DE102006054869B3

DE102006054869B3 - Verfahren zur Herstellung eines Halte-und Übersetzungsrahmens für einen gestapelten Piezoaktuator und elektrostriktiver Antrieb mit einem solchen Rahmen

Info

Publication number: DE102006054869B3
Application number: DE102006054869A
Authority: DE
Inventors: Alois Wagner; Peter Dr. Jänker
Original assignee: EADS Deutschland GmbH; Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2026-11-21
Also published as: US8063539B2; WO2008061493A1; US20110148254A1; US20100052480A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Halte- oder Übersetzungsrahmens (12, 20) für einen elektrostriktiven Aktuator, insbesondere einen gestapelten Piezoaktuator (5), enthält die Schritte: a) Umwickeln eines der Form des Innenumfangs des Rahmens (12, 20) entsprechenden Wickeldorns (52) mit mehreren Lagen eines unidirektionalen Prepregs zum Ausbilden eines Laminatkörpers; b) Aushärten des Laminatkörpers; c) Zuschneiden des ausgehärteten Laminatkörpers in den Rahmen durch Schnitte parallel zur Wickelrichtung. Ein elektrostriktiver Antrieb (100) enthält einen bei Aktivierung längenveränderlichen, elektrostriktiven Aktuator (5) und einen den Aktuator umgebenden, mit diesem zur Einleitung der Längenänderung des Aktuators verbundenen und die Längenänderung des Aktuators verstärkenden Übersetzungsrahmen (12), wobei der Übersetzungsrahmen (12) aus einer im Laminatkörper gewickelten und ausgehärteten Prepreg gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halte- und/oder Übersetzungsrahmens für einen für einen gestapelten Piezoaktuator, der dazu beiträgt, den Piezoweg zu vergrößern. Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrostriktiven Antrieb mit einem solchen Halte- und/oder Übersetzungsrahmen.
Es ist bekannt, zur Aktivierung von Klappen in beispielsweise einem Hubschrauberrotor oder in anderen Anwendungen in der Luftfahrt Piezoaktuatoren bzw. elektrostriktive Aktuatoren zu verwenden. Insbesondere werden gestapelte Piezoaktuatoren, die auch als Piezostacks bezeichnet werden, verwendet, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnen und somit einen Verstellweg bereitstellen. Da jedoch bei beispielsweise einem gestapelten Piezoaktuator mit einer Länge von 100 mm die mögliche Ausdehnung, das heißt der Verstellweg, etwa im Bereich von 0,1 mm liegt, ist es wünschenswert, den Piezoweg mittels eines Übersetzungsmechanismus zum Beispiel um den Faktor 10 oder ähnliches zu vergrößern. Dazu ist es bekannt, den elektrostriktiven Aktuator, insbesondere den Piezostapel, in einem Übersetzungsrahmen anzuordnen und einzuspannen, der den um den Übersetzungsfaktor vergrößerten Weg des aktivierten Piezoelements in einer Richtung senkrecht zum Piezoweg, das heißt senkrecht zur Längenänderung des Piezoelements bereitstellt.
Ein solcher Rahmen, der im Wesentlichen achteckig geformt ist, ist beispielsweise aus der DE 197 39 594 A1 bekannt. Der Rahmen besteht aus starren, über biegeelastische Gelenkstellen miteinander verbundenen Rahmenteilen aus Metall. Es sind vier feste Rahmenteile vorgesehen. Die Gelenkstellen sind jeweils aus mehreren übereinander liegenden elastischen Biegeelementen mit zueinander parallelen Biegegelenksachsen gebildet und einerseits an ein sämtliche Biegeelemente der Gelenkstelle integral miteinander verbindendes festes Rahmenteil angeschlossen. Das an die Gelenkstelle angeschlossene andere feste Rahmenteil ist in mehrere separate, jeweils mit einem Biegeelemente der Gelenkstelle verbundene Einzelhebel unterteilt. Die Rahmenteile sind einteilig massiv ausgebildet.
Aus der DE 196 25 921 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der die metallischen Rahmenteile des vorher beschriebenen Stands der Technik im Wesentlichen durch biegeflexible, jedoch in Längsrichtung hochsteife Zugbandteile ersetzt sind. Die Zugbandteile sind aus Stahlseilstücken oder einem Faserverbundlaminat mit in Bandlängsrichtung unidirektionaler Langfaserstruktur gebildet und sind an ihren mittleren, jeweils zwischen Aktuatorstücken und Ausgangsgliedern gelegenen Bereichen mit die Zugsteifigkeit erhöhenden Verstärkungselementen nach Bedarf versehen.
