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Querverweis
auf verwandte Anmeldungen
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Diese
Anmeldung ist eine Fortführung
der am 3. Juli 2002 angemeldeten Provisional Patent Application
Nr. 60/393 799, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine temperaturkompensierende Vorrichtung
für einen
mechanisch kraftverstärkten
Smart-Material-Aktuator sowie ein Verfahren für denselben.
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Hintergrund
der Erfindung
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Verschiedene
Smart-Material-Aktuator-Technologien wurden für einen umfassenden Bereich
von Anwendungen in unterschiedlichen Industrien entwickelt. Eine
bei dieser Aktuator-Art verwendete Komponente ist ein elektrisch
angeregter Smart-Material-Aktuator. Diese Smart-Material-Aktuatoren ändern ihre
Form, wenn sie elektrisch angeregt werden. Diese Formveränderung
kann dergestalt sein, daß sich überwiegend
eine Achse ändert. Ein
derartiger Smart-Material-Aktuator
kann innerhalb einer Haupt-Tragstruktur eingebettet sein. Wenn die
Achse des Smart-Material-Aktuators
ihre Ausdehnung ändert,
wird seine Bewegung durch einen an die Haupt-Tragstruktur angeformten
Hebel verstärkt.
Als Ergebnis des durch die Haupt-Tragstruktur entfalteten Verstärkungsfaktors
können
extrem geringe Unterschiede zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Smart-Materials und der Haupt-Tragstruktur relativ große Bewegungsleistungen
in der Haupt-Tragstruktur innerhalb üblicher Betriebstemperatur-Bereiche
erzeugen. Diese Bewegung kann bis zu 50% der verwendbaren Leistung des
Aktuator-Systems betragen.
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Frühere Konstruktionen
ordnen das kompensierende Element in Reihe mit dem Smart-Material an.
Diese Methode leidet unter verschiedenen Problemen. Ein solches
Problem ist es, daß die
Länge des
zwischen dem Haupt-Körper
und dem Smart-Material eingefügten
kompensierenden Elements die Gesamtlänge des Aktuators erhöht. Außerdem können Smart-Materialien
große
Kraftmengen liefern, so daß das
kompensierende Element ausreichend starr sein muß, um eine Verringerung der
Kraft- und der Bewegungsleistung des Aktuators zu verhindern, während es
als kompensierendes In-Reihe-Element arbeitet. Dies ist eine mit
preiswerten Materialien schwierig zu erreichende Kombination.
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Eine
andere übliche
Konstruktion ist es, Hülsen
mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
um das Smart-Material herum anzuordnen, was verursacht, daß sich der
Hohlraum, der das Smart-Material einschließt, mit der Temperatur ausdehnt
und zusammenzieht. Dieses System verwendet mehrere Teile, die alle
kompliziert aufgebaut und kostspielig herzustellen sind sowie die
Gesamtgröße erhöhen, was
das System wenig wünschenswert macht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfaßt eine
Tragstruktur mit einem ersten und einem zweiten Arm, welche voneinander
beabstandet sind. Ein Smart-Material-Aktuator, wie ein piezoelektrischer Aktuator,
bewegt den ersten und den zweiten Arm gegeneinander als Reaktion
auf eine Expansion und eine Kontraktion des Aktuators. Es sind Mittel
zur Kompensation der Effekte verschiedener Wärmeausdehnungskoeffizienten
der bei der Tragstruktur und dem Aktuator verwendeten Materialien
vorgesehen, um eine Bewegung der Arme zu verringern oder zu beseitigen,
die auf Veränderungen
der Betriebstemperatur und/oder der Umgebungstemperatur beruht.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine einfache, wirtschaftliche Lösung dafür, einen
mechanisch kraftverstärkten
Aktuator gegenüber
Temperaturveränderungen
auszugleichen. Die vorliegende Erfindung stellt Mittel zur Kompensation
der Effekte verschiedener Wärmeausdehungskoeffizienten
zur Verfügung,
während
sie den Außenmantel
des Aktuator-Systems nicht vergrößern und
kann den gesamten Nullspannungs-Fehler auf nicht mehr als +/– 7% der
Maximalbewegung des Aktuator-Systems korrigieren. Als Folge der
Skalierbarkeit des Aktuator-Systems wurde ein Verfahren zur Entwicklung
aller Parameter entwickelt, welches den Zeitbedarf zur Konstruktion
einer bestimmten körperlichen
Konfiguration einer Aktuator/Tragstruktur-Kombination zur Verwendung
bei bestimmten Anwendungen verringert. Die vorliegende Erfindung
verwendet ein Konstruktions-System, einen Smart-Material-Aktuator, eine
Tragstruktur mit angeformten mechanisch kraftverstärkten Armabschnitten
und ein temperaturkompensierendes Einsatzteil. Das temperaturkompensierende
Einsatzteil ist an einer vorgegebenen Stelle beabstandet von dem
Aktuator an der Tragstruktur angeordnet, wie entlang eines Armabschnitts.
Dieses Einsatzteil kann innerhalb einer Aussparung in dem Armabschnitt
eingesetzt sein. Unter Verwendung von zwei verschiedenen Materialien
für das
Einsatzteil und den Armabschnitt kann eine Bewegung von der Art
eines Bi-Materials oder eines Bi-Metalls erzeugt werden, wobei der
Armab schnitt freitragend ist. Daher wird unter Verwendung des Konstruktions-Systems
die Anordnung und die Materialart des temperaturkompensierenden
Einsatzteils bei Verwendung einer minimalen Anzahl von Komponenten
leicht offenbar, während
ein Zufallsstreubereich von weniger als 5% der Bewegung erhalten
wird.
