DE19529712A1 - Formgedächtnisaktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Formgedächtnisaktuator für einen Betätigungsmechanis­ mus, beispielsweise an Raumfahrtkörpern, mit einem Stellglied aus einer Formge­ dächtnislegierung, wobei das Stellglied beheizbar ist.

Formgedächtnislegierungen sind im Stand der Technik bekannt. Sie haben als wesent­ liche Legierungsbestandteile Nickel und Titan sowie weitere Zusätze in geringen Men­ gen, die das Verhalten der Legierung wesentlich bestimmen. Eine Formgedächtnisle­ gierung besitzt eine bestimmte, martensitische Kristallstruktur, die durch Erhitzung in eine andere, austenitische Kristallstruktur wechselt. Die Kristallstrukturveränderung führt zu einer Formänderung, die eine im martensitischen Zustand aufgezwungene Verformung rückgängig macht. Ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung zieht sich somit nach vorausgegangener Längung bei Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb der austenitischen Umwandlungstemperatur wieder zusammen. Die Schrumpfdehnung beträgt bei bisher angewendeten Materialien bis etwa 8%. Wird der Draht an der Schrumpfdehnung gehindert, werden nicht unerhebliche Kräfte entwickelt.

Im Stand der Technik ist es bekannt, derartige Formgedächtnislegierungen so vorzu­ behandeln, daß auch eine Bewegung in zwei Richtungen, also eine Schaltfunktion, ausgeübt werden kann. Die aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Bauteile bewegen sich dann zwischen zwei Zuständen oberhalb und unterhalb der austeniti­ schen Umwandlungstemperatur, ausgelöst durch Wärmezufuhr bzw. Abkühlung, hin und her. In diesem Fall lassen sich für den Fall der Beanspruchung mit großer Lastzy­ klenzahl Dehnungen bis ca. 3,5% ausnutzen.

Insgesamt ist es schwierig, einen geeigneten Erwärmungs- und Abkühlungsmecha­ nismus für eine vorherbestimmbare Schaltfunktion bereitzustellen. Zur Bereitstellung der erforderlichen Stellkräfte sind zudem entsprechend dicke Drähte aus Formge­ dächtnislegierungen nötig. Nachteilig ist dabei, daß im Draht eine ungleichmäßige Temperaturverteilung entsteht und sich damit die verschiedenen Bestandteile der komplex aufgebauten Materialien divergierend und kaum noch vorherbestimmbar ver­ halten. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, daß Formgedächtnislegierungen teuer sind und somit der Materialeinsatz aus wirtschaftlichen Gründen stark eingeschränkt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Formgedächtnisaktuator anzugeben, der auch bei begrenzter Energiezufuhr eine sichere vorherbestimmbare Betätigung mit großer Stellkraft und relativ großen Stellwegen ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Stellglied aus wenigstens einem in meh­ reren Windungen angeordneten dünnen Draht besteht.

Der dünne Draht wird durch die Beheizung schnell gleichmäßig erwärmt. Ein die Kri­ stallumwandlung behinderndes Temperaturgefälle kann in dem dünnen Drahtquer­ schnitt nicht auftreten. Um die benötigte Stellkraft zu erzeugen, wird der dünne Draht in einer größeren Anzahl von Windungen angeordnet, wobei sich die Stellkräfte je Win­ dung addieren. Es ist daher möglich, eine vorgegebene Stellkraft durch die entspre­ chende Anzahl von Windungen zu erzeugen. Die Länge einer Windung des dünnen Drahtes bestimmt den bei der Umwandlung hervorgerufenen maximalen Verfor­ mungsweg und damit den maximal möglichen Stellweg.

Dadurch, daß der Draht elektrisch isoliert und von einem hindurchfließenden elektri­ schen Strom beheizbar ist, ist eine besonders wirkungsvolle Direktbeheizung des Drahtes aufgrund des in dem elektrischen Leiter wirkenden elektrischen Widerstandes möglich. Der Erwärmungsvorgang läßt sich dann vorteilhaft mit elektrischen Stellgrö­ ßen regeln. Durch diese Direktbeheizung ist die Erwärmung im Draht besonders gleichmäßig, so daß die austensitische Umwandlungstemperatur über die gesamte Drahtlänge und den Drahtquerschnitt im wesentlichen gleichzeitig erreicht wird.

