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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft das Übertragen von Ausgangsarbeit unter Verwenden aktiver Materialien zu selektiv betätigten Ausgängen.
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HINTERGRUND
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Die Darlegungen in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
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Arbeit erbringende Vorrichtungen, die Ausgangsarbeit liefern, sind bei vielen Anwendungen nützlich. Ein Kraftfahrzeug sieht zahlreiche Anwendungen vor, die einer Betätigung durch ein Ausgangsmoment (d. h. Ausgangsleistung), wie etwa einen Elektromotor, bedürfen. Das Verwenden von unabhängigen Elektromotoren zum Betätigen verschiedener Merkmale führt aber zu erhöhter Masse und erhöhten Kosten des Kraftfahrzeugs. Derzeit gibt es Verfahren, bei denen Elektromotoren mehrere Ausgänge betreiben, doch ist Betätigung immer noch erforderlich.
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Zum Beispiel ist es bekannt, dass Zylinderspulen, Schalter, Relais, Elektromagnete, Wandler und Treiber von einem einzigen Elektromotor eine Betätigung zu mehreren Wellen vorsehen können. Die Nutzung solcher Betätigungsvorrichtungen trägt aber oft zu erhöhten Kosten und erhöhter Masse des Systems bei, was die Nutzung dieser Betätigungsvorrichtungen kontraproduktiv macht. Derzeit umfassen Verfahren, die eine Betätigung mit relativ geringen Kosten und relativ geringer Masse vorsehen können, die Nutzung von aktiven Materialien. Aktive Materialien können Formgedächtnislegierungen (SMA, kurz vom engl. Shape Memory Alloys), elektroaktive Polymere (EAP, kurz vom engl. Electroactive Polymers), piezoelektrische, magnetorestriktive und elektrorestriktive Materialien umfassen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verfahren für selektive Leistungsübertragung von einem primären Aktor zu mindestens einem von mehreren Ausgängen umfasst das Überwachen einer erwünschten Ausgangskonfiguration und das selektive Betätigen eines Aktors aus aktivem Material, um die erwünschte Ausgangskonfiguration durch mechanisches Koppeln eines der mehreren Ausgänge mit dem primären Aktor zu erreichen.
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Eine Einrichtung für selektive Leistungsübertragung von einem primären Aktor zu einer von mehreren Ausgangswellen umfasst ein Getriebe, das mehrere Ausgangselemente umfasst, die mit einem Eingangselement gekoppelt sind, wobei das erste Eingangselement mit dem primären Aktor gekoppelt ist. Die Einrichtung umfasst weiterhin einen Aktor aus aktivem Material, der ein mechanisches Kopplungsmerkmal umfasst, das eine der mehreren Ausgangswellen mit einem der mehreren Ausgangselemente koppelt, wenn der Aktor aus aktivem Material betätigt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nun werden beispielhaft ein oder mehrere Ausführungsformen unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine bildliche Zeitleiste entdeckter SMA gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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2A und 2B Phasendiagramme von kritischen Spannungen von Austenit-Martensit-Kristallumwandlungen als Funktionen von Temperatur gemäß der vorliegenden Offenbarung sind;
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3 ein Diagramm von Spannung und Dehnung eines Materials gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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4 eine graphische Wiedergabe eines Materials in einer dreidimensionalen Darstellung gegen Spannung, Dehnung und Temperatur gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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5 ein schematisches Diagramm eines selektiven Drehmomentüberträgers zum Übertragen von Ausgangsmoment zu mehreren Ausgangswellen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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6A und 6B detaillierte Ansichten eines Aktors aus aktivem Material des selektiven Drehmomentüberträgers gemäß der vorliegenden Offenbarung sind;
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7A bis 7C detaillierte Ansichten von Einrückmerkmalen einer Ausgangswelle und eines Ausgangszahnrads gemäß der vorliegenden Offenbarung sind;
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8 eine graphische Wiedergabe eines Materials in einer dreidimensionalen Darstellung gegen Spannung, Dehnung und Temperatur gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
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9A und 9B detaillierte Ansichten eines Verteilers für translatorische Kraft zum Verteilen einer translatorischen Last zu mehreren Ausgangszapfen gemäß der vorliegenden Offenbarung sind.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG
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Unter Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte lediglich dem Zweck des Veranschaulichens bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht dem Zweck des Beschränkens derselben dient, zeigt 1 eine Zeitleiste von Formgedächtnislegierungen (SMA), die seit Mitte des 20. Jahrhunderts bis Ende des 20. Jahrhunderts entdeckt wurden. Viele dieser Legierungen bestehen aus Edelmetallen oder weisen nur als Einzelkristalle brauchbare Eigenschaften auf, was sie nicht für die praktische Verwendung als kostengünstige Betätigungsvorrichtungen geeignet macht. Es sind einige Legierungen bekannt, die die erforderliche Funktionalität bei niedrigen Kosten umfassen. Diese Legierungen umfassen bestimmte Kupferlegierungen (CuAlZn) und Legierungen auf Nickel-Titan-Basis wie etwa annähernd äquiatomares NiTi, das als Nitinol bekannt ist, und einige ternäre Legierungen wie etwa NiTiCu und NiTiNb.
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Eine besonders brauchbare Ausführungsform umfasst SMA auf NiTi-Basis, wobei SMA auf NiTi-Basis die besten Gedächtniseigenschaften aller bekannten polykristallinen SMA haben. Die Familie der NiTi-Legierungen kann großen Spannungen standhalten und kann Dehnungen von nahezu 8% bei niedriger Zyklusnutzung oder bis zu etwa 2,5% bei hoher Zyklusnutzung rückbilden. Diese Dehnungsrückbildungsfähigkeit kann die Konstruktion von SMA-Betätigungsvorrichtungen in Einrichtungen ermöglichen, die die selektive Übertragung von Drehmoment von einer Drehmomenterzeugungsvorrichtung zu jeder von mehreren Ausgangswellen erfordern.