Ein weiterer piezoelektrischer Aktuator ist aus der DE 196 44 161 C2 bekannt, bei dem mindestens zwei scheibenförmige, koaxial übereinander angeordnete Biegeelemente vorgesehen sind, die jeweils eine Trägerplatte aus hartelastischem Material mit ein- oder beidseitig aufgebrachter Schicht aus piezoelektrischem Material aufweisen. Jeweils zwei Biegeelemente sind über mindestens zwei am Umfang der Trägerplatten angeordnete Biegegelenke miteinander verbunden, wobei ein solches Biegegelenk mindestens einen Biegebalken und ein dazu im Wesentlichen senkrechtes, starres Abstandsstück aufweist.
Aus der US 5,029,148 ist entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 7, ein elektrostriktiver Antrieb mit einem bei Aktivierung längenveränderlichen, elektrostriktiven Aktuator und einem den Aktuator umgebenden, mit diesem zur Einleitung der Längenanordnung des Aktuators verbundenen und die Längenanordnung des Aktuators verstärkenden Übersetzungsrahmen bekannt, bei dem der Übersetzungsrahmen aus einem Laminatkörper aus einem gewickelten und ausgehärteten Glasfasergewebe gebildet ist.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, zur Herstellung eines entsprechenden den Aktuator umgebenden Verstärkungsrahmens, insbesondere unter Verwendung eines Wickelverfahrens, ist der US 5, 337,461 zu entnehmen.
Damit der Übersetzungsrahmen zuverlässig arbeiten kann, ist es erforderlich, dass die vier Rahmenschenkel, die einen solchen im Wesentlichen achteckigen Rahmen ausbilden, zugsteif und gleichzeitig in den Gelenken sehr biegeweich sind. Außerdem ist es erforderlich, dass sie Dauerbelastungen bei hohen Frequenzen, beispielsweise in der Größenordnung von 30 Hz, tolerieren und zudem möglichst einen so langsamen Schadensfortschritt im Schadensfall aufweisen, dass kein plötzliches Totalversagen entstehen kann. Vielmehr sollte ein entstehender Schaden, der zu einem Versagen führt, innerhalb der vorgeschriebenen Inspektionsintervalle entdeckt werden können. Dies ist insbesondere wichtig bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie zum Beispiel bei Anwendungen eines solchen elektrostriktiven Aktuators zur Klappensteuerung eines Hubschrauberrotors.
Im Hinblick auf diese Überlegungen ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Übersetzungsrahmens für einen elektrostriktiven Aktuator, insbesondere einen gestapelten Piezoaktuator, vorzusehen, das eine kostengünstige Herstellung von Übersetzungsrahmen, die diesen Anforderungen entsprechen, ermöglicht. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, einen elektrostriktiven Antrieb bereit zu stellen, der hochleistungsfähig und dauerhaft ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines Halte- oder Übersetzungsrahmens für einen elektrostriktiven Aktuator, insbesondere einen gestapelten Piezoaktuator, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen elektrostriktiven Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen Halte- oder Übersetzungsrahmen einstöckig aus einem gewickelten Faserverbundwerkstoff auszubilden, insbesondere indem ein Prepreg mit unidirektionalen Fasern in Bandlängsrichtung, vorzugsweise mit unidirektionalen Langfasern, um einen Wickelkern gewunden wird und in einer Ebene parallel zur Wickelrichtung der ausgehärtete gebildete Körper in einzelne Halte- oder Übersetzungsrahmen mit vordefinierter Breite geschnitten wird. Die Faserrichtung entspricht vorzugsweise der Wickelrichtung bzw. Umfangsrichtung des Halte- oder Übersetzungsrahmens.
Die Verwendung von Prepregs, das heißt Schichten mit Fasern, die bereits mit Harz imprägniert sind (engt. pre impregnated), gestattet es, hochzugfeste Rahmen herzustellen, insbesondere wenn als Fasern des Prepregs Fasern mit sehr hohem Elastizitätsmodul verwendet werden, wie beispielsweise Kohlenstofffaser mit der Bezeichnung M40J. Daraus ergibt sich ein Elastizitätsmodul des fertigen Laminats, das heißt des ausgehärteten Rahmens, das mit Stahl vergleichbar ist und beispielsweise im Bereich von etwa 210 000 N/mm² liegt.
Vorzugsweise werden eine Mehrzahl von Schichten, beispielsweise etwa fünfzig Schichten gewickelt.
Die Verwendung eines Wickelverfahrens zur Herstellung des Halte- oder Übersetzungsrahmens gestattet darüber hinaus eine kostengünstige Herstellung, da durch ein einfaches Wickelverfahren, Aushärten und anschließendes Schneiden rasch und kostengünstig mehrere Halte- bzw. Übersetzungsrahmen hergestellt werden können, zumal aufwendige Montageschritte zum Zusammenbauen des Rahmens entfallen können.
