DE102010025142A1

DE102010025142A1 - Adaptive Feder-, Dämpfungs- oder Gelenksysteme

Info

Publication number: DE102010025142A1
Application number: DE201010025142
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: FG-INNOVATION UG (HAFTUNGSBESCHRAENKT); FG INNOVATION UG HAFTUNGSBESCHRAENKT; Fg-Innovation Ug (haftungsbeschrankt)
Current assignee: Otto Egelhof GmbH and Co KG
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2011-12-29

Abstract

Um adaptive Feder-, Dämpfungs- oder Gelenksysteme zu schaffen, deren Funktionseigenschaften an unterschiedliche Betriebsbedingungen technisch einfach anpassbar sind, wird vorgeschlagen, dass mindestens ein aus Formgedächtnismaterial mit thermischen oder pseudoelastischen Formgedächtniseffekt ausgebildetes adaptives Federsystem (5, 15) oder ein Dämpfungs- oder Gelenksystem derart ansteuerbar vorgesehen ist, dass mittels einer Erwärmung oder einer Glühbehandlung im Betriebszustand die Feder-, Dämpfungs- oder Gelenkeigenschaften veränderbar sind und/oder dass mindestens ein aus einem Formgedächtnismaterial ausgebildetes variierbares Stellelement (13) vorgesehen ist, welches die Feder-, Dämpfungs- oder Gelenkeigenschaften des gesamten adaptiven Systems verändert. Die adaptive Feder-, Dämpfungs-, Gelenk- und Stellelemente weisen verschiedene Bauformen auf und führen verschiedene Bewegungsarten aus, wobei die Erwärmung oder Glühbehandlung der Formgedächtniselemente vorzugsweise mittels des elektrischen Stroms und des Eigenwiderstandes des Formgedächtniselementes, als auch mittels einer Umgebungswärme vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft adaptive Feder-, Dämpfungs- oder Gelenksysteme, deren Funktionseigenschaften an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassbar sind.
Es ist bekannt, dass Formgedächtniselemente zur Erzeugung von Stellbewegungen dienen, indem nach einer Verformung durch eine Erwärmung und eine damit verbundene kristalline Umwandlung eine Rückstellung in die Ausgangsform erfolgt. Formgedächtniselemente werden weiterhin als Feder- oder Dämpfungselemente und als Festkörpergelenke verwendet. Hier erfolgt die kristalline Umwandlung spannungsinduziert. Bei beiden Anwendungen können sich Formgedächtniselemente an eine durch eine erfolgte Glühbehandlung zuvor eingeprägte Form erinnern.
Es ist weiterhin bekannt, dass bei einer Kontraktion oder Dehnung des Formgedächtniselementes durch Temperaturänderung eine Stellbewegung des Betätigungselementes ausgelöst wird. Die Rückstellung in den Ausgangszustand erfolgt im Abkühlvorgang mit eintretender Rückumwandlung durch eine Stahlfeder. Derartige Aktoren, wie sie z. B. in der DE 198 02 639 A1 beschrieben werden, einer Bewegungseinrichtung mit Formgedächtnisantrieb, oder in der US 4 761 955 , einem Rotationsaktor, sowie ein Ventilantrieb für ein elektromechanisches Thermostatventil in der US 5 400 961 oder ein Ventilantrieb für eine Kraftstoffversorgungsanlage in der US 6 039 030 sowie andere Aktoren besitzen jedoch den Nachteil, dass der Formgedächtniseffekt und damit der nutzbare Stellweg nicht konstant bleibt, sondern mit der Zeit nachlassen und damit die Lebensdauer negativ beeinflussen. Umso höher die Belastung eines Aktors in Bezug auf Stellkraft und Stellweg ist, umso schneller reduziert sich der Formgedächtniseffekt. In der Fachwelt spricht man hierbei von funktionaler Ermüdung. Deshalb besteht ein großes Interesse darin, adaptive Federsysteme zu generieren, die die Rückstellkraft entsprechend der Betriebssituation anpassen können. Weiterhin ist bekannt, dass sich durch eine Veränderung der Vorspannung eines Aktorelementes aus Formgedächtnismaterial sich dessen Umwandlungstemperaturen verändern. Durch ein adaptives Rückstell- bzw. Vorspannsystem kann somit die Umwandlungstemperatur von Formgedächtnisstellelementen im Betrieb verändert oder justiert werden. Der Einsatz eines Formgedächtniselementes als adaptives Federelement ist jedoch nicht nur auf den Einsatz in Formgedächtnisaktoren beschränkt, sondern auch in anderen Aktorsystemen z. B. auf der Basis von Elektromagneten oder generell in technischen Systemen, wo Federelemente zum Einsatz kommen, möglich. Äquivalent zu den Federelementen bieten auch Festkörpergelenke aus Formgedächtnismaterial die Möglichkeit, Gelenkeigenschaften, wie die Steifigkeit betriebsbedingt, also adaptiv einzustellen.