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Unter Bezug nun auf 2A–2B ist ein Phasendiagramm von kritischen Spannungen für die Transformation von Austenit-Martensit-Kristall-Umwandlungen als Funktionen von Temperatur für eine SMA gezeigt. SMA haben die Eigenschaft von sehr großen rückbildbaren Dehnungen aufgrund kristallographischer Umwandlungen zwischen Martensit und Austenit. Dadurch sind SMA erwünscht, da sie große Formänderungen oder die Erzeugung großer Kraft vorsehen.
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Unter Bezug auf 2A und 3 ist das SMA-Verhalten auf eine reversible thermoelastische Umwandlung der kristallinen Phase zwischen einer Ursprungsphase hoher Symmetrie, Austenit 10, und einer Produktphase niedriger Symmetrie, Martensit 12, zurückzuführen. Die Phasenänderungen zwischen Austenit 10 und Martensit 12 treten infolge sowohl von Spannung als auch Temperatur auf. Die Ausbildung der Martensitphase 12 unter Spannung 13 bewirkt die Bildung der bevorzugten Ausrichtungen der kristallinen Variante, was zu einer großen induzierten Dehnung führt.
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Wie in 3 gezeigt wird die temperaturabhängige Dehnung entweder in einer Hystereseschleife bei Erwärmen 14 oder bei Entlasten des Materials rückgebildet. Diese Fähigkeit zu reversiblen, steuerbaren großen Dehnungen ist die Grundlage des Interesses bei der Wahl von SMA als Steuermaterialien. Mit diesen Materialien können große Formänderungen mühelos induziert werden. Bei einer erzwungenen Situation können auf die verbundenen strukturellen Komponenten große Spannungen ausgeübt werden.
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Unter Bezug auf 2B wird das Material unter einer statischen Last und bei einer ausreichend niedrigen Temperatur bei Martensit 12 stabilisiert. Bei einer ausreichend hohen Temperatur wird das Material bei Austenit 10 stabilisiert. Martensitstart (Ms) und Martensitende (Mf) zeigen Temperaturen an, bei denen die Phasenumwandlung zu Martensit 12 beginnt bzw. endet. Austenitstart (As) und Austenitende (Af) zeigen Temperaturen an, bei denen die Phasenumwandlung zu Austenit 10 beginnt bzw. endet. Bei Temperaturen unter Mf ist ein SMA-Material in der Phase von Martensit 12 stabil. Wenn ein SMA-Material in der Phase von Martensit 12 unter ständiger Spannung erwärmt wird, beginnt die Umwandlung zu der Austenitphase 10 nur, wenn die Temperatur bei einer dritten Phase 20 As übersteigt. Von diesem Punkt wandelt sich das Material zunehmend zur Austenitphase 10 um, bis die Umwandlung bei Af abgeschlossen ist. Wie in 2B gezeigt ist das Material bei Temperaturen oberhalb von Af in der Austenitphase 10 bei dieser statischen Spannung 22 stabil. Das Anlegen einer ausreichenden Last 24 an dem Material kann aber eine diffusionslose Umwandlung im festen Zustand von Austenit 10 zu dehnbarem Martensit induzieren, was zu einer induzierten Dehnung des Materials führt. Während eines anschließenden Entlastens 26 bei der gleichen Temperatur kehrt das Material zu Austenit 10 zurück, wobei die Dehnung ganz oder teilweise rückgebildet wird.
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Unter Bezug auf 4 ist ein SMA-Draht in einer dreidimensionalen Darstellung gegen Spannung (senkrechte Achse), Dehnung (waagerechte Achse) und Temperatur (schräge Achse) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Zwischen den Bezugspunkten a und b ist eine Last an einem SMA-Material in dessen Martensitphase angelegt, was eine Dehnung ergibt. Während das Material bei einer statischen Temperatur bleibt, wird es zwischen den Bezugspunkten b und c entlastet. Der Belastungs/Entlastungszyklus zwischen den Bezugspunkten a–c ergibt ein Material, das in der Martensitphase stabilisiert ist und eine induzierte Dehnung aufweist. Das Anheben der Temperatur des Materials bewirkt eine relativ statische Dehnung zwischen den Bezugspunkten c und d. Zwischen den Bezugspunkten d und e nimmt die Dehnung aber bei einer materialspezifischen Temperatur schnell ab (d. h. bildet sich zurück), wobei die Umwandlung von Martensit zu Austenit auftritt. Bei Bezugspunkt f ist das umgewandelte Material in der Austenitphase stabilisiert. Bei Kühlen von Austenit nach Martensit wird für gewöhnlich wenig, falls überhaupt, Dehnung (oder Formänderung) beobachtet, sofern das Material nicht stark bearbeitet wurde, um einen so genannten Zweiwege-Formgedächtniseffekt zu haben. Eine Alternative zum Verwenden eines SMA-Materials mit einem Zweiwege-Formgedächtniseffekt umfasst die Verwendung eines Vorspannelements, um bei Abkühlen eine Dehnung an dem Material zu induzieren.
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Unter Bezug auf 8 ist ein SMA-Draht in einer dreidimensionalen Darstellung gegen Spannung (senkrechte Achse), Dehnung (waagerechte Achse) und Temperatur (schräge Achse) gezeigt, der eine SMA veranschaulicht, die beides aufweist: den Formgedächtniseffekt und den superelastischen Effekt unter verschiedenen Bedingungen von Last und Temperatur. Zwischen den Bezugspunkten f und g ist eine Last an einem SMA-Material in dessen Austenitphase angelegt, was eine Dehnung zwischen den Bezugspunkten f und h ergibt. Während das Material bei einer konstanten Temperatur bleibt, wird es zwischen den Bezugspunkten h und f teilweise entlastet, wobei ein Großteil der induzierten Dehnung zwischen den Bezugspunkten i und j rückgebildet wird. Während das Material immer noch bei der konstanten Temperatur bleibt, wird es zwischen den Bezugspunkten j und f vollständig entlastet, wobei die Dehnung in der Austenitphase vollständig rückgebildet wird. Zwischen den Bezugspunkten f und a wird das SMA-Material auf eine materialspezifische Temperatur gekühlt, wobei das Material die Phase von Austenit zu Martensit wechselt.