Die Verwendung von einer hohen Anzahl von Prepreglagen reduziert gleichzeitig im Vergleich zu herkömmlichen Metallrahmen, insbesondere Stahlrahmen, die Zugspannungen im Rahmen erheblich, etwa um den Faktor 1/7. Gleichzeitig verringern sich vorhandene Biegespannungen um den Faktor 1/13. Außerdem nimmt die Werkstofffestigkeit insgesamt zu, was dazu führt, dass der Übersetzungsrahmen eine sehr lange Lebensdauer hat und außerdem schadenstolerant wird. Insbesondere bedeutet dies, dass aufgrund der verschiedenen Prepregschichten bei einem Versagen von einer der Schichten davon auszugehen ist, dass die anderen Schichten nicht gleichzeitig beeinträchtigt sind und somit alle einzelnen Schichten brechen müssten bzw. reißen müssten, um zu einem Gesamtversagen des Aktuators bzw. des Halte- oder Übersetzerahmens zu führen. Somit ist der in einem Wickelverfahren hergestellt Halte- oder Übersetzungsrahmen für einen gestapelten Piezoaktuator auch vorteilhaft im Hinblick auf die Sicherheitsanforderungen, beispielsweise in der Luftfahrt, bei denen ein langsamer Schadensfortschritt unabdingbar ist, um bei möglichst langen Wartungsintervallen sicherzustellen, dass zwischen einer anfänglichen Schadenserkennungsmöglichkeit und einem abschließenden Versagen mit Sicherheit ein Wartungszeitpunkt liegt und somit der Schaden vor dem abschließenden Versagen zuverlässig erkannt werden kann.
Aufgrund dessen, dass der aus einem Verbundwerkstoff hergestellte Übersetzungsrahmen darüber hinaus sehr leicht ist, insbesondere deutlich leichter als ein Stahlrahmen, ist es möglich, bei einem gleich gehaltenen Gesamtgewicht des elektrorestriktiven Aktuators beispielsweise eine höhere Anzahl von Piezoelementen vorzusehen, was wiederum zu einer Leistungssteigerung des Aktuators, das heißt größere Auslenkung, führt.
Vorteilhafterweise werden beim Wickelverfahren mehrere einzelne Zuschnitte des Prepregs um den Wickeldorn gewickelt, wobei die jeweiligen Stoßstellen zwischen den Zuschnitten zwischen den einzelnen Lagen in Umfangsrichtung versetzt sind. Es handelt sich vorzugsweise nicht um ein kontinuierliches Band sondern um einzelne Bandzuschnitte, deren Länge zum Beispiel einer Umfangslänge des Halte- oder Übersetzungsrahmens entspricht. Der Versatz der Stoßstellen trägt dazu bei, dass Schwachstellen im Halte- oder Übersetzungsrahmen vermieden werden und vielmehr aufgrund der Verteilung der Stoßstellen entlang des Umfangs des Halte- bzw. Übersetzungsrahmens dieser gleichmäßig belastbar ist.
Der Wickeldorn hat eine Form, die der gewünschten Umfangskontur des fertigen Rahmens entspricht, zum Beispiel eine einem Achteck angenäherte Form. Dabei werden beim Wickelverfahren die einzelnen Lagen vorzugsweise mit Hilfe von Positionieranschlägen am Wickeldorn ausgerichtet. Dies ermöglicht es, auch später im Einsatz auf einzelne Stoßstellen Bezug zu nehmen und diese zu bezeichnen. Insbesondere liegen die Stoßstellen definiert innerhalb des fertigen Halte- bzw. Übersetzungsrahmens.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind am Halte- oder Übersetzungsrahmen entlang der Umfangsrichtung Zonen mit geringer Biegesteifigkeit und Zonen mit hoher Biegesteifigkeit vorgesehen. Die Zonen mit geringer Biegesteifigkeit werden dadurch erreicht, dass einzelne Lagen des Prepregmaterials beim Wickeln in diesen Zonen durch Lagen aus Trennfolie ausgetauscht werden.
Diese Zonen mit Trennfolie, bei denen beispielsweise jede zweite Lage eine Lage mit Trennfolie ist, haben gegenüber einem kompakten Laminat eine Biegesteifigkeit, die um den Faktor 1/7000 verringert ist. Dies gilt insbesondere, wenn beispielsweise eine 0,025 mm dicke Tedlar-Folie zwischen einem dünnen, uni-direktionalen CFK-Prepreg mit einer Schichtdicke von zum Beispiel 0,14 mm verwendet wird. In den Zonen ohne Trennfolie entlang des Umfangs werden in den Schichten, in denen in den Zonen mit Trennfolie Trennfolie gelegt wird, Prepreglagen eingebracht, welche die Foliendicke ausgleichen. Somit ist es möglich, für die Biegegelenke des Übersetzungsrahmens bzw. Halterahmens weniger biegesteife Anordnungen vorzusehen und somit eine extreme Biegeweichheit, kombiniert mit einer sehr hohen Zugfestigkeit in einem homogenen Körper sicherzustellen.