Wenn die Windungen des Drahtes um zueinander bewegliche Elemente herumführen, wird eine direkte Betätigung von Auslösemechanismen, Ver- bzw. Entriegelungsme­ chaniken usw. durch das bzw. die bewegbaren Elemente erreicht. Die Anzahl und die Anordnung der Elemente kann je nach Betätigungszweck unterschiedlich ausgebildet sein. So bilden zwei gegenüberstehende, zueinander bewegliche Elemente einen Linien­ aktuator mit zwei Umlenkpunkten. Ebenso ist es jedoch möglich, drei Elemente in Form eines Dreiecks, vier Elemente in Form eines Vierecks oder sechs Elemente hexagonal anzuordnen. Beispielsweise bei der Hexagonform der Drahtwindungen wirkt die aufgrund der Umwandlung entstehende Zugkraft der Drahtbündel an sechs glei­ chen Teilstücken in Form von sechs Zugkraftpaaren, die eine radiale, zum Mittelpunkt des Hexagons gerichtete Kraft an jedem Umlenkpunkt, also an jedem Element, erzeu­ gen. Damit werden sechs Druckkräfte erzeugt, die zur Auslösung einer gleichen Anzahl von beispielsweise Verriegelungselementen benutzt werden können.

Wenn die Windungen des Drahtes an den beweglichen Elementen formschlüssig be­ festigt sind, kann auch die Dehnung des aus der Formgedächtnislegierung bestehen­ den Drahtes bei der Rückumwandlung in den martensitischen Zustand ausgenutzt werden. Es entsteht somit ein Zwei-Wege-Effekt, der in der einen Richtung eine Druckkraft und in der anderen Umwandlungsrichtung eine Zugkraft erzeugt.

Dadurch, daß eine Ummantelung zur Wärmeisolierung für das Stellglied vorgesehen ist, wird die Stellgeschwindigkeit des Aktuators erhöht, da kaum Wärmeverluste auftre­ ten. Der in den Draht eingespeiste Strom wird somit optimal eingesetzt.

Um auch die Rückumwandlung in den martensitischen Zustand schnell ausführen zu können, kann eine aktive Kühlung für das Stellglied vorgesehen werden. Bevorzugt ist die zur Wärmeisolierung verwendete Ummantelung dichtend ausgebildet und mit An­ schlüssen zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgestattet. Das durch einen An­ schluß in der Ummantelung zufließende Kühlmedium tritt in direkten Kontakt mit dem Draht und wird am anderen Anschluß abgeleitet. Das Kühlmedium nimmt durch Wär­ meleitung und/oder Konvektion Energie auf und kühlt somit den aus einer Formge­ dächtnislegierung bestehenden Draht ab. Insgesamt erlaubt die aktive Kühlung eine erhöhte Betätigungsfrequenz des Aktuators.

Die elektrische Isolierung der verschiedenen Windungen gegeneinander kann außer durch Ummantelung des Drahtes auch dadurch erfolgen, daß die Formstücke in den Umlenkpunkten als Isolator wirken und im übrigen zwischen den Drähten im Abstand eingehalten wird.

Dadurch entsteht als Vorteil die Möglichkeit, daß ein in diesem Falle vorzugsweise gasförmiges Kühlmedium in direkten Kontakt mit den Einzeldrähten gelangen kann.

Da die Dimensionierung des Drahtes, die Anzahl der Windungen sowie die geometri­ sche Anordnung in weiten Bereichen veränderbar sind, kann der Aktuator an die zur Verfügung stehende Energieversorgung problemlos angepaßt werden. Gewichtsauf­ wendige Spannungsversorgungen mit Transformatoren werden nicht benötigt. Dies ist besonders für gewichtskritische Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt interessant.

Nachfolgend wird die Erfindung an bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen detailliert beschrieben.

Darin zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines als Linienaktuator ausgebildeten Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuators im austeniti­ schen Zustand,

Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten Aktuator im martensitischen Zustand,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines dreieckförmigen Aktuators,

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines quadratisch ausgebildeten Aktuators,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aktuators in Hexagon­ form,

Fig. 6 der Aufbau des in Fig. 5 dargestellten Aktuators in räumlicher Darstellung und

Fig. 7 einen mit aktiver Kühlung ausgestatteten Linienaktuator.

In Fig. 1 ist ein Linienaktuator dargestellt, der ein Stellglied aus einer Formgedächtnis­ legierung aufweist. Das Stellglied besteht aus einem dünnen Draht 1, der in einer grö­ ßeren Anzahl n von Windungen um zwei zueinander beweglich gelagerte, zylindrisch geformte Elemente 2, 3 angeordnet ist. Bei gleichmäßiger Erwärmung des Drahtes 1 bis oberhalb der austenitischen Umwandlungstemperatur schrumpft der Draht 1 und die beiden Elemente 2, 3 werden mit einer bestimmten Stellkraft gemäß Pfeil 10 auf­ einander zubewegt, d. h. durch das Zusammenziehen des Drahtes 1 wird zwischen den beiden Elementen 2, 3 eine Druckkraft erzeugt.