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Unter Bezug nun auf 5 ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein selektiver Drehmomentüberträger 28 zum Übertragen von Ausgangsmoment zu mehreren Ausgangswellen A, B und C gezeigt. Der selektive Drehmomentüberträger 28 umfasst eine Drehmomenterzeugungsvorrichtung 30 und ein Drehmomentwahlsystem 32, wobei das Drehmomentwahlsystem 32 und die Drehmomenterzeugungsvorrichtung 30 in mechanischer Verbindung stehen. Die Drehmomenterzeugungsvorrichtung 30, ein primärer Aktor, umfasst weiterhin einen Motor 34 und eine Antriebswelle 36. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Motor 34 ein elektrischer Gleichstrommotor, der von einer hohen Startlast, niedrigen Kosten und geringer Masse des Gleichstrommotors profitiert. Es versteht sich aber, dass alternative Ausführungsformen einen beliebigen primären Aktor umfassen, der Arbeit erbringen kann, wie etwa Induktions motoren, Gasturbinen, Flüssigkeitsturbinen, Druckluftmotoren oder Hydraulikmotoren. Die Antriebswelle 36 sieht zwischen dem Motor 34 und dem Drehmomentwahlsystem 32 mechanische Verbindung vor. Die Antriebswelle 36 umfasst ein erstes bzw. zweites Ende 38, 40, wobei das erste Ende 38 mit dem Motor 34 drehbar gekoppelt ist und das zweite Ende 40 mit dem Drehmomentwahlsystem 32 drehbar gekoppelt ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform und immer noch unter Bezug auf 5 versteht sich, dass viele Arten von Arbeit analog verkörpert werden können, wie etwa linear, translatorisch, gebogen, scherend und komprimierend. In der gesamten Offenbarung wird die Ausgangsarbeit oder -leistung der Einfachheit halber als Ausgangsdrehmoment beschrieben, es versteht sich aber, dass jede Art von Ausgangsarbeit oder -leistung vorgesehen werden kann.
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Das Drehmomentwahlsystem 32 umfasst weiterhin ein Getriebe 42 und die mehreren Ausgangswellen A, B und C. Das Getriebe 42 umfasst weiterhin ein Eingangselement 50 und mehrere Ausgangselemente 54, 56 und 58, wobei das Antriebseingangselement 50 mit dem zweiten Ende 40 der Antriebswelle 36 sowie mit den Ausgangselementen 54, 56 und 58 drehbar gekoppelt ist. Jede Ausgangswelle A, B und C ist einem Aktor 44, 46 und 48 aus aktivem Material und einem Ausgangselement 54, 56 und 58 zugeordnet, wobei der Aktor 44 aus aktivem Material der Ausgangswelle A und dem Ausgangselement 54 zugeordnet ist; der Aktor 46 aus aktivem Material der Ausgangswelle B und dem Ausgangselement 56 zugeordnet ist; und der Aktor 48 aus aktivem Material der Ausgangswelle C und dem Ausgangselement 58 zugeordnet ist. Der Einfachheit halber wird nur der Betrieb der Ausgangswelle A, des Ausgangselements 54 und des Aktors 44 aus aktivem Material beschrieben. Die Aktivierung des Aktors 46 aus aktivem Material bewirkt ein Koppeln des Ausgangselements 54 und der Ausgangswelle A. Während das Ausgangselement 54 immer mit dem Antriebseingangselement 50 gekoppelt ist, sieht das Koppeln zwischen dem Ausgangselement 54 und der Ausgangswelle A ein Leiten von Leistung von dem Motor 34 zu dem Ausgang der Last A vor, wenn der Aktor 44 aus aktivem Material aktiviert wird. Die Deaktivierung des Aktors 44 aus aktivem Material führt zu einem Entkoppeln des Ausgangselements 54 und der Ausgangswelle A, wobei die von dem Motor 34 zu dem Ausgang der Welle A gelieferte Leistung unterbrochen wird. Der Betrieb der Ausgangswellen B und C, der Ausgangselemente 56 und 58 und der Aktoren 46 und 48 aus aktivem Material sind identisch. In einer Beispielhaften Ausführungsform ist das Getriebe 42 ein Untersetzungsgetriebe. Es versteht sich aber, dass viele alternative Ausführungsformen des Getriebes 42 in Frage kommen, einschließlich gewöhnliche Getriebe, Rädergetriebe, Planetengetriebe, Flüssigkeitsgetriebe, Gelenkverbindungen, Riemenantriebe und Seiltriebe, die aus dem Stand der Technik gut bekannt sind, und die Offenbarung soll nicht auf die hierin beschriebenen bestimmten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein. Ferner kann die Zahnradübersetzung an jeder Ausgangswelle A, B oder C von einem anderen Verhältnis und von anderer Art sein.
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Die vorstehenden Ausgangswellen werden in Verbindung mit dem Getriebe 42 und den Ausgangszahnrädern 54, 56 und 58 beschrieben. Es versteht sich aber, dass die vorstehend beschriebene Konfiguration beispielhaft ist und zur Verwendung mit den hierin beschriebenen Verfahren viele Konfigurationen denkbar sind. Der Einfachheit halber können Ausgänge als selektiv an dem primären Aktor befestigt beschrieben werden, doch versteht sich, dass Getriebe, Aufteilungsvorrichtungen und andere Drehmomenthandhabungsvorrichtungen bekannt sind und wahrscheinlich zwischen einem angetriebenen Ausgang und dem primären Aktor vorhanden sind.