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Andere
Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten ersichtlich
werden, wenn die nachfolgende Beschreibung der Methode, welche zur
Durchführung
der Erfindung als die beste ins Auge gefaßt wird, in Verbindung mit
der Zeichnung gelesen wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Die
Beschreibung hierin nimmt Bezug auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche
Bezugszeichen gleiche Teile überall
in den verschiedenen Ansichten kennzeichnen und in der:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuators ist;
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2 eine übertrieben
dargestellte Seitenansicht eines Ausschnitts von 1 zur
Darstellung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen kompensierenden Teils ist;
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3 eine
Ansicht einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
ist;
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4 eine
Ansicht einer alternativen Ausge staltung der vorliegenden Erfindung
ist;
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5 eine
Ansicht einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
ist;
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6 ein
Belastungs-Analyse-Diagramm einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung ist;
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7 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Aktuator-Vorspannungs-Mechanismus ist;
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8 eine
perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispieles des Aktuators
der vorliegenden Erfindung mit einem damit verbundenen Fluid-Ventil
ist;
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9 eine
perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des Aktuators
der vorliegenden Erfindung ist;
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10 ein
vereinfachtes Flußdiagramm
ist, welches die Schritte eines Verfahrens zeigt, das bei der Ausgestaltung
und der Anordnung des erfindungsgemäßen temperaturkompensierenden
Teils verwendet wird; und
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11 ein
Diagramm ist, welches die Arm-Verlagerung in Inch gegenüber der
Temperatur in Grad Celsius für
einen temperaturausgeglichenen Arm gegenüber einem nicht ausgeglichenen
Arm zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 10 gezeigt,
die eine Tragstruktur 12 hat, welche einen nicht biegsamen
Stegabschnitt 18 aufweist, der sich zwischen einem oberen
und einem unteren Paar starrer, nicht biegsamer Seitenabschnitte 16, 18 erstreckt, die
einen C-förmigen
Abschnitt 20 bilden. Wenigstens ein verschwenkbarer Armabschnitt,
wie ein erster Armabschnitt 22 oder 24, ist über einen
entsprechenden angeformten dynamischen Scharnierabschnitt 26 oder 28 verschwenkbar
mit einem entsprechenden Seitenabschnitt 16 oder 18 verbunden.
Ein anderer verschwenkbarer Arm, wie ein zweiter Armabschnitt 24,
kann wahlweise über
einen entsprechenden angeformten dynamischen Scharnierabschnitt 28 mit
dem anderen starren Seitenabschnitt 18 verbunden sein,
wenn zwei sich gegenüberliegende
Arme 22, 24 erwünscht sind. Ein Kraftübertragungselement 30 weist
eine Oberfläche
auf, die mit einem Ende eines Smart-Material-Aktuators 32 verbindbar
ist. Das entgegengesetzte Ende des Smart-Material-Aktuators 32 verbindet
mit einer verstellbaren Aufnahme 34. Die verstellbare Aufnahme 34 kann
durch eine einstellbare Tragschraube 36 gehalten durch
die Tragstruktur 12 hindurch verbunden sein. Ein kompensierendes
Einsatzteil 38 ist in wenigstens einen verschwenkbaren
Armabschnitt 22, 24 eingesetzt. Das kompensierende
Einsatzteil 38 kann die gleiche Breite aufweisen, wie der
entsprechende verschwenkbare Armabschnitt 22, 24 und kann
derart eingefügt
sein, daß es
einen Aussparungs-Abschnitt 40 der Tragstruktur 12 vollständig ausfüllt.
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In 2 ist
eine übertrieben
dargestellte Seitenansicht der Wirkungsweise des kompensierenden Teils 38 der
in 1 gezeigten Vorrichtung 10 veranschaulicht.
Beispielhaft, und nicht als Beschränkung zu verstehen, kann der
verschwenkbare Arm 22 aus einem 416-Edelstahl mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 5,7×10–6 in/in°F und das
kompensierende Einsatzteil 38 aus einer 304-Edelstahl-Legierung
mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 9,6×10–6 in/in°F sein. Wenn
zwei Metallstreifen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten
miteinander verbunden sind, führt
eine Temperaturänderung
zu einer selbstständigen Durchbiegung
der Anordnung. In diesem Fall dehnt sich das Einsatzteil 38 stärker aus
als der verschwenkbare Arm 22, was ein selbstständiges Durchbiegen
in der gezeigten Richtung verursacht. Es sei betont, daß das Einsatzteil 38 in
einer Position angeordnet sein kann, die um 180° von der dargestellten Anordnung
abweicht, oder daß in
anderen Worten die Unterseite des verschwenkbaren Arms 22 eine
Durchbiegung nach oben verursacht, wobei, das Einsatzteil 38 ebenso
ein die Richtung der selbstständigen
Durchbiegung änderndes
Material mit einem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten sein
kann. Diese Durchbiegung wird genutzt, um dem Unterschied zwischen
den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Smart-Material-Aktuators 32 und
der Tragstruktur 12 entgegenzuwirken, wenn sich die Temperatur ändert. Alternativ
können
für die Tragstruktur 12 andere
Materialien eingesetzt werden wie 17-4PH-Edelstahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 6×10–6 in/in°F und einer 22-3-Metallegierung
mit hoher Ausdehnung (Nickel-Chrom-Eisen) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 10,55×10–6 in/in°F. Im allgemeinen können zur
Verwendung in der Tragstruktur geeignete Materialien basierend auf
den zur Bildung einer hoch starren Struktur nötigen Material eigenschaften ausgewählt werden.
Solch eine starre Struktur hilft dabei, eine unerwünschte Bewegung
zu minimieren, und ermöglicht
dadurch eine maximale Bewegung der Arme. Auf der Grundlage dieser
Kriterien könnte die
Tragstruktur unter Verwendung einer Auswahl von Materialien, wie
Stahl oder anderen Metallen, Legierungen, Keramiken, Verbundwerkstoffen
oder einer beliebigen Kombination davon gebildet sein. Beispielhaft,
und nicht als Beschränkung
zu verstehen, können
Verbundwerkstoffe ein mit einem nicht metallischen Material vermischtes
metallisches Material oder zwei miteinander vermischte unterschiedliche metallische
Materialien oder zwei miteinander vermischte unterschiedliche nicht
metallische Materialien oder eine beliebige Kombination davon umfassen.