Bei der Abkühlung des aus der Formgedächtnislegierung gebildeten Drahtes 1 unter die austenitische Umwandlungstemperatur nimmt der Draht 1 wieder seine martensiti­ sche Gestalt an, d. h. der Draht 1 dehnt sich. Da der Draht 1 im Umlenkungsbereich auf der Mantelfläche der zylindrisch geformten Elemente 2, 3 formschlüssig befestigt ist, wird auf diese Elemente 2, 3 bei der Dehnung des Drahtes 1 eine nach außen gerichtete Kraft gemäß Pfeil 11 ausgeübt. Diese Zugkraft 11 versucht die beiden Ele­ mente 2, 3, wie in Fig. 2 gezeigt, voneinander zu entfernen.

Der Formgedächtnisaktuator kann beispielsweise auch einen über drei Umlenkpunkte gewickelten Draht aufweisen. Fig. 3 zeigt einen derartigen Aufbau, bei dem der dünne, lange Draht 31 in mehreren Windungen um drei, räumlich gleich beabstandete Umlen­ kelemente 32, 33, 34 gewickelt ist. Bei der austenitischen Umwandlung werden an den Umlenkpunkten gemäß dem Doppelpfeil 30 radial nach innen gerichtete Druckkräfte erzeugt. Bei der Rückumwandlung wird bei entsprechend formschlüssiger Verbindung zwischen dem Draht und den Elementen 32, 33 und 34 eine entgegengesetzte, radial nach außen gerichtete Kraft erzeugt. Eine derartige Anordnung könnte beispielsweise bei Robotern zum Handhaben von Rundstäben verwendet werden.

Fig. 4 zeigt einen zu Fig. 3 analogen Aufbau, jedoch in quadratischer Form. Der dünne, lange Draht 41 ist in diesem Fall um vier quadratisch angeordnete, Umlenkele­ mente 42, 43, 44, 45 gewickelt. Bei der Schrumpfung durch die austenitische Umwand­ lung wirkt in den vier gleichen, die Ecken verbindenden Teilstücken Zugkraftpaare, die an den Elementen 42, 43, 44, 45 radial zum Mittelpunkt des Quadrats gerichtete Druckkräfte (Doppelpfeil 40) erzeugen.

Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen erfindungsgemä­ ßen Formgedächtnisaktuator in Hexagonform. Der dünne, aus einer Formgedächtnis­ legierung bestehende Draht 61 ist in n-Windungen um sechs in Hexagonform ange­ ordnete Umlenkelemente 62, 63, 64, 65, 66, 67 gewickelt. An den Umlenkpunkten des Drahtes 61 an den Elementen 62, 63, 64, 65, 66, 67 ist der Draht dreilagig geführt. Zwischen den Lagen sind an den Umlenkpunkten Distanzstücke 68 vorgesehen, um ein Verrutschen der Windungen zu verhindern. Gleichzeitig dienen sie der Kraftüber­ tragung von den äußeren Windungen auf die inneren Umlenkelemente. Außerdem er­ öffnen sie die Möglichkeit, einen elektrisch nicht isolierten Draht durch Abstandhaltung der Windungen untereinander zu isolieren. Auf diese Weise kann ein gasförmiges Kühlmedium unmittelbar auf die einzelnen nicht isolierten Drahtwindungen wirken. Sie bilden also Abstandhalter für die Kühlung und/oder elektrische Isolierung der Drähte bzw. Drahtwindungen. Die beiden Enden des langen Drahtes 61 sind an einem An­ schluß 69 nach außen geführt. An diesen Anschluß 69 kann eine nicht dargestellte Spannungsversorgung mit Regeleinheit angeschlossen werden. Nach der austeniti­ schen Umwandlung verringert sich der Umfang des Hexagon auf die mit Pfeil 70 be­ zeichnete Größe. Dabei wirken die in Fig. 5 dargestellten Druckkräfte 60 auf die Ele­ mente 62, 63, 64, 65, 66, 67.

In Fig. 7 ist ein Linienaktuator ähnlich des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels abgebildet. Mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 übereinstim­ mende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen benannt. Der Aktuator weist einen dünnen, aus einer Formgedächtnislegierung gebildeten Draht 1 auf, der in mehreren Windungen n um zwei bewegliche Elemente 2, 3 gewickelt ist. Diese Anordnung ist von einer Ummantelung 4 umschlossen, die als Wärmeisolierung ausgebildet ist. An der Ummantelung 4 ist eine Zuführöffnung 5 zur Zuführung eines Kühlmediums vor­ gesehen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Ummantelung 4 ist ferner eine Aus­ laßöffnung 6 zum Auslaß des Kühlmediums vorgesehen. Ferner sind an den beiden beweglichen Elementen 2, 3 Übertragungselemente 7, 7 angeordnet, die die an dem Aktuator entstehenden Druck- und Zugkräfte durch die Ummantelung 4 nach außen übertragen. In der Ummantelung 4 sind entsprechende Durchgreiföffnungen 8, 8 vor­ gesehen. Ebenfalls sind die Enden des dünnen Drahtes 1 zu einem Anschluß 9 zur Außenseite der Ummantelung 4 geführt. Dort am Anschluß 9 kann eine nicht darge­ stellte Spannungsquelle mit Steuereinheit angeschlossen werden.