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Die Aktoren aus aktivem Material werden durch Signale von einer Steuervorrichtung gesteuert. Ein beispielhaftes Steuermodul 5 ist mit Verbindungen zu den Aktoren 44, 46 und 48 aus aktivem Material abgebildet. Ein beispielhaftes Steuermodul 5 umfasst die Fähigkeit, die Betriebsumgebung (einschließlich der Umgebungstemperatur, des Status der verschiedenen Aktoren aus aktivem Material, des Status des primären Aktors, etc.) durch einen oder mehreren Sensoren, einen Prozessor und speicherbaren Code, der Logik umfasst, um beruhend auf einer erfassten oder gefolgerten/erwarteten Bedingung beliebige andere Befehle zu den Aktoren zu aktivieren, deaktivieren oder vorzusehen, zu erfassen.
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5 stellt drei Ausgangswellen dar, wobei alle drei Wellen Aktoren aus aktivem Material umfassen, um ein Einrücken jeder der Wellen einzeln zu wählen. Es versteht sich aber, dass die Konfiguration eines Getriebes oder einer Schaltung, die die Verwendung von Aktoren aus aktivem Material ermöglicht, viele Formen annehmen kann. Wie hierin beschrieben kann das selektive Einrücken unterschiedler Zahnradkonfigurationen die Wahl einer Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung der gleichen Ausgangswelle ermöglichen. Es versteht sich, dass eine ähnliche Wahl von Zahnradkonfigurationen andere Untersetzungsfaktoren zwischen einem Motor und einer Ausgangswelle zulassen könnte. Eine solche Konfiguration könnte zum Beispiel das Antreiben einer einzelnen Welle mit einem minimalen Untersetzungsfaktor erlauben, wenn die Ausgangswelle allein aktiviert wird, während eine andere Zahnradkonfiguration mit einem größeren Untersetzungsfaktor für die gleiche Ausgangswelle verwendet werden kann, wenn zusätzliche Ausgangswellen gleichzeitig angetrieben werden sollen. Analog müssen nicht alle Ausgangswellen in einer Konfiguration selektiv betätigt werden. In einer beispielhaften Konfiguration mit Ausgangswellen D, E und F können zum Beispiel die Wellen D und E selektiv betätigt werden, während die Welle F fest mit der Konfiguration verbunden ist, was die Betätigungszustände F, D + F, E + F und D + E + F ermöglicht.
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Das Steuermodul 5 führt die Programmierung aus, um die unterschiedlichen Aktoren in dem System zu steuern. Durch das Steuermodul 5 kann eine erwünschte Ausgangswellenkonfiguration überwacht oder ermittelt werden. Die erwünschte Ausgangswellenkonfiguration kann beruhend auf dem verfügbaren Leistungseingang von der Drehmomenterzeugungsvorrichtung 30 zu dem selektiven Drehmomentüberträger 28 und der Sollleistung, die zu den mehreren Ausgangswellen A, B und C übertragen werden soll, ermittelt werden. Bei einer beispielhaften Verwendung kann eine Kraftfahrzeugsitzverstellung durch ein einziges Steuermodul gesteuert werden, das eine erwünschte Ausgangswellenkonfiguration für drei Ausgangswellen steuert, die drei verschiedene Sitzeinstellungen steuern, die zum Beispiel die vertikale Anhebung des Sitzes, die Position des Sitzträgers nach vorne/hinten und die Rückneigung der Sitzlehne umfassen, wobei die erforderliche Leistung, um die drei Ausgangswellen zu steuern, die die drei verschiedenen Sitzeinstellungen steuern, von einem elektrischen Gleichstrommotor zugeteilt wird, der von einer hohen Startlast profitiert. Das Steuermodul kann bei dieser Anwendung die Sitzsteuereingänge überwachen und/oder kann Befehle von einem Sitzpositionsspeicherprogramm an anderer Stelle im Fahrzeug erhalten.
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Das Steuermodul kann durch Direktschaltkreisverbindungen mit den Aktoren und beliebigen Eingangsvorrichtungen in Verbindung stehen. Alternativ kann das Steuermodul eine Netzwerkvorrichtung, wie etwa ein Steuerbereichsnetzwerk (CAN, kurz vom engl. Control Area Network), nutzen, um mit den anderen Vorrichtungen zu kommunizieren.