Zur Rationalisierung des Herstellungsverfahrens wird beispielsweise ein 300 mm langer Wickellaminatkörper hergestellt, der in 19 mm breite Streifen geschnitten wird.
Wenn der Übersetzungsrahmen für einen elektrostriktiven Antrieb, insbesondere in Verbindung mit einem elektrostriktiven Aktuator in Form eines gestapelten Piezoaktuators, verwendet wird, wird es bevorzugt, dass den Übersetzungsrahmen entlang des Umfangs umgebend ein zusätzlicher Halterahmen, vorzugsweise hergestellt aus einem Wickelkörper aus Prepreglagen mit unidirektionalen Fasern, vorgesehen wird. Mit diesem Halterahmen kann der Übersetzungsrahmen an wenig verformbaren Stellen, die den biegesteifen Zonen entsprechen, in denen im Übersetzungsrahmen vorzugsweise keine Folie eingebracht ist, verklebt sein, und zusätzlich kann in den Halterahmen an einem der Enden in Längsrichtung des Übersetzungsrahmens zwischen dem Übersetzungsrahmen und dem Halterahmen ein Halteflansch eingeklebt bzw. eingebracht sein, mit dem der Übersetzungsrahmen beispielsweise im Rotorblatt befestigt wird. Die Verklebung entlang von Bereichen des Umfangs zwischen Übersetzungsrahmen und Halterahmen stellt eine sichere Verbindung und eine gleichmäßige Übersetzung des Piezowegs bzw. des Wegs des elektrostriktiven Aktuators sicher.
Zur Verbindung des gestapelten Piezoaktuators bzw. des elektrostriktiven Aktuators mit dem Übersetzungsrahmen sind vorzugsweise an den Längsenden des Übersetzungsrahmens in diesen Krafteinleitungselemente eingebracht und dort befestigt, beispielsweise eingeklebt. Die Krafteinleitungselemente sind vorzugsweise aus Metall gebildet und im Wesentlich U-förmig oder halbkreisförmig, so dass sie dem Innenumfang des Übersetzungsrahmens an den Längsenden entsprechen. Wenn solche Krafteinleitungselemente an gegenüberliegenden Positionen in den Übersetzungsrahmen eingeklebt sind, so dass sie entlang der Stapelrichtung des gestapelten Piezoaktuators ein oberstes und unterstes Abschlusselement bilden, so kann die Längenänderung des Piezoelements gut auf den Übersetzungsrahmen übertragen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen
1 schematisch eine Draufsicht auf einen elektrostriktiven Aktuator ohne Halterahmen zeigt;
2 eine perspektivische Ansicht eines elektrostriktiven Aktuator mit Halterahmen ist;
3 schematisch den Übersetzungsrahmen darstellt;
4 schematisch einen Halterahmen darstellt;
5 eine perspektivische Ansicht des elektrostriktiven Antriebs zur Befestigung in beispielsweise einem Rotorblatt eines Hubschraubers ist;
6 einen Wickeldorn zur Herstellung des Halte- und/oder Übersetzungsrahmens zeigt.
1 bis 5 zeigen eine Ausführungsform eines elektrostriktiven Antriebs 100 (5) mit einer Rahmenanordnung 10, die einen Übersetzungsrahmen 12 und einen Halterahmen 20 gemäß der Erfindung enthält.
In 1 ist schematisch die Funktionsweise eines elektrostriktiven Antriebs mit einem Übersetzungsrahmen 12 gezeigt. Insbesondere ist ein elektrostriktiver Aktuator, der als gestapelter Piezoaktuator 5 gebildet ist, vorgesehen. Der gestapelte Piezoaktuator 5 erzeugt beim Anlegen eine Spannung von einer nicht dargestellten Spannungsquelle in sich eine Längenänderung, die als Piezoweg P in 1 gezeigt ist. Der gestapelter Piezoaktuator 5 ist in seiner Stapelrichtung an seinen beiderseitigen Stapelenden über geeignete Verbindungsmittel, zum Beispiel Klebeschichten 6, mit Krafteinleitungselementen 8 verbunden, die ihrerseits wiederum mit dem Übersetzungsrahmen 12 verbunden sind. Die Krafteinleitungselemente 8 sind in den Übersetzungsrahmen 12 zum Beispiel eingeklebt und sind aus Metall gebildet, um eine stabile Krafteinleitung und Aufnahme von dem gestapelten Piezoaktuator 5 vorzusehen.