Die Durchgreiföffnungen 8, 8 sind mit Dichtlippen ausgebildet, so daß zwar die Stell­ wege über die Übertragungselemente 7, 7 nach außen geleitet werden, jedoch das Kühlmedium innerhalb der Ummantelung 4 eingeschlossen bleibt.

Zur Rückumwandlung in den martensitischen Zustand wird ein nicht dargestelltes Ventil geöffnet, so daß Kühlmedium gemäß Pfeil 12 durch die Zuführöffnung 5 in die Ummantelung 4 einströmt. Das Kühlmedium steht in direktem Kontakt mit dem Draht 1 und umströmt diesen. Dabei wird Wärmeenergie durch Wärmeleitung und/oder Kon­ vektion vom Draht 1 auf das Kühlmedium übertragen. Der Draht 1 kühlt sich ab und dehnt sich bei Unterschreiten der kritischen Temperatur aus, so daß an den Übertra­ gungselementen 7, 7 die mit den Pfeilen 11 dargestellten Zugkräfte abgreifbar sind. Das nach dem Wärmeaustausch mit dem Draht 1 erwärmte Kühlmedium fließt nun durch die Auslaßöffnung 6 aus der Ummantelung 4 gemäß Pfeil 12 zu einem nicht dargestellten Wärmetauscher.

Durch Regelung der Durchflußmenge des Kühlmediums durch den Aktuator und/oder durch Regelung der Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Draht 1 kann die Stellgeschwindigkeit des Aktuators beim Übergang vom austenitischen zum martensiti­ schen Zustand gesteuert werden. In umgekehrter Richtung ist aufgrund der isolierten Ummantelung eine möglichst rasche Aufheizung des Drahtes sichergestellt. Insgesamt wird damit die Betätigungsfrequenz für den Formgedächtnisaktuator erhöht.

Bezugszeichenliste

1 Draht
2 Umlenkelement
3 Umlenkelement
4 Ummantelung
5 Zuführöffnung
6 Auslaßöffnung
7 Übertragungselement
8 Durchgreiföffnung
9 elektrischer Anschluß
10 Druckkraft
11 Zugkraft
12 Fließrichtung des Kühlmediums
30 Stellkraft
31 Draht
32 Umlenkelement
33 Umlenkelement
34 Umlenkelement
40 Stellkraft
41 Draht
42 Umlenkelement
43 Umlenkelement
44 Umlenkelement
45 Umlenkelement
60 Druckkraft
61 Draht
62 Umlenkelement
63 Umlenkelement
64 Umlenkelement
65 Umlenkelement
66 Umlenkelement
67 Umlenkelement
68 Distanzelement
69 elektrischer Anschluß
70 Kontur im austenitischen Zustand

Claims (8)

1. Formgedächtnisaktuator für einen Betätigungsmechanismus, beispielsweise an Raumfahrtkörpern, mit einem Stellglied aus einer Formgedächtnislegierung, wo­ bei das Stellglied beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied aus wenigstens einem in mehreren Windungen angeordneten dünnen Draht (1, 31, 41, 61) besteht.

2. Formgedächtnisaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen des Drahtes gegeneinander elektrisch isoliert und von einem hindurchfließenden elektrischen Strom beheizbar sind.

3. Formgedächtnisaktuator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen des Drahtes dadurch elektrisch gegeneinander isoliert sind, daß sie durch Abstandhalter, aber nicht durch eine Isolierschicht ummantelt sind.

4. Formgedächtnisaktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen des Drahtes (1, 31, 41, 61) um zueinander bewegliche Ele­ mente (2, 3, 32, 33, 34, 42, 43, 44, 45, 62, 63, 64, 65, 66, 67) herumführen.

5. Formgedächtnisaktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen des Drahtes (1, 31, 41, 61) an den beweglichen Elemen­ ten (2, 3, 32, 33, 34, 42, 43, 44, 45, 62, 63, 64, 65, 66, 67) formschlüssig befe­ stigt sind.

6. Formgedächtnisaktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ummantelung (4) zur Wärmeisolierung für das Stellglied vorgesehen ist.

7. Formgedächtnisaktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive Kühlung für das Stellglied vorgesehen ist.

8. Formgedächtnisaktuator nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (4) Anschlüsse (5, 6) zum Durchleiten eines Kühlmediums aufweist.