Im allgemeinen sollte das in Verbindung mit der Tragstruktur eingesetzte
wärmekompensierende
Teil die Steifigkeit des Armes im Vergleich zu einem nicht wärmekompensierten
Arm nicht verringern. Ein Verlust der Steifigkeit des Arms kann
die Ausgangsleistung der Arme der Tragstruktur verringern. Auf der Grundlage
dieser Kriterien könnte
die Tragstruktur unter Verwendung einer Auswahl aus Materialien, wie
aus Stahl oder anderen Metallen, Legierungen, Keramiken, Verbundwerkstoffen
oder einer beliebigen Kombination davon, gebildet sein. Beispielhaft, und
nicht als Beschränkung
zu verstehen, können Verbundwerkstoffe
ein mit einem nicht metallischen Material vermischtes metallisches
Material oder zwei miteinander vermischte unterschiedliche metallische Materialien
oder zwei miteinander vermischte unterschiedliche nicht metallische
Materialien oder eine beliebige Kombination davon umfassen. Jeder
Verlust in der Ausgangsleistung der Arme aufgrund einer Wärmekompensation
muß gegenüber dem
gesamten Spektrum von Anwendungserfordernissen, wie Größe, Gewicht,
Zuverlässigkeit,
Wiederholbarkeit, etc., abgewogen werden.
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Nun
wird auf 3 Bezug genommen. Der verschwenkbare
Arm 22a kann aus einem Bi-Material-Streifen 42a bestehen,
welcher über
eine Halterung 44a an der Tragstruktur 12a befestigt
ist. Bei diesem Beispiel sorgt der Bi-Material-Streifen 42a für eine selbstständige Durchbiegung
bei einer Temperaturänderung
als annähernd
entsprechende und entgegengesetzte Reaktion auf den Nettobetrag
der Wärmeausdehnungen
der Tragstruktur 12a und des Smart-Material-Aktuators (nicht dargestellt).
Für Fachleute
ist ersichtlich, daß die
Halterung 44a nicht die einzige Art sind, den verschwenkbaren
Arm 22a an der Tragstruktur anzubringen. Beispielhaft,
und nicht als Beschränkung
zu verstehen, können
andere Mittel umfassen: Schweißen,
Hartlöten,
Löten,
eine unlösbare
chemische Verbindung, etc. oder eine beliebige Kombination davon.
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Nun
wird auf 4 Bezug genommen. Ein Abschnitt
des verschwenkbaren Arms 22b kann aus einem Bi-Material-Streifen 42b bestehen,
welcher an dem verschwenkbaren Arm 22b mit einer Halterung 44b befestigt
ist. Bei diesem Beispiel kann der Bi-metallische und/oder Bi-Material-Streifen 42b entlang dem
verschwenkbaren Arm angeordnet sein, derart, daß der Bi-metallische und/oder
Bi-Material-Streifen 42b für eine selbstständige Durchbiegung
bei einer Temperaturveränderung
als annähernd
entsprechende und entgegengesetzte Reaktion auf den Nettobetrag
der Wärmeausdehnungen
der Tragstruktur 12b, des verschwenkbaren Armabschnittes 22b und
des Smart-Material-Aktuators (nicht dargestellt) sorgt. Für Fachleute
sollte ersichtlich sein, daß die
Halterung 44a nicht die einzige Art ist, den verschwenkbaren
Arm 22a an der Tragstruktur anzubringen. Beispielhaft,
und nicht als Beschränkung
zu verstehen, können
andere Mittel umfassen: Schweißen,
Hartlöten,
Löten,
eine unlösbare
chemische Verbindungen, etc. oder eine beliebige Kombination davon.
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Nun
wird auf 5 Bezug genommen. Ein Abschnitt
des verschwenkbaren Arms 22c kann aus einem Bi-Material- und/oder Bi-metallischem
Streifen 42c bestehen, welcher an dem eine geeignete Haftschicht
aus Material 23 aufweisenden verschwenkbaren Arm 22c befestigt
ist. Die Material-Haftschicht kann
durch jedes geeignete der folgenden gebildet sein: adhesives Material,
Löten,
Schweiß/Hartlöt-Stabrückstände oder
dergleichen oder eine beliebige Kombination davon. Der Streifen 42c ist
unbeweglich mit dem Arm 22c innerhalb der darin geformten
Kerbe oder des Schlitzes verbunden, derart, daß er für eine selbstständige Durchbiegung
als Reaktion auf Temperaturänderungen
als annähernd
entsprechende und entgegenwirkende Reaktion auf den Nettobetrag
der Wärmeausdehnungen
der Tragstruktur 12c, des verschwenkbaren Arms 22c und
des Smart-Material-Aktuators
(nicht dargestellt) sorgt.
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In 10 veranschaulicht
ein vereinfachtes Flußdiagramm
die Optimierung des Materials sowie die Orientierung und die Abmessungen
des erfindungsgemäßen kompensierenden
Einsatzteils. Beginnend mit Schritt 100 werden die Anforderungen der
Anwendung definiert. Die Anforderungen können eine Auswahl von Parametern
sein, welche beispielhaft, und nicht als Beschränkung zu verstehen, folgende
Parameter umfassen können:
Kraft, Größe, Anordnung,
Schwingung, Belastung, Widerstandsfähigkeit gegen Schlag, Zyklus-Lebensdauer,
Betriebsfrequenz, Temperatur, Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse, Widerstandsfähigkeit
gegen Korrosion, Herstellungskosten, Hysterese, Linearität, galvanische
Reaktion und/oder Wiederholbarkeit. Nachdem die Anforderungen in
Schritt 102 definiert sind, schreitet der Vorgang zu Schritt 104 vor,
bei dem zuerst ein 3-dimensionales
(3D) CAD("Computer
Aided Design")-Modell
entwickelt wird. Dann wird in Schritt 106 ein Einsatzteil- Material ausgewählt und
in das 3D-CAD-Modell eingefügt.
In Schritt 108 wird dann eine Finite-Elemente-Belastungs-Analyse (FEA) durchgeführt, um
die Leistungsfähigkeit
des kompensierenden Einsatzteils vorherzusagen. Als Ergebnis der
Finite-Elemente-Belastungs-Analyse wird die Durchbiegung des Arms
in Schritt 110 ermittelt. Die Anforderung wird dann in
Schritt 112 gegenüber
der in Schritt 110 identifizierten berechneten Durchbiegung
geprüft.