Die Krafteinleitungselemente 8 sind beiderseitig als Abschluss des gestapelten Piezoaktuators 5 in dessen Stapelrichtung vorgesehen, die der Richtung der Längenänderung des gestapelten Piezoaktuators 5 entspricht, und sind in der in 1 dargestellten Draufsicht im Wesentlichen U-förmig mit geschlossener Innenfläche. Ihre Außenumfangsform an der Fläche, die in Berührung mit dem Übersetzungsrahmen 12 ist, entspricht im Wesentlichen der Innenumfangsform des Übersetzungsrahmens 12, insbesondere an dessen Längsenden.
Unter Längsrichtung wird dabei die Richtung bezeichnet, in der sich der Piezoweg ergibt, das heißt der Stapelrichtung des gestapelten Piezoaktuators 5 bzw. der Längenänderungsrichtung eines allgemein elektrostriktiven Aktuators. Der Übersetzungsrahmen 12 ist im Wesentlichen achteckig in der in 1 gezeigten Draufsicht bzw. rautenförmig mit abgeflachten Ecken. Die Stapelrichtung des Piezoaktuators entspricht der längeren der beiden Rautendiagonalen und ist die Längsrichtung L.
Die Anordnung aus dem gestapelten Piezoaktuator 5, den Krafteinleitungselementen 8 und dem Übersetzungsrahmen 12, die ein 1 dargestellt ist, ist sowohl bezüglich der Längsachse L als auch bezüglich einer senkrecht dazu in der Zeichenebene verlaufenden Achse symmetrisch. Der Übersetzungsrahmen 12 ist beigeelastisch deformierbar.
Die achteckige Konfiguration des Übersetzungsrahmen 12 weist an den Enden in Längsrichtung L sowie den mittleren Abschnitten zwischen den Längsenden (den Rautenecken entsprechend) jeweils verhältnismäßig starre Anlenkbereiche 11 und 12 auf, während die dazwischen liegenden Zonen 13 des Übersetzungsrahmens 12 als verhältnismäßig beigeweiche Zonen gestaltet sind.
Bei einer Längenänderung des gestapelten Piezoaktuators 5 entlang des Piezowegs P, beispielsweise einer Ausdehnung unter elektrischen Spannung, folgt der Übersetzungsrahmen 12 der Verformung entsprechend, wobei durch seine feste Verbindung an den Krafteinleitungselementen 8 mit dem gestapelten Piezoaktuator 5 und durch die Biegeweichheit mittels der Zonen 13 und seiner geometrischen Gestalt eine Übersetzung, insbesondere Vergrößerung, des Piezowegs P entsteht, beispielsweise um einen Faktor 10. Entsprechend kann der um den Faktor 10 vergrößerte Piezoweg P entlang der Auslenkung T abgegriffen werden. Beispielsweise kann somit bei einem gestapelten Piezoaktuator mit einer Länge von etwa 100 mm, der eine typische Ausdehnung bei Anlegen einer elektrischen Spannung von 0,1 mm hat, ein Weg von 1 mm bei einer Übersetzung von 1:10 entlang des vergrößerten Wegs T des Übersetzungsrahmens abgegriffen werden.
Neben der Biegeweichheit durch die Zonen 13 ist es für den Übersetzungsrahmen 12 dabei wesentlich, dass er zugsteife Schenkel, die den Zonen 13 entsprechen, aufweist.
In 3 ist der Übersetzungsrahmen 12 genauer gezeigt. Der Übersetzungsrahmen 12 ist dabei insgesamt aus einem Faserverbundwerkstoff in einem Wickelverfahren gebildet. Dazu werden mehrere Schichten eines Prepregs entlang der Wickelrichtung W, die in 3 dargestellt ist und im Wesentlichen der Umfangsrichtung des Übersetzungsrahmens 12 entspricht, laminiert. Der in 3 dargestellte Übersetzungsrahmen 12 ist vorzugsweise aus mehreren einzelnen Zuschnitten des Prepregs, die übereinander gelegt werden und zwischen zwei Lagen versetzte Schnittstellen entlang der Umfangsrichtung bzw. Wickelrichtung W aufweisen, geformt.
Wie es in 3 schematisch angedeutet ist, enthält entlang der Umfangsrichtung der Übersetzungsrahmen 12 Zonen 13 mit erhöhter Biegeweichheit und solche Zonen 14, die verhältnismäßig starr sind. Diese Zonen 14 entsprechen den Anlenkungsstellen 11 in ihrer Lage.
Die biegeweichen Zonen 13 erhalten ihre höhere Biegeweichheit im Vergleich zu den Zonen 14 dadurch, dass zwischen einzelnen Schichten des Faserverbundprepregs beim Wickeln des Rahmes 12 Trennfolie eingebracht wird. Die Trennfolie ist beispielsweise eine 0,025 mm dicke Tedlar-Folie. Die Folie trägt dazu bei, dass die einzelnen Lagen des Prepregs miteinander weniger fest verbunden sind und gegeneinander leichter verschieblich sind, was zum Verformungsvermögen in der Zone 13 beiträgt. Beispielsweise kann zwischen zwei Lagen Prepreg in der Zone 13 jeweils eine Trennfolienlage eingebracht sein, das heißt dass sich Trennfolienlagen und Prepreglagen entlang der Laminierrichtung des Wickelkörpers, der den Übersetzungsrahmen 12 formt, abwechseln.