Eine weitere Eigenschaft von Formgedächtnismaterialien ist das enorme Dämpfungsvermögen. Damit eignen sich Formgedächtnismaterialien auch zum Einsatz als adaptive Dämpfungselemente. Die Verwendung von FGL-basierten nicht adaptiven Dämpfungselementen ist aus der DE 10 2007 010 693 A1 für eine Lageranordnung zur Dämpfung von Stößen und zum Ausgleich von Winkelfehlern und aus der DE 60 2005 004 919 T2 für eine Scheibenbremse mit Formgedächtnisdämpfungsmitteln bekannt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein adaptives System zu schaffen, welches entsprechend seiner Funktion als Feder-, Dämpfungs- oder Gelenksystem einsetzbar ist und deren Funktionseigenschaften, d. h. Feder- und Dämpfungseigenschaften oder die Steifigkeit veränderbar sind, so dass zur Anpassung und zum Einsatz bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen technisch einfach ein adaptives Feder-, Dämpfungs- oder Gelenkverhalten erzeugbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass mindestens ein aus Formgedächtnismaterial ausgebildetes adaptives Federsystem oder ein Dämpfungs- oder Gelenksystem derart ansteuerbar vorgesehen ist, dass mittels einer Erwärmung oder einer Glühbehandlung im Betriebszustand die Feder-, Dämpfungs- oder Gelenkeigenschaften veränderbar sind und/oder dass mindestens ein aus einem Formgedächtnismaterial ausgebildetes variierbares Stellelement vorgesehen ist, welches die Feder-, Dämpfungs- oder Gelenkeigenschaften des adaptiven Gesamtsystems verändert.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das adaptive Feder-, Dämpfungs- oder Gelenksystem aus einem Formgedächtniselement mit pseudoelastischem Formgedächtniseffekt ausgebildet ist, wobei durch eine Erwärmung die Feder- und Dämpfungseigenschaften oder die Steifigkeit im Betriebszustand temporär oder mittels einer Glühbehandlung permanent veränderbar vorgesehen sind, so dass dadurch entweder temporär die Materialeigenschaften, wie die Plateauspannung und damit die Feder- und Dämpfungseigenschaften verändert werden und der Erwärmungsprozess dabei beispielsweise mittels einer elektrischen Bestromung, ähnlich der elektrischen Aktivierung, erfolgt oder dass das Formgedächtniselement im Betriebszustand durch eine Glühbehandlung seine Eigenschaften permanent verändert, indem das Formgedächtniselement einem kurzzeitigen Glühprozess unterzogen wird, der die Materialeigenschaften, wie die Plateauspannung und damit die Feder- und Dämpfungseigenschaften verändert. Der Glühprozess kann dabei ebenfalls mittels einer elektrischen Bestromung mit höheren Stromstärken erfolgen. Der Glühprozess kann zudem zum Zwecke der mehrmaligen Veränderung mehrmals durchgeführt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das adaptive Feder-, Dämpfungs- oder Gelenksystem aus einem Formgedächtniselement mit thermischem Formgedächtniseffekt ausgebildet ist, wobei durch eine Erwärmung und der damit verbundenen kristallinen Umwandlung deren mechanische Eigenschaften temporär oder durch eine Glühbehandlung permanent verändert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird darin gesehen, dass ein adaptives aus Formgedächtnismaterial ausgebildetes Federelement separat, oder dass ein adaptives aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Federelement in Wirkverbindung mit einem herkömmlichen Federelement vorgesehen ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform wird darin gesehen, dass ein adaptives Formgedächtniselement mit thermischem Formgedächtniseffekt in Wirkverbindung mit einem herkömmlichen Feder- oder Dämpfungselement bei einer Erwärmung eine Stellbewegung durchführt, wobei das herkömmliche Feder- oder Dämpfungselement vorgespannt oder in seiner Bewegung eingeschränkt wird, derart, dass dadurch dessen Federkennlinie und dessen Federeigenschaften veränderbar sind.