Wenn ermittelt wird daß den
Anforderungen, welche zu Anfang in Schritt 102 definiert
wurden, nicht entsprochen wird, springt der Vorgang zurück zu Schritt 104,
wobei das Modell weiter optimiert und die Schleife fortführt, bis
die Anforderungen erfüllt
sind. Wenn die Anforderung in Schritt 112 den Anforderungen
in Schritt 102 entspricht, wird der Vorgang bei Schritt 114 fortgesetzt,
wobei die Konfiguration für
verschiedene Charakteristika berechnet wird, welche beispielhaft,
und nicht als Beschränkung
zu verstehen, umfassen: Kosten, Herstellbarkeit, Anzahl der Komponenten,
Materialart und/oder Wiederholbarkeit der Leistung. Wenn ermittelt
wird, daß das
betrachtete bestimmte 3D-CAD-Modell den Anforderungen nicht entspricht,
springt der Vorgang zurück zu
Schritt 104, wobei das Modell weiter optimiert wird und
die Schleife fortsetzt, bis die Anforderungen erfüllt sind.
Wenn die Anforderung in Schritt 114 den Anforderungen in
Schritt 102 entspricht, fährt der Vorgang mit Schritt 116 fort,
wobei die Konfiguration durch Ausbildung und Testen eines Prototyps
berechnet wird, um zu bestätigen,
daß die
Anforderungen von Schritt 102 erfüllt sind. Wenn ermittelt wird, daß die Anforderungen
nicht erreicht sind, springt der Vorgang zurück zu Schritt 104,
wobei das Modell weiter optimiert wird und die Schleife fortsetzt,
bis der Prototyp die Anforderungen erfüllt. Wenn ermittelt wird, daß den Anforderungen
entsprochen wird, endet der Vorgang mit Schritt 118 und
die Konstruktion ist vollständig.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel können diese
Komponenten aus zwei unterschiedlichen Materialarten gefertigt sein.
Beispielhaft, und nicht als Beschränkung zu verstehen, kann die
Tragstruktur 12 aus Edelstahl und das kompensierende Einsatzteil 38 aus
Messing gebildet sein.
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung 1D hat eine Tragstruktur 12 mit
einem ersten verschwenkbaren Armabschnitt 22 und einem
zweiten verschwenkbaren Armabschnitt 24, die voneinander
beabstandet sind. Jeder Armabschnitt 22, 24 ist
mit einem entsprechenden starren, nicht biegsamen Seitenabschnitt 16, 18 über angeformte
dynamische Scharnierabschnitte 26 bzw. 28 verbunden.
Jeder Scharnierabschnitt 26, 28 umfaßt einen
entsprechenden primären
Scharniersteg 46, 48, welcher mit den entsprechenden
Seitenabschnitten 16, 18 verbunden ist, und entsprechende
sekundäre
Scharnierstege 50, 52 sind mit dem Kraftübertragungsabschnitt 30 verbunden.
Beispielhaft, und nicht als Beschränkung zu verstehen, können die
Schlitze 54 und 56 zwischen jedem Armabschnitt 22, 24 und
den Seitenabschnitten 16, 18 gebildet sein, so
daß den Armabschnitten 22, 24 ermöglicht ist,
sich ohne eine Berührung
der Seitenabschnitte 16, 18 der Tragstruktur 12 zu
bewegen. Die Schlitze 58 und 60 können zwischen
den primären
Scharnierabschnitten 46, 48 und dem Kraftübertragungs-Element 30 zur
Erleichterung der mechanischen Kraftstärkung von dem Kraftübertragungs-Element 30 zu
den Armabschnitten 22, 24 gebildet sein.
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Ein
Smart-Material-Aktuator 32, wie ein piezoelektrischer Aktuator,
arbeitet derart, daß er
seine Form proportional als Reaktion auf eine an das Material angelegte
elektrische Energie ändert.
Der Aktuator 32 ver schwenkt als Reaktion auf eine Expansion und
Kontraktion des Materials den ersten und den zweiten Armabschnitt 22, 24 gegeneinander.
Der Aktuator 32 kann zwischen einer Verstell-Aufnahme 34 und
dem Kraftübertragungs-Abschnitt 30 angeordnet sein.
Es sei darauf hingewiesen, daß ein
piezoelektrischer Aktuator ein möglicher
Typ eines Smart-Material-Aktuators ist und daß andere Einrichtungen, wie Aktuatoren
aus magnetostriktivem oder elektrostriktivem Material ebenfalls
als vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfaßt angesehen
werden.
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Der
Kraftübertragungs-Abschnitt 30 und
die verschwenkbaren Armabschnitte 22, 24 sind
derart ausgestaltet, daß sie
im wesentlichen starre Komponenten-Abschnitte sind. Jedes Durchbiegen
dieser Elemente, auch mikroskopisches, führt zu einer uneffizienten
Arbeitsübertragung
aufgrund unerwünschter
Bewegung. Allgemein ausgedrückt
ist die Bewegung eines piezoelektrischen Aktuator-Stapels mikroskopisch,
im wesentlichen annähernd
0,1% der Länge
des Stapels. Basierend auf der für
die vorliegende Erfindung angenommene Länge des Stapels würde eine
solche Bewegung in der Größenordnung von
1500 Mikroinch bis 100 Mikroinch maximaler Verlagerung abhängig von
der tatsächlichen
Ausführungsform
liegen. Daher sind alle Komponenten der Tragstruktur 12 typischerweise
so ausgestaltet, daß eine
unerwünschte
Bewegung minimiert wird. Im Extremfall würde eine Bewegung von mehr
als 4 Mikroinch als nicht starr und unerwünscht im Hinblick auf die Offenbarung
der vorliegenden Erfindung und unter erwarteten strukturellen Belastungen
bei unbegrenzter Lebensdauer der Tragstruktur 12 angesehen.
