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Dokumentenidentifikation DE102006030140A1 03.01.2008
Titel Aktuator basierend auf einer Formgedächtnislegierung
Anmelder Meidinger, Norbert, 90453 Nürnberg, DE
DE-Anmeldedatum 29.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006030140
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G12B 1/02(2006.01)A, F, I, 20060629, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16K 31/02(2006.01)A, L, I, 20060629, B, H, DE   
Zusammenfassung Aktuator zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen für die Verstellung von Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaklappen, Luftausströmern oder für Innen- oder Außenspiegel oder als Verstell-, Öffnungs- oder Schließmechanismen allgemeiner Art, beispielsweise für Displays, Flaschenhalter, Handschuhfach, Klappen.
Der Aktuator besteht aus mindestens einer Formgedächnislegierung. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung kommt es zu einer Längenänderung der Formgedächtnislegierung. Diese wird durch Transformation mittels eines Getriebes oder durch eine Kinematik in eine lineare oder rotatorische Bewegung des Abtriebs umgewandelt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator, insbesondere zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen, für die Verstellung von Heizungs-, Lüftungs-, oder Klimaklappen, Luftausströmern, oder für Innen-, oder Außenspiegel oder als Verstell.- Öffnungs.- oder Schließmechanismus allgemeiner Art, sozusagen für Displays, Flaschenhalter, Handschuhfach, Klappen nach Anspruch 1.

Es sind Aktuatoren für Heizungs-, Lüftungs-, oder Klimaklappen im Kraftfahrzeug bereits bekannt. Unter DE000019906693C1 ist ein Stellantrieb auf Basis eines Gleichstrommotors genannt. Unter US000006853160B1 ist ein Stellantrieb auf Basis eines Schrittmotors genannt. Spiegelantriebe sind ebenfalls bekannt unter DE000019912685A1. Da die Funktionen des Aktuators – wie Linearbewegung oder Drehbewegung – auch für Verstell-, Öffnungs-, oder Schließmechanismen allgemeiner Art verwendet werden, hat sich das Einsatzgebiet der Aktuatoren auch auf versenkbare Displays, ausfahrbare Flaschenhalter, Handschuhfächer oder Klappenöffnungsmechanismen erweitert.

Der technologische Lösungsansatz bekannter Aktuatoren entspricht in jedem Fall dem Prinzip eines Gleichstrommotors oder eines Schrittmotors.

Bei den bekannten Aktuatoren ergeben sich aufgrund des gewählten Technologiekonzeptes einige Nachteile. Der Motor besteht aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten die aufeinander abgestimmt werden müssen. Schnell rotierende Wellen oder Getriebe verursachen hohen Verschleiß und Geräusche. Die Verwendung von Kupfer für die Wicklung des Stators hat Einfluss auf das Gewicht. Entstörmaßnahmen zur Erfüllung der gesetzlichen Normen sind komplex. Der Herstellprozess ist aufwendig und kostenintensiv.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator vorzuschlagen, der auf Basis einer Formgedächtnislegierung aufgebaut ist und durch Anlegen einer elektrischen Spannung, mittels Transformation, in Form eines mechanischen Getriebes, oder durch eine Kinematik, eine lineare oder rotarische Bewegung des Abtriebs hervorruft.

Erfindungsgemäß ersetzt die Formgedächtnislegierung den Motor.

Das Antriebselement ist eine Formgedächtnislegierung. Diese besteht aus einer speziellen Legierung z.B. Nickel Titan, mit den Eigenschaften sich bei Zuführung von Energie wieder in die vorher eingelernte Form oder Ausgangslage zu begeben.

Vorteilhaft ist im einfachsten Fall eine Formgedächtnislegierung in Drahtform die genutzt wird, um mittels Transformation eine lineare oder rotarische Bewegung des Abtriebs herbeizuführen.