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Wie hierin verwendet umfassen Steuermodul, Modul, Steuergerät und ähnliche Begriffe verschiedene Kombinationen von einer oder mehreren applikationsspezifischen integrierten Schaltung(en) (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), elektronischer Schaltung/elektronischen Schaltungen, zentraler Recheneinheit/zentralen Recheneinheiten (vorzugsweise Mikroprozessor(en)) und zughörigem Speicher und Speicherung (ROM, programmierbarer ROM, RAM, Festplatte, etc.), die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, kombinatorische Logikschaltung(en), Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und -vorrichtungen, geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltung und andere geeignete Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Ein Steuermodul kann einen Satz von Steueralgorithmen aufweisen, die residente Softwareprogrammbefehle und Kalibrierungen umfassen, die in dem Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die erwünschten Funktionen vorzusehen. Die Algorithmen werden vorzugsweise während vorab festgelegter Schleifenzyklen ausgeführt. Algorithmen werden ausgeführt, etwa durch eine zentrale Recheneinheit, und dienen dazu, Eingänge von Erfassungsvorrichtungen und anderen vernetzten Steuermodulen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktoren zu steuern. Die Schleifenzyklen können bei regelmäßigen Intervallen, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während laufenden Brennkraftmaschinen- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Alternativ können Algorithmen als Reaktion auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
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Gemäß den vorliegend beschriebenen Ausführungsformen und immer noch unter Bezug auf 5 wird der Betrieb des Aktors 44 aus aktivem Material näher beschrieben. Bei Betätigung sieht der Aktor 44 aus aktivem Material einen drehenden Eingriff zwischen der Ausgangswelle A und dem Ausgangszahnrad 54 des Getriebes 42 vor. Auch wenn 5 drei Ausgangswellen und drei entsprechend positionierte Aktoren aus aktivem Material zeigt, ist die Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Anzahl von Ausgangswellen oder Aktoren aus aktivem Material beschränkt. Solange das Ausgangsdrehmoment über der Antriebswelle 36 selektiv genutzt werden kann, können in Eingriff stehende Ausgangswellen A, B und C gleichzeitig in einer von dem Bediener gewählten Kombination Drehmoment aufnehmen. Es versteht sich aber, dass die Summe der gesamten Leistung, die über den mehreren Ausgangswellen A, B und C genutzt wird, nicht die gesamte Ausgangsleistung übersteigen darf, die der Motor 34 erzeugen kann. Wenn der Aktor 44 aus aktivem Material sich in der ”Ein”-Stellung befindet, steht die Ausgangswelle A mit dem Ausgangszahnrad 54 des Getriebes 42 drehend in Eingriff. Wenn der Aktor 44 aus aktivem Material sich analog in der ”Aus”-Stellung befindet, ist die Ausgangswelle A von dem Ausgangszahnrad 54 des Getriebes 42 ausgerückt. Alternativ kann ein Aktor 44A aus aktivem Material für die Ausgangswelle A eine ”Rückwärts”-Funktion vorsehen, wenn die Anwendung dies wünscht. Damit der Aktor 44A aus aktivem Material für die Ausgangswelle A die Rückwärtsfunktion vorsieht, wäre ein zusätzlicher Zahnradsatz in dem Getriebe 42 erforderlich. Analog sehen Aktoren 46 und 48 aus aktivem Material in gleicher Weise wie vorstehend bei dem Aktor 44 aus aktivem Material beschrieben Eingriff zwischen den Ausgangswellen B bzw. C und den Ausgangszahnrädern 56 bzw. 58 vor. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das die Betätigung vorsehende aktive Material vorzugsweise eine Formgedächtnislegierung (SMA). Es versteht sich aber, dass viele alternative Ausführungsformen von aktiven Materialien elektroaktive Polymere (EAP), piezoelektrische Keramik und Polymer, magnetorestriktive und elektrorestriktive Materialien umfassen.
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Unter Bezug nun auf 6A und 6B wird gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine detaillierte Ansicht des Aktors 44 aus aktivem Material gezeigt und beschrieben. Der Aktor 44 aus aktivem Material umfasst ein rohrförmiges Gehäuse 60 mit Innen- bzw. Außenumfangsflächen 62, 64 und einen Einrückmechanismus 66, der in der Innenfläche 62 des Gehäuses 60 eingeschlossen ist. Der Einrückmechanismus 66 umfasst weiterhin ein Element 68 aus aktivem Material, einen Kolbenarm 70, ein Vorspannelement 72 und eine Vorspannelementstütze 74. Das beispielhafte Element 68 aus aktivem Material ist ein durchgehender Draht konstanten Querschnitts und umfasst jeweils einen abstehenden Bereich 76 und zwei flache Abschlussenden 78, 80, wobei jedes Ende 78 und 80 für mechanische Verankerung und elektrische Anschlüsse an die Innenfläche 64 des Gehäuses 60 gecrimpt ist. Es versteht sich, dass Elemente aus aktivem Material abhängig von der erwünschten Funktion der Vorrichtung und der von dem Element geforderten Betätigungskraft in einer Vielzahl von Formen und Konfigurationen genutzt werden können. Das Element 68 aus aktivem Material ist mit einer Quelle 82 elektrischer Energie elektrisch gekoppelt, wobei das Element 68 aus aktivem Material durch die Quelle 82 elektrischer Energie zunächst eingeschaltet wird, wenn der Betrieb es erforderlich macht, dass sich der Aktor 44 aus aktivem Material in der ”Ein”-Stelllung befindet. Die Quelle 82 elektrischer Energie kann Leistung bereitstellen, um das Element 68 aus aktivem Material von einem Generator, Motor oder einer Kombination derselben anzutreiben, einschließlich Leistung von der Fahrzeugelektrik oder von einer lokaler Quelle gespeicherter Energie wie etwa einer Kondensatorbank. Das Einschalten des Elements 68 aus aktivem Material wird durch Schließen eines Schalters 84 bewirkt, der jede geeignete Form, die mechanisch, elektromechanisch oder Festzustand umfasst, annehmen kann. Der Kolbenarm 70 umfasst ein Wellenabschnitt 86, eine Endstange 88 und einen Treiberabschnitt 90. Die Endstange 88 und der Treiberabschnitt 90 befinden sich an gegenüberliegenden Enden des