In der wirklichen Praxis ist die Starrheit effektiv definiert als
das Verhältnis
zwischen dem Verlagerungs-Hub oder der Bewegung der Seitenabschnitte, beispielsweise 16, 18,
in Richtung aufeinander zu und voneinander weg und dem Verlagerungs-Hub bei
der selbständigen
Durchbiegung des Kraftübertragungs-Abschnitts 30 (d.
h. wenn die selbständige Durchbiegung
definiert ist als Arbeiten gegen keine Belastung und Durchführen von
keiner Arbeit). In diesem Zusammenhang würde ein Verlagerungs-Hub oder
eine Bewegung der Seitenabschnitte 16, 18, der/die
10% des Verlagerungs-Hubs
oder der selbständigen
Durchbiegung des Kraftübertragungs-Elements 30 übersteigt,
gemäß der vorliegenden
Erfindung als nicht starr angesehen. In der Praxis liegt dieser
Prozentsatz typischerweise viel tiefer. Beispielsweise liegt bei
einer Ausführungsform,
bei der der Piezostapel annähern
0,394 Inch lang ist, der Prozentsatz einer unerwünschten Seitenabschnitt-Bewegung
bezogen auf die selbständige Durchbiegung
in der Größenordnung
von 2%. Ein anderes Anzeichen für
eine strukturelle Starrheit und eine hieraus resultierende effiziente
Leistung ist das Verhältnis
der gemessenen selbständigen
Durchbiegung der Armabschnitte, beispielsweise 22, 24,
gegenüber
den theoretischen oder berechneten Werten für eine solche Bewegung (d.
h. angenommen, es gäbe
keinen Bewegungsverlust, da eine theoretisch starre Struktur vorliegt).
Der minimale Wirkungsgrad, welcher durch die vorliegende Erfindung
unter Verwendung dieser Definition erreicht werden kann, liegt bei
annähernd
80%. Außerdem
wurde gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Wirkungsgrad von annähernd 90% erreicht. Es wird
erwartet, daß Wirkungsgrade
größer als
90% bei erfindungsgemäßen Konstruktionen
erreicht werden können.
Beispielsweise ist die Scharnierabschnitt-Geometrie spezifisch für eine maximale
Leistung ohne belastungsinduzierte Ermüdungsbrüche ausgelegt. Erfindungsgemäß werden
alle Abschnitte der Tragstruktur 12 als "starr" angesehen, mit Ausnahme
der Scharnierabschnitte. Die Scharnierabschnitte sind die einzigen
Komponenten oder Abschnitte der Tragstruktur, bei denen eine Krümmung, ein
Durchbiegen und eine Bewegung wünschenswert
sind. Die Schar nierabschnitte sind Stellen maximaler Belastung in
der Tragstruktur 12. Die Biegepunkte der Scharnierabschnitt-Geometrie sind genau
ausgewählt,
um die Leistungskraft für eine
bestimmte Verwendung zu optimieren. Der Konstruktions-Prozeß unterstützt diesen
Ansatz, indem der Verstärkungseffekt
der Scharnierabschnitte so angepaßt wird, daß bestimmte Spezifikationen
erhalten werden. Beispielhaft, und nicht als Beschränkung zu
verstehen, hat eine Finito-Elemente-Analyse gezeigt, daß die Scharnier-Lebensdauer im Zusammenhang
mit industrieller Anwendung "unbegrenzt" sein sollte. Laboruntersuchungen
von Vorrichtungen, die einen Piezostapel als Primär-Bewegungs-Prinzip in
Verbindung mit einem Bewegungs-Verstärker verwenden, wie es durch
die vorliegende Erfindung gelehrt wird, haben 500 Mio. Arbeitsgänge übertroffen. Die
Vorrichtung 10 kann ganz aus einem homogenen Material gebildet
sein, wie aus Stahl oder aus einem beliebigen geeigneten Material
oder einem beliebigen geeigneten Verbundwerkstoff, welche Fachleuten
bekannt sind, solange das ausgewählte
Material die oben für
die bestimmte Anwendung diskutierten Gestaltungskriterien erfüllt.
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Die
Tragstruktur 12 umfaßt
einen ersten starren, nicht biegsamen Seitenabschnitt 16,
einen zweiten starren, nicht biegsamen Seitenabschnitt 18,
und einen starren, nicht biegsamen Stegabschnitt 14. Jeder
Seitenabschnitt 16, 18 ist einstückig mit
dem starren, nicht biegsamen Steg 14 verbunden. Die Seitenabschnitte 16, 18 sind
an die Scharnierabschnitte 26, 28 des ersten und
zweiten verschwenkbaren Armabschnitts 22, 24 angeformt.
Die ersten und zweiten Armabschnitte 22, 24 sind
starre, nicht biegsame Strukturen.
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Die
Biegepunkte und die Scharnier-Geometrie sind genau ausgewählt, um
die Leistungskraft für eine
bestimmte Anwendung zu optimieren. Der Gestaltungsprozeß unterstützt diesen
Ansatz, um den "Verstärkungs"-Effekt der Armabschnitte 22, 24 in Kombination
mit den Scharnierabschnitten 26, 28 daran anzupassen,
die für
eine bestimmte Anwendung für
eine maximale Leistungskraft erforderlichen Spezifikationen zu erhalten,
ohne eine Materialermüdung zu
induzieren. Die in Laboruntersuchungen bestätigte Lebenserwartung zeigt
keine meßbare
Leistungsveränderung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 nach
500 Mio. Ein/Aus-Zyklen.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 7 umfaßt die Vorrichtung 10 Mittel 62 zur
Vorspannung einer Druckkraft auf den Aktuator 32. Die Vorspannmittel 62 können eine
Schraube 36 umfassen, die mit einer in dem Stegabschnitt 14 der
Tragstruktur 12 angeordneten Gewindeöffnung 64 verschraubbar
ist. Die Schraube 36 kann dazu fähig sein, eine Druckkraft im
Hinblick auf den Aktuator 32 über eine verstellbare Aufnahme 34 zu übertragen.
Die verstellbare Aufnahme 34 überträgt die Druckkraft von der Schraube 36 in
den Aktuator 32. Die verstellbare Aufnahme 34 kann
eine kraftbündelnde
Beilegscheibe umfassen, die eine im wesentliche gekrümmte Oberfläche zur
gleichmäßigen Übertragung
der Vorspannkraft in den Aktuator als reine Druckkraft ohne jede Scherkraft
aufweist.