Die Aktivierung des Aktuators erfolgt erfindungsgemäß über das Anlegen einer elektrischen Spannung. Durch Stromfluss in Verbindung mit dem elektrischen Widerstand der Formgedächtnislegierung, ergibt sich eine Erwärmung der Formgedächtnislegierung. Ab einer bestimmten Grenztemperatur tritt der Effekt des Phasenübergangs von Austenite nach Martensite ein und die Formgedächtnislegierung nimmt ihre eingelernte Form ein. Der Prozess ist reversibel. D. h. bei einem Abschalten der Spannung erkaltet die Formgedächtnislegierung, geht unter die Grenztemperatur und nimmt damit wieder die Normallage ein.

Besonders vorteilhaft ist, wie erfindungsgemäß dargestellt, die Transformation mit Getriebeüber-, bzw. untersetzungen oder Kinematiken beispielsweise Pleuelstangen durchzuführen um eine Linear-, oder Drehbewegung des Abtriebs herbeizuführen.

Vorteilhaft ist die erfindungsgemäß dargestellte starre Pleuelstange die im Vergleich zur Getriebelösung einen unbegrenzten Drehwinkel hat.

Insbesondere Vorteilhaft ist die Verwendung einer geknickten Pleuelstange mit der die Vorzugsdrehrichtung durch Änderung der Lage des Knickpunktes, des Pleues, gewählt werden kann. Mit diesem erfindungsgemäßen Lösungsansatz bewegt sich der Abtrieb des Aktuators vorwärts und rückwärts mit unbegrenztem Drehwinkel.

Die Materialeigenschaften der Formgedächtnislegierung lassen in Abhängigkeit des Materials und Herstellverfahrens nur maximal 2 Zwischenzustände in Bezug auf die Längenänderung zu. Erfindungsgemäß wird eine exakte Positionierung des Abtriebs durch verschiedene Maßnahmen erreicht.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Formgedächtnislegierung als Spannungsteiler ausgeführt. Somit erfolgt der Phasenübergang von Austenite nach Martensite nur in dem bestromten Zweig. D. h. nur ein Teilbereich in Bezug auf die Länge der Formgedächtnislegierung ist wirksam.

Vorzugsweise wird das Prinzip des Spannungsteilers auf mehrere Formgedächtnislegierungen übertragen, die unterschiedliche Ausgangslängen haben. Die Kombinationsmöglichkeit von Spannungsteiler und/oder Ausgangslänge führt zu einer deutlich höheren Positioniergenauigkeit des Abtriebs wenn ausgewählte Zweige oder Spannungsteiler, die nicht miteinander in Verbindung stehen, bestromt werden.

Alternativ dazu kann in Abhängigkeit von der Stellung des Abtriebes die Positionierung wesentlich exakter eingestellt werden. Erfindungsgemäß wird eine elektromechanische Kopplung zwischen Formgedächtnislegierung und Abtrieb vorgenommen. Dies kann im einfachsten Fall ein Schleifkontakt sein, der zwischen Formgedächtnislegierung und Abtrieb interagiert. Diese Kopplung kann alle Systemtoleranzen erfassen und direkt Einfluss auf die Zuführung von Energie und damit die Längenänderung der Formgedächtnis Legierung nehmen.

Eine Alternative, vergleichbar dem Schrittwinkel eines Schrittmotors, kann erfindungsgemäß durch eine mechanisch herbeigeführte Fixierung oder vereinfacht durch Kurzschluss der Formgedächtnislegierung in Teilbereichen bereitgestellt werden.

Insbesondere kann eine berührungslose Bremse oder Kontaktbremse das Abtriebsrad an einer gewünschten Position anhalten. Mit einer Rastfunktion wird der Abtrieb in seiner Position verankert und das System kann in den stromlosen Zustand überführt werden.

Vorteilhaft ist die Verwendung einer Elektronik mit entsprechender Sensorik, die die Position des Abtriebes und den Grad der Längenänderung der Formgedächtnislegierung erfasst. Erfindungsgemäß kann eine präzise Einstellung der Längenänderung der Formgedächtnislegierung in Bezug auf die Stellung bzw. Position des Abtriebs stattfinden.