Hierdurch ist es möglich, das Formgedächtnisstellelement dazu einzusetzen, eine herkömmlich Feder, z. B. eine Stahlfeder, zu spannen oder zu entspannen, um die Federkraft zu erhöhen oder zu reduzieren. Der Spannungs- oder Entspannungsvorgang kann zum einen temporär durch die Erwärmung eines Formgedächtnisstellelementes, dessen Martensitplateaukraft unterhalb der Federkraft liegt, erfolgen. Zum anderen besteht die Möglichkeit durch die Verwendung eines Stellelementes aus Formgedächtnismaterial mit einer Plateaukraft oberhalb der Federkraft eine permanente Veränderung der Federeigenschaften herbeizuführen. Durch eine Phasenumwandlung des Formgedächtniselementes von Martensit in Austenit wird eine Änderung der Feder- und Dämpfungseigenschaften generiert. Hierbei muss das Formgedächtniselement im Betriebzustand über eine Widerstandserwärmung über den Umwandlungspunkt hinaus erwärmt werden. Die Erwärmung kann beispielsweise durch einen elektrischen Strom über den Eigenwiderstand des Formgedächtniselementes oder aufgrund der Umgebungswärme erfolgen.
Dadurch, dass das Formgedächtniselement zum Schalten von Vorspannungen einer herkömmlichen Rückstellfeder oder als Rückstellfeder selber, beispielsweise eines Formgedächtnisaktors einsetzbar ist, ist eine Optimierung der Leistungsfähigkeit und Ermüdung oder eine bedarfsgerechte Erhöhung der Umwandlungstemperaturen erreichbar.
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die adaptiven Feder-, Dämpfungs-, Gelenk- und Stellelemente auf Basis von Formgedächtnislegierungen verschiedene Bauformen aufweisen und Bewegungsarten ausführen können und dass mehrere adaptive Feder-, Dämpfungs-, Gelenk- und Stellelemente in einer Parallel- oder Reihenschaltung vorgesehen sind.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung wird darin gesehen, dass die Erwärmung oder Glühbehandlung der Formgedächtniselemente vorzugsweise mittels des elektrischen Stroms und des Eigenwiderstandes des Formgedächtniselementes als auch mittels einer Umgebungswärme vorgesehen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines adaptiven Systems mit einer veränderbaren Rückstellfeder aus Formgedächtnismaterial;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines adaptiven Systems mit einer durch ein Stellelement aus Formgedächtnismaterial veränderbaren Charakteristik einer herkömmlichen Rückstellfeder aus Stahl;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines adaptiven Systems mit einer durch ein drahtförmiges Formgedächtniselement veränderbaren Charakteristik einer herkömmlichen Rückstellfeder aus Stahl.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Formgedächtnisaktors 1 mit einem erfindungsgemäßen adaptiven Federsystem in einem Betriebszustand. In einem Gehäuse des Formgedächtnisaktors 1 ist ein Betätigungselement 2 so längsgeführt, dass das Betätigungselement 2 eine Translationsbewegung nach oben und unten ausführt. Das Betätigungselement 2 ist mit einem Formgedächtniselement 3 in einer Koppelstelle 4 so gekoppelt, dass sich bei Erwärmung des Formgedächtniselementes 