Wellenabschnitts 86. Die Endstange 88 erstreckt sich senkrecht zu dem Wellenabschnitt 86 und ist mit dem Element 68 aus aktivem Material mechanisch gekoppelt, wobei eine obere Fläche 92 der Endstange 88 mit dem abstehenden Bereich 76 des Elements 68 aus aktivem Material in Kontakt steht. Der Treiberabschnitt 90 des Kolbenarms 70 ist konfiguriert, um eine Gleitfeder 94 anzutreiben, um die Ausgangswelle A mit dem Ausgangszahnrad 54 der Schaltung 42 einzurücken, wenn sich der Aktor 44 aus aktivem Material in der ”Ein”-Stellung befindet. Wenn sich analog der Aktor 44 aus aktivem Material in der ”Aus”-Stellung befindet, zieht das Vorspannelement 72 den Kolbenarm 70 zurück, wobei der Treiberabschnitt 90 des Kolbenarms 70 konfiguriert ist, um die Gleitfeder 94 zu ziehen, um die Ausgangswelle A von dem Ausgangszahnrad 54 des Getriebes 42 auszurücken. Alternativ kann der Aktor 44 aus aktivem Material konfiguriert sein, um die Ausgangswelle A mit dem Ausgangszahnrad 54 des Getriebes 42 in Eingriff zu bringen, wenn sich der Aktor 44 aus aktivem Material in der ”Aus”-Stellung befindet. Es versteht sich, dass die Gleitfeder 94 als beliebiges Verriegelungsmerkmal genutzt werden kann, das Einrücken zwischen der Ausgangswelle und dem Ausgangszahnrad vorsehen kann. Das Vorspannelement 72 befindet sich zwischen der Vorspannelementstütze 74 und der Endstange 88 des Kolbenarms 70, wobei ein erstes Ende 96 des Vorspannelements 72 mit einer unteren Fläche 96 der Endstange 88 in Kontakt steht und ein zweites Ende 98 des Vorspannelements 72 mit einer oberen Fläche 100 der Vorspannelementstütze 74 in Kontakt steht. Wie in 6A und 6B gezeigt ist das Vorspannelement 72 konfiguriert, um eine nach oben gerichtete Vorspannkraft 102 gegen die Endstange 88 des Kolbenarms 70 auszuüben und dadurch den Kolbenarm 70 hin zu dem Element 68 aus aktivem Material vorzuspannen, wobei die Endstange 88 und das Element 68 aus aktivem Material mechanisch gekoppelt werden. Es versteht sich, dass die Endstange 88 und das Element 68 aus aktivem Material aufgrund der Notwendigkeit, das Element 68 aus aktivem Material vom Rest des Aktors 44 aus aktivem Material zu isolieren, nicht in direktem körperlichen Kontakt stehen müssen. Die Vorspannelementstütze 74 ist feststehend und an der Innenfläche 64 des Gehäuses 60 befestigt. Die Vorspannelementstütze 74 umfasst weiterhin ein Loch durch ihre axiale Mitte, das ausgelegt ist, um den Kolbenarm 70 während betätigter und nicht betätigter Stellungen frei gleiten zu lassen. Analog sind die Merkmale und der Betrieb der Aktoren 46 und 48 aus aktivem Material bezüglich des vorstehend beschriebenen Aktors 44 aus aktivem Material die gleichen. Es versteht sich, dass der Aktor von 6A und 6B beispielhafte Ausführungsformen sind, die ein SMA-Aktor annehmen kann, und die Offenbarung soll nicht auf diese bestimmte beispielhafte Ausführungsform beschränkt sein.
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Unter Bezug auf 5 und 6A befindet sich der Aktor 44 aus aktivem Material in der nicht betätigten Stellung. Wenn wie vorstehend beschrieben der Aktor aus aktivem Material sich in der ”Aus”-Stellung befindet, ist die Ausgangswelle A von dem Ausgangszahnrad 54 ausgerückt. Wie in 6A gezeigt ist der Schalter 84 offen, daher wird das Element 68 aus aktivem Material bei einer kälteren Temperatur in der Martensitphase abgeschaltet. Es versteht sich, dass das Element 68 aus aktivem Material ein SMA-Material ist, wobei das SMA-Material so gewählt wird, dass die Umgebungs- oder Betriebstemperatur des Aktors 44 aus aktivem Material kleiner als die As-Temperatur der SMA ist. Wenn somit das Element 68 aus aktivem Material nicht elektrisch beheizt wird, bleibt es in der Martensitphase und ist vor versehentlicher Betätigung aufgrund eines Anstiegs der Betriebstemperatur geschützt. Anschließend übt das Vorspannelement 72 die Vorspannkraft 102 auf den Kolbenarm 70 aus, wobei die obere Fläche 92 der Endstange 88 des Kolbenarms 70 eine Spannung oder Last gegen den Vorsprungbereich 76 des Elements 68 aus aktivem Material ausübt. Die gegen das aktive Material 68 ausgeübte Spannung erzwingt eine Dehnung und verformt dadurch das Element 68 aus aktivem Material. Wenn der Aktor 44 aus aktivem Material nicht betätigt ist, zieht das Vorspannelement 72 den Kolbenarm 70 zurück, wobei der Treiberabschnitt 90 des Kolbenarms 70 konfiguriert ist, um die Gleitfeder 94 zu ziehen, um die Ausgangswelle A von dem Ausgangszahnrad 54 des Getriebes 42 auszurücken. Analog sind die Merkmale und der Betrieb der Aktoren 46 und 48 aus aktivem Material bezüglich des vorstehend beschriebenen Aktors 44 aus aktivem Material die gleichen.
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Unter Bezug nun auf 7A ist eine detaillierte Ansicht des Ausrückens der Ausgangswelle A von dem Ausgangszahnrad 54, wenn der Aktor 44 aus aktivem Material nicht betätigt ist, gemäß einer vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht. Die Ausgangswelle A umfasst eine Federbahn 104, in der die mit dem Treiberabschnitt 90 des Kolbenarms 70 gekoppelte Gleitfeder 94 bei Bewegung durch den Kolbenarm 70 frei gleiten kann. Das Ausgangszahnrad 54 umfasst einen Federschlitz 106, der ausgelegt ist, um die Gleitfeder 94 aufzunehmen, wobei ein Eingriff zwischen der Gleitfeder 94 und dem Federschlitz 106 einen Eingriff zwischen der Ausgangswelle A und dem Ausgangszahnrad 54 vorsieht. Wenn das Element 44 aus aktivem Material nicht betätigt ist, übt das Vorspannelement die Vorspannkraft 102 in der Pfeilrichtung aus und schiebt dadurch die Feder 94 entlang der Federbahn 104 weg von dem Federschlitz 106 des Ausgangszahnrads 54. Wenn der Aktor 44 aus aktivem Material nicht betätigt ist, dreht ein von der Antriebswelle 36 des Motors 34 geliefertes Drehmoment das Ausgangszahnrad 54, treibt aber nicht die Ausgangswelle A an, da die Ausgangswelle A von dem Ausgangszahnrad 54 ausgerückt ist. Analog wirken ein Ausrücken der Ausgangswellen B und C von den Ausgangszahnrädern 56 und 58, wenn die Aktoren 46 und 48 aus aktivem Material nicht betätigt sind, in gleicher Weise wie die vorstehend beschriebene Ausgangswelle A.
