8) ein erstes Formgedächtniselement (10.1) und das

Antagonist-Stellelement (9) ein zweites Formgedächtniselement (10.2) umfassen, die jeweils bei einer Aktivierung eine Längenkontraktion aufweisen; und

wobei das erste Ende des ersten Formgedächtniselements (11.1, 11.2) von einer ersten gestellseitigen Halterung (12) ausgeht und das zweite Ende des ersten

Formgedächtniselements (16.1, 16.2) an einer ersten beweglichen Halterung (13) befestigt ist, die über ein Zwischenelement (18, 18.1) in mittelbarer Triebverbindung zum Getriebe (3) steht; und

wobei das erste Ende des zweiten Formgedächtniselements (14.1) von einer zweiten gestellseitigen Halterung (15) ausgeht und das zweite Ende des zweiten

Formgedächtniselements (50.1) an einer zweiten beweglichen Halterung (17) befestigt ist, die über ein Zwischenelement (18, 18.2) in mittelbarer Triebverbindung zum Getriebe (3) steht; und

wobei die erste gestellseitige Halterung (12) näher an der zweiten beweglichen Halterung (17) als an der ersten beweglichen Halterung (13) angeordnet ist; und

die zweite gestellseitigen Halterung (15) näher an der ersten beweglichen Halterung (13) als an der zweiten beweglichen Halterung (17) angeordnet ist.

2. Aktoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste bewegliche Halterung (13) mit einem ersten Zwischenelement (18.1) und die zweite bewegliche Halterung (17) mit einem zweiten Zwischenelement (18.2) verbunden sind.

3. Aktoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste bewegliche Halterung (13) und die zweite bewegliche Halterung (17) wenigstens mittelbar mit einem direkt mit dem Getriebe (3) in Triebverbindung stehenden Zwischenelement (18) verbunden sind.

4. Aktoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtniselemente (10.1, 10.2) Formgedächtnisdrähte und/oder

Formgedächtnismembranen sind.

5. Aktoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die

Formgedächtniselemente des Agonist-Stellelements (8) und/oder des Antagonist- Stellelements (9) geschlossene Schlaufen (19) bilden.

6. Aktoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Formgedächtniselemente (10.1, 10.2) in Form von

Mehrfachwicklungen (22) zwischen der ersten gestellseitigen Halterung (12) und der ersten beweglichen Halterung (13) und zwischen der der zweiten gestellseitigen

Halterung (15) und der zweiten beweglichen Halterung (17) angeordnet sind.

7. Aktoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten beweglichen Halterung (13) und/oder der ersten beweglichen Halterung

(17) eine Stellschraube (67.1, 67.2) zur Einstellung der Relativlage zum Zwischenelement

(18) zugeordnet ist.

8. Aktoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (3) ein Schubkurbelgetriebe (24) oder ein Koppelgetriebe, bevorzugt ein Viergelenkgetriebe (25), oder ein Kurvengetriebe (26) ist.

9. Aktoranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebeantrieb mit einer Energiespeichereinheit (31) zur Aktivierung des ersten Formgedächtniselements (10.1) und/oder des zweiten Formgedächtniselements (10.2) verbunden ist.

Aktoranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebeantrieb einen Zusatzaktor (32) umfasst, der so ausgelegt ist, dass eine Stellbewegung des Zusatzaktors (32) die gestellseitige Halterung (12, 15) zusammen mit einem Gestellelement verlagert ohne ihre wechselseitige Relativlage zu verändern.