In den Zonen 14 hingegen ist keine Trennfolie eingebracht. Mit anderen Worten ist in den Zonen 14 ohne Trennfolie ein reiner aus Prepreg laminierter Körper vorhanden, bei dem die Schichtdicke, die durch das Einlegen von Trennfolien zwischen Prepreglagen in den Zonen 13 entsteht, durch zusätzliche Prepreglagen ausgeglichen werden kann, damit der Übersetzungsrahmen 12 eine im Wesentlichen konstante bzw. gleichmäßig ineinander übergehende Dicke hat. Wie in 3 gezeigt ist, befinden sich die Zonen 14 aus kompaktem Laminat sowohl an den beiden Enden in Längsrichtung des Übersetzungsrahmens 12 als auch an den Anlenkstellen der Schenkel zwischen den beiden Endzonen 14 reinen Laminats, und vier Zonen 13 mit Trennfolie sind abwechselnd damit um den Umfang des Übersetzungsrahmens 12 vorgesehen. Vorzugsweise sind die Übergänge zwischen der Trennfolie und dem Laminat, das heißt zwischen den Zonen 13 und 14 so gestaltet, dass sie ebenfalls bezüglich der einzelnen Schichten oder Lagen zueinander etwas in Umfangsrichtung versetzt sind, so dass durch vermehrte Übergänge an einem bestimmten Ort entlang der Umfangsrichtung des Übersetzungskörpers 12 keine Sollversagensstelle entstehen kann.
Wenn als Prepreg eine vorimprägnierte Schicht mit Hochmodulkohlenstofffasern M40J gewählt wird, und beispielsweise 52 Lagen zum Ausbilden des Übersetzungsrahmens 12 gewickelt werden, sowie zwischen jeweils zwei Lagen Prepreg in den Zonen 13 eine Lage Trennfolie eingebracht wird, so hat die Folie in Summe eine Gesamtdicke von ca. 1,2–1,3 mm, was durch mehrere Lagen des Prepregs ausgeglichen werden kann, von dem eine Lage beispielsweise 0,14 mm dick ist. Die Zonen 14 ohne Trennfolie haben gegenüber den Zonen 13 mit Trennfolie eine erhöhte Biegesteifigkeit, die bei den erwähnten Parametern um den Faktor 7000 vergrößert ist.
Das gewählte Prepreg ist vorzugsweise ein unidirektionales CFK-Prepreg, bei dem vorzugsweise die erwähnten Hochmodulkohlenstofffasern verwendet werden, wobei in jedem Fall die Fasern entlang der Wickelrichtung W ausgerichtet sein sollten, um optimale Zugsteifigkeit zu gewährleisten.
Zur Befestigung des Übersetzungsrahmens mit den in 1 gezeigten darin angebrachten Krafteinleitungselementen 8 sowie dem elektrostriktiven Aktuator in Form eines gestapelten Piezoaktuators 5, beispielsweise an einem Hubschrauberrotorblatts, ist es erforderlich, dass die Befestigung derart dimensioniert ist, dass sie hochfrequente Verformungen des Übersetzungsrahmens einerseits zulässt und andererseits die im Rotorblatt entstehenden Kräfte aufnimmt bzw. toleriert, das heißt beispielsweise eine am Aktuator angreifende Zentrifugalbeschleunigung von 800 g (entsprechend einer Fliehkraft von 4700 N).
Dazu wird, wie es in 2 dargestellt ist, der Übersetzungsrahmen 12 in einen Halterahmen 20 eingebracht, der mit einem Halteflansch 26 versehen ist.
Der Halterahmen 20, ist wie er in 4 gezeigt ist, ebenfalls vorzugsweise aus einem Wickelkörper aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, wobei er jedoch anders als der Übersetzungsrahmen 12 nur symmetrisch zur Längsachse L ist, jedoch aufgrund des Vorsehens des Halteflanschs 26 (2), der zwischen ein Längsende des Übersetzungsrahmens 12 und den Halterahmen 20 eingebracht ist, bezüglich einer Achse senkrecht zur Längsachse des Halterahmens keine Achsensymmetrie aufweist. Auch der Halterahmen 20 ist in gleicher Weise wie der Übersetzungsrahmen 12 mit Zonen mit Trennfolie 23 und Zonen ohne Trennfolie 24 gebildet, die sich in Umfangsrichtung, die der Wickelrichtung W des Halterahmens 20 entspricht, abwechseln. Zur Befestigung des Übersetzungsrahmen 12 am Halterahmen 20 sind diese gegeneinander verklebt durch Klebestellen 16 (siehe 2), die im Wesentlichen entlang der jeweiligen Zonen 14, 24 ohne Trennfolie vorgesehen sind, mit der Ausnahme, dass in einem der längsseitigen Enden des Halterahmens 20, das heißt in einer der beiden endseitigen Zonen 24 ohne Trennfolie, statt einer Verbindung zum Übersetzungsrahmen 12 der Halteflansch 26 eingeklebt bzw. dort befestigt ist. Zwischen den Verklebestellen 16 entlang der Zonen 13 bzw. 23 mit Trennfolie, sind entlang der Bereiche 17 der Halterahmen 20 und der Übersetzungsrahmen 12 miteinander nicht verbunden.