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Zur
Kompensierung der Effekte unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
der in der Tragstruktur 12 und dem Aktuator 32 verwendeten Materialien
werden Mittel 66 verwendet, so daß durch Veränderungen der Betriebstemperatur und/oder
der Umgebungstemperatur verursachte Bewegungen verringert oder beseitigt
werden. Jedes Material hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die
Materialien expandieren oder kontrahieren in ihrer Größe, wenn
sich die das Material umgebende Betriebs temperatur und/oder Umgebungstemperatur verändert. Die
Stärke
der Expansion und Kontraktion ist proportional zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Die erfindungsgemäße Temperaturkompensation
kann den Effekt einer Temperaturveränderung auf die Vorrichtung 10 verringern
oder beseitigen. Die temperaturkompensierenden Mittel 66 gemäß der vorliegenden
Erfindung können
ein kompensierendes Einsatzteil 38 umfassen, welches betriebsgemäß mit der
Tragstruktur 12 verbindbar ist, derart, daß es mit
wenigstens einem Armabschnitt 22 verbindbar ist, wie es
in 2 gezeigt ist. Ein Aussparungs-Abschnitt 40 des
Armabschnitts 22 kann herausgenommen werden und ein kompensierendes
Einsatzteil 38 kann in den Aussparungs-Abschnitt 40 eingesetzt werden.
Das Einsatzteil 38 kann betriebsgemäß mit dem Armabschnitt 22 in
jeder geeigneten Art verbindbar sein, wie durch geeignetes adhesives
Verbinden, Hartlöten,
Schweißen,
eine Halterung, etc. oder durch eine beliebige Kombination davon.
Das kompensierende Einsatzteil 38 hat einen bezogen auf den
Armabschnitt 22 unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
(d. h. entweder niedriger oder höher),
so daß der
Arm in einem Ausmaß durchgebogen
wird, welches im wesentlichen gleich ist und in eine entgegengesetzte
Richtung zielt, wie bzw. als eine beliebige Durchbiegung, die durch
eine Veränderung
der Betriebstemperatur und/oder Umgebungstemperatur verursacht ist.
Der Aussparungs-Abschnitt 40 kann an der Außenfläche 68 des Armabschnitts 22 oder
an der Innenfläche 70 des Armabschnitts 22 vorliegen.
Obwohl die Temperaturkompensation gemäß der vorliegenden Erfindung
die Verwendung eines Einsatzteils zur Durchbiegung der Armabschnitte 22, 24 als
Folge einer Expansion und/oder Kontraktion des Materials proportional
zu der Umgebungstemperatur-Veränderung
umfaßt, sind
die Armabschnitte 22, 24 dennoch starr in dem Sinne,
daß die
Tragstruktur im wesentlichen eine Biegebewegung unter Belastungsbedingungen
der Kon struktion einschränkt.
Während
die vorliegende Erfindung im Hinblick auf ein körperlich getrenntes "Einsatzteil" bezogen auf die
Armabschnitte 22, 24 veranschaulicht und im Detail
beschrieben wurde, offenbart und umfaßt die vorliegende Erfindung
ebenso eine einstückige "Einsatzteil"-Konfiguration. Für Fachleute
sollte ersichtlich sein, daß die
vorliegende Erfindung derart ausgebildet sein kann, daß das Einsatzteil
einstückig
im Inneren innerhalb eines entsprechenden Armabschnitts 22, 24 eingebettet
ist, und/oder derart ausgebildet sein kann, daß der Armabschnitt 22, 24 selbst
eine geeignete Materialmischung dafür ist, die gewünschten
Eigenschaften zur Verfügung
zu stellen. Beispielhaft, und nicht als Beschränkung zu verstehen, kann die
vorliegende Erfindung hergestellt werden, indem die Tragstruktur 12 unter
Verwendung von Techniken zur Formgebung von gesinterten Verbundwerkstoffen
gebildet wird. Daher ist die Verwendung des allgemeinen Begriffs "Einsatzteil" hierin derart definiert,
daß er
eine körperlich
getrennte "Einsatzteil"-Konfiguration oder eine
einstückig
ausgebildete "Einsatzteil"-Konfiguration oder
eine beliebige Kombination von getrennt und einstückig ausgebildeten
Konfigurationen umfaßt.
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Nun
wird auf 3 Bezug genommen. Wenigstens
ein Armabschnitt 22a kann aus einer Bi-Material-Schicht 42a gebildet
sein, welche die Gesamtlänge
von wenigstens einem der Armabschnitte 22a bildet. Der
Armabschnitt 22a kann mit einer Halterung 44a an
der Tragstruktur 12a befestigt sein. Alternativ kann der
Armabschnitt 22a unter Verwendung anderer geeigneter Mittel,
wie Hartlöten,
Löten, Schweißen, einer
unlösbaren
chemischen Verbindung oder einer beliebigen Kombination davon, an der
Tragstruktur 12a befestigt werden.
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Nun
wird auf 4 Bezug genommen. Die Bi- Material-Schicht 42b bildet
eine Teillänge
des Armabschnitts 22b. Eine Halterung 44b wird
zur Befestigung des Armabschnitts 22b, der eine Bi-Material-Schicht 42a aufweist,
mit der Tragstruktur 12b verwendet. Alternativ kann der
Armabschnitt 22b mit der Tragstruktur 12b unter
Verwendung anderer geeigneter Mittel befestigt werden, wie Hartlöten, Löten, Schweißen, einer
unlösbaren
chemischen Verbindung oder einer beliebigen Kombination davon.
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In 10 wird
ein Verfahren zur Konstruktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 offenbart.