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Unter Bezug auf 5 und 6B erfolgt der selektive Betrieb des Aktors 44 aus aktivem Material in der betätigten Stellung. Wie in 5 gezeigt bezeichnet eine betätigte Stellung das selektive Einrücken des Aktors 44 aus aktivem Material mit der Ausgangwelle A in der ”Ein”-Stellung. Wie in 6B gezeigt ist der Schalter 84 geschlossen, daher ist das Element 68 aus aktivem Material eingeschaltet. Die von der Batterie 82 gelieferte Energie hebt die Temperatur des Elements 68 aus aktivem Material an, wobei der Temperaturanstieg das Element 68 aus aktivem Material von der Martensitphase in die Austenitphase umwandelt. Wie bereits dargelegt wird die Umwandlung von Martensit nach Austenit von der Erzeugung einer Kraft begleitet, die bewirkt, dass die an dem Element 68 aus aktivem Material in der Martensitphase erzwungene Dehnung rückgebildet wird. Diese Dehnungsrückbildung und die in dem Element 68 aus aktivem Material entwickelte entsprechende Kraft überwindet die Vorspannkraft 102 und schiebt den Kolbenarm 70 in Richtung des Betätigungspfeils 108, wobei der Treiberabschnitt 90 des Kolbenarms 70 die Gleitfeder 94 treibt, um die Ausgangswelle A mit dem Ausgangszahnrad 54 in Eingriff zu bringen, wenn der Aktor 44 aus aktivem Material betätigt wird. Die obere Fläche 92 der Endstange 88 und der Vorsprung 76 des Elements 68 aus aktivem Material bleiben in mechanischer Verbindung. Analog sind die Merkmale und der Betrieb der Aktoren 46 und 48 aus aktivem Material bezüglich des vorstehend beschriebenen Aktors 44 aus aktivem Material die gleichen.
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Unter Bezug nun auf 7B ist eine detaillierte Ansicht des Einrückens der Ausgangswelle A mit dem Ausgangszahnrad 54 des Getriebes 42, wenn der Aktor 44 aus aktivem Material betätigt ist, gemäß einer vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht. Das Einrücken zwischen der Gleitfeder 94 und dem Federschlitz 106 des Ausgangszahnrads 54 sieht ein Einrücken zwischen der Ausgangswelle A und dem Ausgangszahnrad 54 vor. Wenn das Element 68 aus aktivem Material betätigt ist, überwindet die durch die Umwandlung des Elements 68 aus aktivem Material von Martensit nach Austenit vorgesehene Dehnungsrückbildung die Kraft 102, die das Vorspannelement 72 auf den Kolbenarm 70 ausübt. Die Gleitfeder 94 wird von dem Kolbenarm 70 in Richtung des Betätigungspfeils 108 entlang der Federbahn 104 getrieben, wobei die Gleitfeder 94 von dem Federschlitz 106 des Ausgangszahnrads 54 aufgenommen wird. Wenn die Gleitfeder 94 von dem Federschlitz 106 des Ausgangszahnrads 54 aufgenommen wird, ist die Ausgangswelle A mit dem Ausgangszahnrad 54 eingerückt. Wenn das aktive Material betätigt ist, wodurch ein Einrücken zwischen der Ausgangswelle A und dem Ausgangszahnrad 54 vorgesehen wird, wird von der Antriebswelle des Motors geliefertes Drehmoment von der selektiv betätigten Ausgangswelle A genutzt. Analog wirken ein Einrücken der Ausgangswellen B und C mit den Ausgangszahnrädern 56 und 58, wenn die Aktoren 46 und 48 aus aktivem Material betätigt sind, in gleicher Weise wie die vorstehend beschriebene Ausgangswelle A.
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Unter Bezug auf 7C ist in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein lösbarer Verriegelungsmechanismus 110 vorgesehen und ausgelegt, um die Gleitfeder 94 mit der Ausgangswelle A zu koppeln, sobald das Einrücken hergestellt ist. Der lösbare Verriegelungsmechanismus 110 verriegelt das Einrücken der Ausgangswelle A mit dem Ausgangszahnrad 54, wobei die Vorspannkraft 102 keine Bewegung auf den Kolbenarm 70 bewirkt. Ferner ermöglicht der von dem lösbaren Verriegelungsmechanismus 110 vorgesehene verriegelte Eingriff ein Schalten des Aktors 44 aus aktivem Material zur ”Aus”-Stellung und dessen Abschalten. Wenn ausgewähltes Drehmoment zu der Ausgangswelle A nicht länger erwünscht ist, löst der lösbare Verriegelungsmechanismus 110 die Ausgangswelle A von dem Ausgangszahnrad 54 und rückt diese davon aus, wobei die von dem Vorspannelement 72 vorgesehene Vorspannkraft 102 den Kolbenarm 70 zu der nicht betätigten Stellung bewegt. Ein Fachmann wird erkennen, dass der lösbare Verriegelungsmechanismus 110 einen Vorteil des Verlängerns der Lebensdauer des Mechanismus aus aktivem Material allein durch Verwenden des aktiven Materials als Verfahren zum Betätigen von Einrücken umfasst, während das Einrücken durch den lösbaren Verriegelungsmechanismus aufrechterhalten wird.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der lösbare Verriegelungsmechanismus 110 an dem Aktor 44 aus aktivem Material integriert sein. Zum Beispiel kann der lösbare Verriegelungsmechanismus 110 mit der Endstange 88 des Kolbenarms 70 mechanisch gekoppelt werden, wenn der Aktor 44 aus aktivem Material betätigt oder in der ”Ein”-Stellung ist, und kann den Kolbenarm 70 in dieser Stellung halten, wenn der Aktor 44 aus aktivem Material nicht betätigt wird. Es könnte ein separater Aktor integriert werden, der zu betätigen ist, um den Verriegelungsmechanismus 110 auszurücken. Der Verriegelungsmechanismus kann federbelastet sein und einen Keilbereich aufweisen, wobei die Endstange 88 über einen zulaufenden Abschnitt des Keilbereichs gleitet, wenn der Aktor 44 aus aktivem Material betätigt ist. Der Kolbenarm 70 schnappt ein, wenn die Endstange 88 über das zulaufende Ende des Keilbereichs fällt. Der entriegelnde Hilfsaktor muss dadurch die Kraft des Vorspannelements 72 überwinden, damit der Verriegelungsmechanismus 110 den Keilbereich zurückzieht und damit das Vorspannelement 72 den Kolbenarm 70 wieder zurückziehen kann.