3 das Betätigungselement 2 nach oben bewegt. Zur Rückstellung des Betätigungselementes 2 ist eine Rückstellfeder 5 aus Formgedächtnismaterial angeordnet. Das eine Ende 6 der Rückstellfeder 5 aus Formgedächtnismaterial stützt sich dazu an dem Gehäuse des Formgedächtnisaktors 1 ab und ein anderes Ende 7 der Rückstellfeder 5 aus Formgedächtnismaterial an einem Ansatz 8 des Betätigungselementes 2. Die Rückstellfeder 5 aus Formgedächtnismaterial mit einem thermischen Formgedächtniseffekt ändert durch eine Erwärmung und der damit verbundenen kristallinen Umwandlung ihre mechanischen Eigenschaften temporär oder durch eine Glühbehandlung permanent und wirkt damit als adaptives Federsystem. Alternativ kann eine Rückstellfeder 5 aus Formgedächtnismaterial mit einem pseudoelastischen Formgedächtniseffekt eingesetzt werden, die durch eine Erwärmung ihre mechanischen Eigenschaften temporär oder durch eine Glühbehandlung permanent erändert. In einem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend 2 ist als Rückstellfeder eine herkömmliche zylindrische Schraubenfeder 9 aus Stahl vorgesehen. Die Rückstellfeder 9 aus Stahl stützt sich mit einem Ende 10 an dem Ansatz 8 des Betätigungselementes 2 und mit ihrem anderen Ende 11 an einer Stützplatte 12 ab, die im Gehäuse des Formgedächtnisaktors 1 so längsgeführt ist, dass die Stützplatte 12 eine Translationsbewegung nach oben und unten ausführt. Mittels eines als Biegefeder ausgebildeten Stellelementes 13 wird die Rückstellfeder 9 aus Stahl nach unten gedrückt. Durch eine Erwärmung und der damit verbundenen kristallinen Umwandlung ändert das Formgedächtniselement 13 seine mechanischen Eigenschaften temporär oder durch eine Glühbehandlung permanent und damit ändert sich die Vorspannung der Rückstellfeder 9 aus Stahl.
In einem dritten Ausführungsbeispiel entsprechend 3 ist ebenfalls als Rückstellfeder 9 eine zylindrische Schraubenfeder aus Stahl angeordnet. Die Rückstellfeder 9 aus Stahl stützt sich mit dem einen Ende 10 an dem Ansatz 8 des Betätigungselementes 2 ab und mit ihrem anderen Ende 11 am Gehäuse des Formgedächtnisaktors 1 ab. Parallel zur Rückstellfeder 9 aus Stahl ist in einer Mitte 14 der Rückstellfeder 9 aus Stahl ein drahtförmiges Formgedächtniselement 15 angeordnet, das durch eine Erwärmung und der damit verbundenen kristallinen Umwandlung seine mechanischen Eigenschaften temporär oder durch eine Glühbehandlung permanent ändert und damit die Kennlinie bzw. die Kräfte des Federsystems verändert.
Es besteht generell die Möglichkeit, auch mehrere Rückstellfedern aus Formgedächtnismaterial parallel zueinander anzuordnen.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das Ausführungsbeispiel, sondern ist in den angewandten Methoden variabel. Sie umfasst insbesondere auch Varianten, die durch Kombination von in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmalen bzw. Elementen gebildet werden können. Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie aus den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und in den Ansprüchen erwähnt sind.