Dieses umfaßt
folgende Schritte: Definieren der Konstruktions-Anforderungen 102; Modellieren
der Tragstruktur 12, des Einsatzteils 38 im Arm 22 und des
Aktuators 32 der Vorrichtung 10 mittels eines 3D-CAD 104;
Auswählen
eines Materials für
das temperaturkompensierende Einsatzteil 106; Durchführen einer
Finite-Elemente-Analyse auf das Finite-Elemente-Modell 108;
Vergleichen der Ergebnisse mit den Konstruktions-Anforderungen 110;
Modifizieren des Modells und Wiederholen des Vorgangs, bis die berechneten
Ergebnisse die Konstruktions-Anforderungen erfüllen 112; Ermitteln,
ob die Konstruktion mit bestimmten Kosten hergestellt werden kann 114; Nachprüfen der
Konstruktion in Schritt 116 mittels einer Prototyp-Überprüfung, bis
die Konstruktion die Anforderungen von Schritt 102 erfüllt; und
Wiederholen des Konstruktions-Verfahrens, bis die Konstruktion ein
Herstellungs-Kostenziel erfüllt.
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In 6 ist
ein Beispiel aus Finite-Elemente-Analyse-Ergebnissen
an der Vorrichtung 10 gezeigt. Der Aktuator überträgt eine
Kraft über
das Kraftübertragungs-Element 30,
was zu einer in dem Scharnierabschnitt 26 lokalisierten
Höchstbelastung der
Vorrichtung 10 führt.
Der Armabschnitt 22 wird von einer Ausgangsposition zu
einer durchgebogenen Position als Ergebnis davon durchge bogen, daß das Kraftübertragungs-Element 30 eine
Kraft mittels der Scharnierabschnitte 26 der Vorrichtung 10 ausübt. Als
Ergebnis der gezeigten Belastungs-Verteilung unter Verwendung eines
Finite-Elemente-Verfahrens kann eine gewünschte Konstruktions-Lebensdauer
des Aktuators erreicht werden. Die in den Bereichen der Scharnierabschnitte 26, 28 lokalisierte Belastung
vergrößert sich,
wenn die Kraft auf den Aktuator 32 erhöht wird. Die Vorrichtung 10 ist
im wesentlichen starr und die einzige als Folge der Kraft von dem
Aktuator erlaubte Biegebewegung findet in den Scharnierabschnitten 26, 28 statt.
Die Scharnierabschnitte 26, 28 sind für eine unbegrenzte
Lebensdauer der Vorrichtung 10 unter Belastungsbedingungen
der Konstruktion ausgelegt. In anderen Worten: Die Scharnierabschnitte 26, 28 haben
eine ausreichende Stärke
und weisen Querschnitte auf, so daß sie über die Lebensdauer der Vorrichtung 10 nicht
als Folge der Konstruktions- und Herstellungs-Verfahren, die bei
der Fertigung der Vorrichtung 10 angewendet werden, nachgeben
oder brechen. Eine zusätzliche
Finite-Elemente-Analyse wird verwendet, um die Bewegung des Armabschnittes 22,
der sich von dem Scharnierabschnitt 26 bis zum Ende des Armabschnittes 22 erstreckt,
zu überprüfen. Bei
diesem Aspekt der Analyse wird die Bewegung des unkompensierten
Armes mit der Bewegung des wärmekompensierten
Armes verglichen. Die Bewegung und die Kräfte beider Armtypen werden über den
Bereich üblicher
Betriebstemperaturen modelliert, so daß eine Effektivität der eingesetzten
Wärmekompensatoren
sichergestellt und ein Leistungsverlust auf Grund einer unerwünschten
durch nicht ausreichende Steifigkeit verursachten Durchbiegung minimiert ist.
Die Illustration in 6 zeigt den Armabschnitt 22 mit
deutlich übertriebener
Krümmung,
um die Wärmekompensations-Analyse
grafisch verständlich
zu machen.
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In 7 ist
der Aktuator 32 mit einer Druckkraft durch die Schraube 36 vorgespannt
gezeigt. Die Schraube 36 ist über ein Gewinde mit dem Steg 14 der
Tragstruktur 12 verbindbar. Die Schraube 36 berührt eine
Verstell-Aufnahme 34,
wie eine starre, kraftbündelnde
Beilegscheibe, welche betriebsmäßig mit
dem Aktuator 32 verbindet. Die Aufnahme 34 kann
eine im wesentlichen gekrümmte
Oberfläche oder
eine domförmige
Gestalt aufweisen, damit sie die Kraft als reine Druckkraft ohne
jede Schwerkraft-Komponente überträgt. Aktuatoren
aus piezoelektrischen Stapeln sind nicht dafür zugänglich, unter Spannung oder
Seitenbelastung angeordnet zu werden. Indem eine Vorspannung erzeugt
wird, die größer ist
als die Gesamtverlagerung des piezoelektrischen Stapels, wird der
Stapel immer unter Druck gehalten, auch wenn die Vorrichtung zu
einer Ausgangsposition zurückkehrt,
nachdem der piezoelektrische Stapel entladen wurde.
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Im
Betrieb kompensiert die Vorrichtung 10 thermische Veränderungen,
so daß eine
proportionale Steuerung der Durchbiegung der Armabschnitte 22, 24 erhalten
wird. Wenn die Arbeitstemperatur und/oder die Umgebungstemperatur
von der Temperatur der Konstruktion abweicht, werden die Armabschnitte
auf Grund der Unterschiede zwischen den Wärmeausdehungskoeffizienten
des Aktuator-Materials
und des Materials der Tragstruktur durchgebogen. In 11 ist
ein experimentelles Beispiel dargestellt. 11 zeigt
ein Diagramm einer möglichen
Arm-Konfiguration sowie die Arm-Durchbiegung in Inch gegenüber der
Temperatur in Grad Celsius für
einen temperaturkompensierten Arm und für einen nichtkompensierten
Arm. Das Diagramm zeigt, daß der
unkompensierte Arm über
0,006 Inch bei 80° Celsius
verbiegen kann, wogegen der temperaturkompensierte Arm die Durchbiegung
auf weniger als 0,001 Inch begrenzt. Dies ist sig nifikant, da in der
getesteten Konfiguration des Arms die temperaturinduzierte Durchbiegung
des unkompensierten Arms annähernd
50% der effektiven Arm-Verlagerung der Tragstruktur bei einer konstanten
Temperatur als Reaktion auf eine elektrische Anregung des Smart-Material-Aktuators
entsprach. In anderen Worten: Abhängig von der Richtung der temperaturinduzierten
Durchbiegung könnte
die gezeigte Konfiguration des nichtkompensierten Arms der Anlaß für eine Vergrößerung der
Durchbiegung von annähernd
50% oder eine Einbuße
der Durchbiegung von annähernd
50% lediglich als Ergebnis einer Temperaturveränderung sein.