Erfindungsgemäß kann mit einer Memoryfunktion eine Standardeinstellung in Bezug auf beispielsweise den Drehwinkel eines rotarisch aufgebauten Abtriebs abgerufen werden. Die Elektronik berechnet selbständig die erforderliche Energiezufuhr und Bremspunkte um das Abtriebsrad z.B. um 30° zu verstellen.

Der erfindungsgemäße Aktuator eignet sich insbesondere als Ersatz bisher gängiger Aktuatoren bzw. Stellantriebe.

Die Vorteile des Aktuators liegen in der Gewichtseinsparung, Einfachheit, Wirtschaftlichkeit und in der deutlichen Einsparung von wertvollen Rohstoffen wie Kupfer, da der klassische Motor komplett ersetzt wird.

Die Erfindung wird nachstehend durch Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt:

1 eine vereinfachte Darstellung einer Formgedächtnislegierung. Die Formgedächtnislegierung hat zwei Enden die als Befestigungspunkte gekennzeichnet sind.

2a eine vereinfachte Darstellung der Spannungsversorgung. Durch Anlegen der Spannung fließt Strom durch die Formgedächtnislegierung.

2b eine vereinfachte Darstellung, dass sich die Länge der Formgedächtnislegierung bei Stromdurchfluss verkürzt. Die Formgedächtnislegierung befindet sich unterhalb bzw. oberhalb der Grenztemperatur.

3 eine vereinfachte Darstellung eines Spannungsteilers. In Abhängigkeit des Abgriffs des Spannungsteilers ergeben sich unterschiedliche Teilbereiche bzw. Drahtlängen. Jeder einzelne Drahtabschnitt kann getrennt in seiner Länge durch Stromfluß beeinflusst werden.

4a zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Aufbaus von mehreren Formgedächtnislegierungen die in der Kombination von unterschiedlichen Drahtlängen und getrennter Ansteuerung eine exakte Positionierung des Abtriebs ermöglichen.

4b zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Aufbaus von mehreren Formgedächtnislegierungen die in der Kombination von unterschiedlichen Drahtlängen und getrennter Ansteuerung sowie als Spannungsteiler eine exakte Positionierung des Abtriebs ermöglichen.

5 zeigt eine vereinfachte Darstellung bei der durch einen Kurzschluss oder eine mechanische Kopplung ein Teilbereich der Formgedächtnislegierung inaktiv wird. Der Abtrieb lässt sich damit in fest eingestellten Stufen verstellen.

6 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Stirnradgetriebes mit Außenverzahnung. Durch Bestromung der Formgedächtnislegierung dreht sich das treibende Zahnrad, das getriebene Zahnrad wird automatisch mitbewegt.

7 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Stirnradgetriebes mit Innenverzahnung. Durch Bestromung der Formgedächtnis Legierung dreht sich das treibende Zahnrad, das getriebene Zahnrad wird automatisch mitbewegt.

8 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Planetengetriebes mit beispielsweise 4 Planeten.

9 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Harmonic Drive Getriebes.

10 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Pleuels. Durch Bestromung der Formgedächtnislegierung wird das Pleuel nach unten bewegt. Das Pleuel führt eine Kreisbewegung um den Drehpunkt durch. Das Federelement bringt das System wieder in seine Ausgangslage zurück.

11 zeigte eine vereinfachte Darstellung eines geknickten Pleuels. Das geknickte Pleuel kann bei einer Verlegung des Knickpunkts eine Richtungsumkehr der Vorzugsdrehrichtung herbeiführen, wenn sich das geknickte Pleuel in Abwärtsrichtung befindet.