Die in 2 dargestellte Anordnung 10, die im Wesentlichen dem elektrostriktiven Antrieb 100 entspricht, wobei jedoch der gestapelte Piezoaktuator 5 in 2 nicht dargestellt ist, wird schließlich zur Befestigung mit Bohrungen auf einer Gehäuseseite und Abtriebsseite jeweils versehen (siehe 5). Dazu sind in den Anlenkungszonen 11 entlang der langen Seiten des Übersetzungsrahmens 12 bzw. Halterahmens 20 in den Bereichen 14 ohne Trennfolie durchgehende Bohrungen vorgesehen, die zusätzlich, zum Vermeiden vom Rissen oder Brüchen in der Bohrungszone dadurch verstärkt werden, dass außenseitig auf dem Halterahmen und innenseitig im Übersetzungsrahmen zusätzliche Gewebeverstärkungslagen 30 aufgeklebt sind. Diese verhindern zusätzlich eine Schädigung des elektostriktiven Antriebs 100 im Bohrungsbereich unter Betriebslasten. Zur gehäuseseitigen Befestigung ist eine Passschraube 40 in die vorgesehene Bohrung eingebracht. Zur Befestigung des Messrahmens 42 ist auf der Abtriebsseite eine Buchse 41 in die Bohrung durch den Übersetzungsrahmen 12 und den Halterahmen 20 geführt.
6 zeigt schließlich einen Wickeldorn 50, der zur Herstellung des Übersetzungsrahmens 12 verwendet werden kann. Der Wickeldorn für den Halterahmen ist nicht dargestellt und ist ähnlich gebildet, jedoch aufgrund der erwähnten Asymmetrie des Halterahmens 20 ebenfalls asymmetrisch gestaltet. Der Wickeldorn 50 enthält eine Befestigungswelle 51, mit der er zum Beispiel in eine Drehvorrichtung eingespannt werden kann. Die Drehrichtung der Befestigungswelle 51 in der Drehvorrichtung ist schematisch durch den Pfeil D dargestellt. Der Wickeldorn 50 hat eine Breite B zwischen Endplatten 54, in die das Prepreg gewickelt werden kann, die beispielsweise 300 mm ist, das heißt ein Vielfaches der Endbreite des Halterahmens 20 bzw. Übersetzungsrahmens 12. Somit können durch einen einzigen Wickelvorgang mehrere Halte- bzw. Übersetzungsrahmen 20 bzw. 12 hergestellt werden, die nach dem Aushärten des Laminats in Stücke mit entsprechender Breite, beispielsweise 19 mm, geschnitten werden.
Die Endplatten 54 des Wickeldorns 50 sind zusätzlich mit Positionieranschlägen 56 für Folienbänder versehen. Somit können beispielsweise die Folienbänder über eine größere Breite (einschließlich der Breite der Endplatten) gelegt werden, während die Prepreglagen nur innerhalb der Zone zwischen den beiden Endplatten 54 liegen.
Damit kann eine sichere Positionierung der Folienlagen gewährleistet werden. Wenn die Positionieranschläge 56 beispielsweise abgeschrägte Seitenflächen 57 aufweisen, so sind übereinander liegende Folienlagen zueinander entlang der Wickelrichtung leicht versetzt, so dass kein abrupter Übergang zwischen Zonen 13 mit Trennfolie und Zonen 14 ohne Trennfolie in beispielsweise dem Übersetzungsrahmen entsteht.