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Unter Bezug nun auf 9A und 9B ist gemäß einer alternativen Ausführungsform eines primären Aktors, der eine translatorische Kraft vorsieht, ein Verteiler 120 translatorischer Kraft zum Verteilen eines translatorischen Eingangs 122 zu mehreren Ausgangszapfen Y und Z dargestellt. Der translatorische primäre Aktor 120 umfasst einen Eingangszapfen X und die Ausgangszapfen Y und Z, wobei der Eingangszapfen X Eingangsschlitze 126, 124 enthält und die Ausgangszapfen Y und Z jeweilige Aktoren 144, 146 aus aktivem Material umfassen. Wenn der Aktor 144 aus aktivem Material betätigt wird, wird zwischen dem Eingangszapfen X und dem Ausgangszapfen Y Einrücken vorgesehen, wenn der Eingangsschlitz 126 mit dem Aktor 144 aus aktivem Material ausgerichtet ist und ein mit dem Aktor 144 aus aktivem Material gekoppeltes mechanisches Kopplungsmerkmal 123 von dem Aktor 144 aus aktivem Material bewegt wird, um teilweise mit dem Eingangszapfen X zu überlappen, wodurch der Eingangs- bzw. Ausgangszapfen X, Y mechanisch gekoppelt werden. Wenn analog der Aktor 146 aus aktivem Material betätigt wird, wird zwischen dem Eingangszapfen X und dem Ausgangszapfen ZY Einrücken vorgesehen, wenn der Eingangsschlitz 124 mit dem Aktor 146 aus aktivem Material ausgerichtet ist und ein mit dem Aktor 146 aus aktivem Material gekoppeltes mechanisches Kopplungsmerkmal 125 von dem Aktor 146 aus aktivem Material bewegt wird, um teilweise mit dem Eingangszapfen X zu überlappen, wodurch der Eingangs- bzw. Ausgangszapfen X, Z mechanisch gekoppelt werden.
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Unter Bezug auf 9A wird der Eingangszapfen X wie durch Pfeil 128 dargestellt entlastet und daher werden die Ausgangszapfen Y und Z wie durch die Pfeile 130, 132 jeweils dargestellt entlastet. Ferner sind die Aktoren 144, 146 aus aktivem Material nicht betätigt, und daher wird zwischen dem Eingangszapfen X und dem Ausgangszapfen Y oder zwischen dem Eingangszapfen X und dem Ausgangszapfen Z kein Einrücken vorgesehen.
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Unter Bezug auf 9B wird in einem nicht einschränkenden Beispiel ein translatorischer Eingang 122 an dem Eingangszapfen X angelegt. Bevor das System verwendet wird, wird der Schlitz 126 des Eingangszapfens X mit dem Aktor 144 aus aktivem Material des Ausgangszapfens Y ausgerichtet. Wenn der Aktor 144 aus aktivem Material aktiviert wird, sieht der Aktor aus aktivem Material unter Bezug auf Pfeil 150 wie vorstehend beschrieben ein Einrücken zwischen dem Eingangs- bzw. Ausgangszapfen X, Y vor. Wenn der Eingangs- bzw. Ausgangszapfen X, Y eingerückt sind, wird der translatorische Eingang 122 zu dem Eingangszapfen X danach mit dem Ausgangszapfen Y geteilt, was durch Pfeil 230 dargestellt ist. Der Eingangszapfen X ist aber mit dem Ausgangszapfen Z nicht mechanisch gekoppelt. Da der Eingangs- bzw. Ausgangszapfen X, Z nicht eingerückt sind, wird der translatorische Eingang 122 an dem Eingangszapfen X nicht mit dem Ausgangszapfen Z geteilt, was durch Pfeil 132 dargestellt ist. Es versteht sich, dass die Schlitze an dem Eingangszapfen und die Aktoren an dem Ausgangszapfen in einer beliebigen Konfiguration ausgerichtet und angeordnet werden können, die eine translatorische Last von einem Eingangszapfen zu einem oder mehreren Ausgangszapfen vorsieht. Ferner kann der Eingangszapfen in anderen Konfigurationen zusätzliche Schlitze enthalten, und die Ausgangszapfen können jeweils mehr als einen Aktor aus aktivem Material enthalten.
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Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen derselben beschrieben. Weitere Abwandlungen und Abänderungen können für Dritte bei Lesen und Verstehen der Beschreibung nahe liegen. Daher soll die Offenbarung nicht auf die bestimmte(n) Ausführungsform(en) beschränkt sein, die als die beste in Betracht gezogene Art zum Ausführen dieser Offenbarung offenbart ist/sind, sondern die Offenbarung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.