Anspruch[de]
Aktuator zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen, für die Verstellung von Heizungs-, Lüftungs-, oder Klimaklappen, Luftausströmern, oder für Innen-, oder Außenspiegel oder als Verstell-, Öffnungs-, oder Schließmechanismus allgemeiner Art, beispielsweise für Displays, Flaschenhalter, Handschuhfach, Klappen, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung mindestens einer Formgedächtnislegierung (1a)(1b), und durch Anlegen einer elektrischen Spannung (6), und Transformation, beispielsweise in Form eines mechanischen Getriebes jeglicher Art, das kann heißen Stirnradgetriebe (13)(17), Planetengetriebe (18), oder Harmonic Drive (22), oder durch mindestens eine Kinematik, beispielsweise Pleuelstange (27)(31), eine lineare oder rotarische Bewegung des Abtriebs hervorgerufen wird. Aktuator nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung eine Gleichspannung ist, oder in der Frequenz und/oder dem Spannungswert verändert wird und dadurch eine Beeinflussung der Längenänderung der Formgedächtnislegierung hervorgerufen wird. Aktuator nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Formgedächtnislegierung als elektrischer Spannungsteiler (7) ausgeführt wird. Aktuator nach Ansprach 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2 Formgedächtnislegierungen unterschiedlicher Länge (1a)(1b) verwendet werden, die wahlweise bestromt sind. Aktuator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtlänge der Formgedächtnislegierung in Segmente aufgeteilt ist und mindestens 1 Segment über eine mechanische Kopplung festgehalten oder mittels eines Kurzschlusses (12) überbrückt wird, um damit Einfluss auf die Gesamtlängenänderung der Formgedächtnislegierung zu nehmen. Aktuator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation durch mindestens einen Hebel eingeleitet wird, dessen Stützposition beliebig im System angeordnet sein kann. Aktuator nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine geknickte Pleuelstange (31) verwendet wird und die Lage des Knickpunkts (32) frei durch eine Kinematik verstellt werden kann, um damit die Vorzugsdrehrichtung des Abtriebs zu beeinflussen. Aktuator nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rückstellelement (26), beispielsweise mindestens 1 Federelement (26), oder mindestens eine Formgedächtnislegierung, den Abtrieb in entgegengesetzte Richtung bewegen. Aktuator nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mechanik durch mindestens einen Stoppmechanismus jeglicher Art, beispielsweise Wirbelstrombremse oder mechanische Bremse, an beliebiger Position angehalten wird. Aktuator nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzung der Linearbewegung oder des Drehwinkels des Abtriebs durch einen mechanischen Anschlag vorgenommen wird. Aktuator nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator zur Bestimmung der Längenänderung der Formgedächtnislegierung mindestens einen Sensor – beispielsweise, Drehwinkelcodierer, induktiver Sensor, kapazitiver Sensor, Potentiometer oder optischer Sensor – aufweist. Aktuator nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor die Widerstandsänderung der Formgedächtnislegierung selbst zur Bestimmung der Längenänderung herangezogen wird. Aktuator nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator einen direkt mit dem Abtriebsrad gekoppelten Sensor aufweist, der die exakte Position der Stellung des Abtriebs ermittelt. Aktuator nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromechanische Verbindung zwischen Abtriebsrad und der Formgedächtnislegierung besteht, die durch Abgriff das Verhältnis der Widerstandswerte der Formgedächtnislegierung in mindestens einem Spannungsteiler in Abhängigkeit von der Position des Abtriebes verändert. Aktuator nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronik zur Auswertung der Sensorsignale und/oder Positionierung des Abtriebs direkt im Aktuator oder in direktem Zugang – beispielsweise Kabelstrang oder Bediengerät – verwendet wird. Aktuator nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik eine Memoryfunktion beinhaltet und sich damit der Abtrieb nach Aktivierung wieder in eine gemerkte Position begibt. Aktuator nach Anspruch 2, 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik eine Abschaltung der Spannung vornimmt und anschließend über einen Refresh Zyklus die Energie in der Formgedächtnislegierung hält oder kontrolliert auf- oder abbaut. Aktuator nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator eine Temperaturüberwachung beinhaltet, die Einfluss auf die notwendige zuzuführende Energie zur Verformung und/oder Längenänderung nimmt. Aktuator nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Mechanik des Aktuators bei einem Stopp durch eine Raststellung gehalten wird. Aktuator nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsfunktion des Aktuators über eine Formgedächtnislegierung erwirkt wird. Aktuator nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator nachdem er sich in der Raststellung befindet, in den stromlosen Zustand geschaltet wird.






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