5: Piezoaktuator
6: Klebeschicht
8: Krafteinleitungselement
10: Rahmenanordnung
11: Anlenkbereich
12: Übersetzungsrahmen
13: Zone
14: Zone
16: Klebestelle
17: Bereich
20: Halterahmen
23: Trennfolie
24: Trennfolie
26: Halteflansch
30: Gewebeverstärkungslage
40: Passschraube
41: Buchse
42: Messrahmen
50: Wickeldorn
51: Befestigungswelle
52: Wickeldorn
54: Endplatte
56: Positionieranschlag
57: Seitenfläche
100: Elektrostriktiver Antrieb
B: Breite
D: Drehrichtung
L: Längsachse
P: Piezoweg
W: Winkelrichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halte- oder Übersetzungsrahmens (12; 20) für einen elektrostriktiven Aktuator (5), enthaltend die Schritte: (a) Umwickeln eines der Form des Innenumfangs des Rahmens (12; 20) entsprechenden Wickeldorns (52) mit mehreren Lagen eines unidirektionalen Prepregs zum Ausbilden eines Laminatkörpers; (b) Aushärten des Laminatkörpers; und (c) Zuschneiden des ausgehärteten Laminatkörpers in den Rahmen durch Schnitte parallel zur Wickelrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass Zuschnitte des Prepregs und Zuschnitte einer Trennfolie in Umfangsrichtung entlang des Laminatkörpers abwechselnd in definierten Lagen des Laminatkörpers angeordnet werden, so dass entlang des Laminatkörpers in Umfangsrichtung Zonen mit Trennfolie (13; 23) und Zonen ohne Trennfolie (14; 24) entstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere einzelne Zuschnitte des Prepregs um den Wickeldorn (52) gewickelt werden, wobei Stoßstellen zwischen den Zuschnitten zwischen den Lagen in Umfangsrichtung versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zonen mit Trennfolie (13; 23) und die Zonen ohne Trennfolie (14; 24) verschiedener Lagen des Laminatkörpers übereinander in Schichtrichtung liegen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zonen mit Trennfolie (13; 23) in Schichtrichtung abwechselnd Prepreg und Trennfolie gelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschnitte aus Prepreg und/oder Folie mittels Positionieranschlägen (56) am Wickeldorn (52) beim Umwickeln positioniert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prepreg ein CFK-Prepreg ist.
Elektrostriktiver Antrieb (100) mit einem bei Aktivierung längenveränderlichen, elektrostriktiven Aktuator (5) und einem den Aktuator umgebenden, mit diesem zur Einleitung der Längenänderung des Aktuators verbundenen und die Längenänderung des Aktuators verstärkenden Übersetzungsrahmen (12), wobei der Übersetzungsrahmen (12) aus einem Laminatkörper aus einem gewickelten und ausgehärteten Prepreg gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung entlang des Übersetzungsrahmens (12) Zonen mit Trennfolie (13) und Zonen ohne Trennfolie (14) vorhanden sind, die durch abwechselndes Anordnen von Zuschnitten des Prepregs und Zuschnitten einer Trennfolie entlang der Umfangsrichtung des Laminatkörpers in definierten Lagen gebildet sind.
Elektrostriktiver Antrieb (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass den Übersetzungsrahmen (12) umgebend ein Halterahmen (20) vorgesehen ist.
Elektrostriktiver Antrieb (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (20) aus einem Laminatkörper aus einem gewickelten und ausgehärteten Prepreg gebildet ist.
Elektrostriktiver Antrieb (100) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterahmen (20) mit dem Übersetzungsrahmen (12) entlang Bereichen (16) ihrer Umfänge verklebt ist.
Elektrostriktiver Antrieb (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laminatkörper des Übersetzungsrahmens (12) und/oder des Halterahmens (20) aus mehreren einzelnen, um einen Wickeldorn (52) gewickelten Zuschnitten des Prepregs gebildet ist, wobei Stoßstellen zwischen den Zuschnitten zwischen den Lagen in Umfangsrichtung des Laminatkörpers versetzt sind.
Elektrostriktiver Antrieb (100) nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung entlang des Halterahmens (20) Zonen mit Trennfolie (23) und Zonen ohne Trennfolie (24) vorhanden sind, die durch abwechselndes Anordnen von Zuschnitten des Prepregs und Zuschnitten einer Trennfolie entlang der Umfangsrichtung des Laminatkörpers in definierten Lagen gebildet sind.
Elektrostriktiver Antrieb (100) nach Anspruch 7 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zonen mit Trennfolie (13; 23) in Schichtrichtung abwechselnd eine Lage Prepreg und eine Lage Trennfolie vorgesehen ist.
Elektrostriktiver Antrieb (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Übersetzungsrahmen (12) und/oder der Halterahmen (20) aus einem CFK-Prepreg gebildet ist.
Elektrostriktiver Antrieb (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostriktive Aktuator ein gestapelter Piezoaktuator (5) ist.
Elektrostriktiver Antrieb (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Übersetzungsrahmen (12) metallische Krafteinleitungselemente (8) befestigt sind, mit denen der elektrostriktive Aktuator (5) verbunden ist und auf die er einwirkt.
Elektrostriktiver Antrieb (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Krafteinleitungselemente (8) in zueinander gegenüberliegenden Positionen in den Übersetzungsrahmen (12) eingeklebt sind, vorzugsweise entlang der Stapelrichtung auf beiden Endseiten eines gestapelten Piezoaktuators (5).