Bezugszeichenliste

1: Formgedächtnisaktor
2: Betätigungselement
3: Formgedächtniselement
4: Koppelstelle
5: Rückstellfeder aus Formgedächtnismaterial
6: Ende der Rückstellfeder aus Formgedächtnismaterial
7: Ende der Rückstellfeder aus Formgedächtnismaterial
8: Ansatz des Betätigungselementes
9: Rückstellfeder aus Stahl
10: Ende der Rückstellfeder aus Stahl
11: Ende der Rückstellfeder aus Stahl
12: Stützplatte
13: Formgedächtniselement
14: Mitte der Rückstellfeder aus Stahl
15: drahtförmiges Formgedächtniselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19802639 A1 [0003]
US 4761955 [0003]
US 5400961 [0003]
US 6039030 [0003]
DE 102007010693 A1 [0004]
DE 602005004919 T2 [0004]

Claims

Adaptive Feder-, Dämpfungs- oder Gelenksysteme, deren Funktionseigenschaften an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein aus Formgedächtnismaterial ausgebildetes adaptives Federsystem (5, 15) oder ein Dämpfungs- oder Gelenksystem derart ansteuerbar vorgesehen ist, dass mittels einer Erwärmung oder einer Glühbehandlung im Betriebszustand die Feder-, Dämpfungs-, oder Gelenkeigenschaften veränderbar sind und/oder dass mindestens ein aus einem Formgedächtnismaterial ausgebildetes variierbares Stellelement (13) vorgesehen ist, welches die Feder-, Dämpfungs- oder Gelenkeigenschaften des gesamten adaptiven Systems verändert.
Adaptives System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive Federsystem (5, 15) oder das Dämpfungs-, oder Gelenksystem aus einem Formgedächtniselement mit pseudoelastischem Formgedächtniseffekt ausgebildet ist, wobei die Feder- und Dämpfungseigenschaften oder die Steifigkeit mittels einer Erwärmung im Betriebszustand temporär oder mittels einer Glühbehandlung permanent veränderbar vorgesehen sind.
Adaptives System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive Federsystem (5, 15) oder das Dämpfungs-, oder Gelenksystem aus einem Formgedächtniselement mit thermischem Formgedächtniseffekt ausgebildet ist, wobei durch eine Erwärmung und der damit verbundenen kristallinen Umwandlung deren mechanischen Eigenschaften temporär oder durch eine Glühbehandlung permanent veränderbar vorgesehen sind.
Adaptives System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Federelement (5) separat vorgesehen ist.
Adaptives System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Federelement (15) in Wirkverbindung mit einem herkömmlichen Federelement (9) vorgesehen ist.
Adaptives System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein adaptives Formgedächtniselement (13) mit thermischem Formgedächtniseffekt in Wirkverbindung mit dem herkömmlichen Feder- (9) oder Dämpfungselement bei einer Erwärmung eine Stellbewegung durchführt, wobei das herkömmliche Feder- (9) oder Dämpfungselement vorgespannt oder in seiner Bewegung eingeschränkt wird, derart, dass dadurch dessen Federkennlinie und dessen Federeigenschaften veränderbar sind.
Adaptives System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten adaptiven Feder-, Dämpfungs-, Gelenk- und Stellelemente (5, 13, 15) unterschiedliche Bauformen und Bewegungsarten aufweisen.
Adaptives System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere adaptive Feder-, Dämpfungs-, Gelenk- und Stellelemente (5, 13, 15) in einer Parallel- oder Reihenschaltung vorgesehen sind.
Adaptives System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erwärmung oder Glühbehandlung der Formgedächtniselemente (5, 13, 15) vorzugsweise mittels des elektrischen Stroms oder des Eigenwiderstandes des Formgedächtniselementes als auch mittels einer Umgebungswärme vorgesehen ist.
Adaptives System nach einem der Ansprüche 1 bis 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige adaptive Federsystem (5, 9, 15) als Rückstellelement für einen Formgedächtnisaktor (1) vorgesehen ist.
Adaptives System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtniselement (13) zum Schalten von Vorspannungen einer herkömmlichen Rückstellfeder (9) eines Formgedächtnisaktors (1) zur Optimierung der Leistungsfähigkeit und Ermüdung oder zur bedarfsgerechten Erhöhung der Umwandlungstemperaturen einsetzbar ist.