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Unter
Bezugnahme auf 8 ist eine perspektivische Ansicht
der Vorrichtung 10 in Kombination mit einem Fluidventil-Abschnitt 76 gezeigt,
die eine Tragstruktur 12 mit einem nicht biegsamen Steg 14 umfaßt, der
sich zwischen ersten und zweiten starren, nicht biegsamen Seitenabschnitten 16, 18 erstreckt,
die einen C-förmigen
Abschnitt 20 bilden. Wenigstens ein starrer verschwenkbarer Armabschnitt 22 kann über ein
angeformtes dynamisches Scharnier 26 verschwenkbar verbunden
sein. Ein zweiter starrer verschwenkbarer Armabschnitt 24 kann über ein
angeformtes dynamisches Scharnier 28 verbunden sein, wenn
zwei sich gegenüberliegende
Arme erwünscht
sind. Das Kraftübertragungs-Element 30 verbindet
betriebsmäßig den
Smart-Material-Aktuator 32 unter Mitwirkung der verstellbaren Aufnahme 34.
Die verstellbare Aufnahme 34 kann durch die Schraube 36 gehalten
werden, welche über ein
Gewinde durch die Tragstruktur 12 hindurch verbindet. Das
temperaturkompensierende Einsatzteil 38 ist in wenigstens
einen verschwenkbaren Armabschnitt 22 eingefügt. Ein
Ventilsitz 72 kann an dem verschwenkbaren Armabschnitt 24 angebracht sein.
Ein Ventilstößel 74 kann
an dem verschwenkbaren Armabschnitt 24 angebracht sein.
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Die
Ventilkomponenten 72, 74 können ein proportional steuerbares
Zwei-Wege-Ventil für
allgemeine Zwecke bilden. Das Ventil kann Temperaturveränderungen
ausgesetzt sein, wie innerhalb der Umgebung oder des geleiteten
Fluids, und der Smart-Material-Aktuator 32 expandiert und
kontrahiert unterschiedlich zur Tragstruktur 12. Die verschwenkbaren
Arme 22, 24 können
sich als Folge davon bewegen, daß die Temperaturveränderungen dazu
führen,
daß sich
der Ventilstößel 74 gegenüber dem
Ventilsitz 72 bewegt. Das temperaturkompensierende Einsatzteil 38 expandiert
oder kontrahiert in Bezug auf den verschwenkbaren Armabschnitt 22, 24,
was für
eine Kompensation der ungleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Smart-Material-Aktuators 32 und
der Tragstruktur 12 sorgt. Die erfindungsgemäßen Kompensationsmittel 66 verhindern
eine beträchtliche
Bewegung des Ventilstößels 74 und
des Ventilsitzes 72 gegeneinander, wenn sich die Temperatur
verändert,
was eine proportionale Steuerung über einen großen Umfang
von Umgebungs- und Betriebstemperatur-Bereichen ermöglicht.
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In 9 ist
ein Aktuator 10 mit zweifach wirkenden Armabschnitten 22d, 24d gezeigt.
Die Armabschnitte 22d, 24d schwenken um Scharnierabschnitte 26d, 28d herum,
wenn der Aktuator 32 angeregt ist. Die Armabschnitte 22d, 24d können eine Arbeit
an gegenüberliegenden
Enden liefern, wenn der Aktuator 32 erregt und nicht erregt
wird. Das kompensierende Einsatzteil 38d, 38e kann
auf gegenüberliegenden
Seiten der Armabschnitte 22d, 28d angeordnet sein,
so daß den
Wärmeausdehnungseffekten,
die durch Veränderungen
in der Umgebungstemperatur verursacht sind, entgegengewirkt wird.
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Während die
Erfindung in Verbindung damit geschrieben wurde, was derzeit als
das praktischste und bevorzugte Ausführungsbeispiel angesehen wird,
so sollte bedacht werden, daß die
Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist,
sondern vielmehr beabsichtigt ist, verschiedene Modifikationen und äquivalente
Anordnungen, welche unter den Gedanken und den Gegenstand der beigefügten Ansprüche fallen,
einzuschließen,
deren Gegenstand mit der breitesten Interpretation im Einklang stehen
soll, so daß all
solche Modifikationen und äquivalenten
Strukturen im Rahmen dessen eingeschlossen sind, so weit es gesetzlich
zugelassen ist.
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Zusammenfassung
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Eine
Vorrichtung (10) mit einem Smart-Material-Aktuator, (32)
einer Tragstruktur (12) und wenigstens einem Einsatzteil
(38) aus temperaturkompensierendem Material, welches entweder
außen
an der Tragstruktur (12) angebracht oder einstückig mit
der Tragstruktur (12) verbunden ist, oder jede Kombination
davon. Die Vorrichtung (10) umfasst ein mechanisch kraftverstärktes, elektrisch
angeregtes Smart-Material.
Die Tragstruktur (12) und der Aktuator (32) sind
empfindlich gegenüber
den Effekten von Unterschieden in Wärmeausdehnungskoeffizienten der
Materialien, welche in der Konstruktion verwendet werden. Das Smart-Material
verlagert sich typischerweise weniger als 0,001 Inch und wird bis
zu 50fach kraftverstärkt,
um eine brauchbare Bewegung zu erhalten. Der Temperatureffekt auf
das Smart-Material
ist folglich kraftverstärkt
und vergrößert, was
bei Veränderungen
der Umgebungs- und/oder Betriebstemperatur eine unerwünschte Bewegung
in der Vorrichtung (10) erzeugt. Ein Verfahren zur Dimensionierung
und Anordnung eines kompensierenden Einsatzteils (38) bezüglich der
Tragstruktur (12) stellt ein genaues und kostengünstiges
kompensierendes Einsatzteil (38) zur Verfügung.