DE3432134C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schwenken eines Stellhebels gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Im einzelnen befaßt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung zum Schwenken eines Hebels oder einer Kurbel mit Hilfe einer Schraubenfeder aus einer Legierung mit Formspeichervermögen und einer weiteren, üblichen oder ebenfalls aus einer Legie­ rung mit Formspeichervermögen bestehenden Feder, die insbeson­ dere den Schwenkhub des Hebels oder der Kurbel und/oder den Drehwinkel der Kurbelachse vergrößert.

Eine Legierung mit Formspeichervermögen hat eine Eigenschaft, die als Formspeichereffekt bezeichnet werden kann. Wenn einem aus der Legierung bestehenden Gegenstand bei hoher Temperatur eine bestimmte Form "eingespeichert" wird, und der Gegenstand sodann bei einer Temperatur unterhalb der Transformations­ temperatur verformt wird, so nimmt er die eingespeicherte Form wieder an, wenn er auf eine Temperatur oberhalb der Transformationstemperatur erwärmt wird. Es ist bekannt, daß Legierungen der Legierungstypen Ni-Ti, Cu-Zn-Al, Au-Cd dieses Verhalten aufweisen. Der Formspeichereffekt ist normaler­ weise irreversibel. Obgleich das aus der Legierung bestehen­ de Teil die eingespeicherte Form nach der Verformung bei niedriger Temperatur wieder annimmt, wenn es erwärmt wird, kehrt es nicht in die bei niedriger Temperatur aufgegebene Form zurück, wenn es auf diese Temperatur abgekühlt wird. Zur industriellen Nutzung des beschriebenen Phänomens ist es notwendig, die Funktion der Legierung reversibel zu machen, so daß sie wiederholt eingesetzt werden kann. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Verfahren vorgeschla­ gen worden. Unter diesen Verfahren befindet sich eines, bei dem eine Vorspannkraft eingesetzt wird. Es hat den Vorteil, daß die benötigte Vorrichtung einfach ist und daß nicht eine große Menge der Formspeicherlegierung einge­ setzt werden muß. Bei einem weiteren Verfahren, bei dem eine Differential-Bewegung eingesetzt wird, besteht der Vorteil, daß die auftretende Kraft groß ist und daß die Steuerung dieser Kraft einfach ist. Beide Verfahren werden daher in weitem Umfang verwendet.

Das Verfahren, bei dem eine Vorspannkraft oder eine Diffe­ rential-Bewegung eingesetzt wird, zeichnet sich dadurch aus, daß die Formspeicherlegierung weich und die Vorspannung ge­ ring bei niedrigen Temperaturen ist, d. h. bei Temperaturen unterhalb derjenigen, bei der die Legierung durch Erwärmung zu ihrer eingespeicherten Form zurückgelangt. Die Temperatur­ grenze soll als Af-Punkt bezeichnet werden. Bei einer hohen Temperatur oberhalb des Af-Punktes ist die Legierung hart und die Vorspannung groß. Beispielsweise ist eine in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung bekannt, bei der eine Stange 3 hin- und hergezogen wird, indem eine Schraubenfeder aus Formspeicher­ legierung (1), im folgenden als F-Feder bezeichnet, und eine Schraubenfeder (2) üblicher Art, die jedoch ebenfalls aus Formspeicherlegierung bestehen kann und im folgenden als B-Feder bezeichnet wird, einer Zugverformung ausgesetzt wer­ den. Wenn auf der zweiten Seite eine normale Zugfeder verwen­ det wird, ist die Formspeicherlegierung bei einer Temperatur unterhalb des Af-Punktes weich. Daher wird die F-Feder (1) durch die B-Feder (2) gezogen und gedehnt, und die Stange 3 nimmt eine Position auf der Seite der B-Feder (2) ein. Wenn die Temperatur über den Af-Punkt durch Erwärmung mit Hilfe von Infrarotstrahlen oder auf elektrischem Wege erhöht wird, wird die F-Feder (1) hart und nimmt die eingespeicherte Form ein. Daher wird die Stange 3 durch die F-Feder (1) auf die Seite der F-Feder (1), also nach links in Fig. 1 gezogen. Wenn die Temperatur der F-Feder (1) wieder abgesenkt wird auf eine Temperatur unterhalb des Af-Punktes, wird die F-Feder (1) wiederum weich, und die Stange 3 bewegt sich aufgrund der Zugkraft der B-Feder (2) auf deren Seite. Die Stange 3 wird daher aufgrund der Formänderung, die sich durch Temperaturänderung ergibt, hin- und hergezogen, und dieser Effekt wird für verschiedene Betätigungsorgane aus­ genutzt.

Bei dem Verfahren, das mit einer Differential-Bewegung ar­ beitet und bei dem die B-Feder (2) ebenfalls aus Formspei­ cherlegierung besteht, wie es oben angegeben wurde, wird bei einer Erwärmung der B-Feder (2) auf eine Temperatur oberhalb des Af-Punktes, etwa durch Infrarotstrahlung oder elektrischen Strom oder dergleichen, bei einer Umgebungs­ temperatur unterhalb des Af-Punktes die B-Feder (2) hart und kehrt in die ursprüngliche Form zurück, während die F-Feder (1) bei einer Temperatur unterhalb des Af-Punktes weich bleibt. Daher wird die F-Feder (1) durch die B-Feder (2) gezogen und gedehnt, und die Stange bewegt sich zur Seite der B-Feder (2). Wenn die Erwärmung der B-Feder (2) unterbrochen und die F-Feder (1) erwärmt wird, wird diese hart und fest, und sie kehrt in ihre eingespeicherte Form zurück und zieht die B-Feder (2) auf ihre Seite. Die Stange 3 wird daher einer hin- und hergehenden Bewegung aufgrund der Formänderung infolge von Temperaturänderung der beiden Federn F (1) und B (2) ausgesetzt, und dieser Effekt wird ebenfalls für verschiedene Betätigungsvorgänge eingesetzt.

Wenn jedoch bei einer Konstruktion der beschriebenen Art die F-Feder (1) aufgrund ihrer Rückkehr in ihre eingespeicherte Form zusammengezogen wird, nimmt die Rückkehrkraft nach und nach mit dem Zusammenziehen der Feder ab, während die Feder­ kraft der B-Feder (2) nach und nach steigt, während diese gezogen und gedehnt wird. Folglich nimmt die Stellkraft, die der Differenz zwischen der Kraft der beiden Federn ent­ spricht, mit zunehmender Bewegung oder zunehmendem Hub der Stange rasch ab. Zur Erhöhung des Hubes und der Stellkraft ist es notwendig, die Abhängigkeit des Hubes von der Kraft der B-Feder (2) und der Formrückstellkraft der F-Feder (1) zu verringern. Dies kann erreicht werden durch Verlängerung der Feder, jedoch treten dadurch Schwierigkeiten in bezug auf die Größe der Vorrichtung, den Preis etc. auf.

Aus diesen Gründen ist eine Lösung bekannt, bei der die Federkraft der B-Feder (2) nicht zunimmt, sondern abnimmt, wenn sich die F-Feder (1) bei der Rückkehr in ihre einge­ speicherte Form zusammenzieht. Dies wird erreicht durch einen Kurbelmechanismus sowie dadurch, daß die B-Feder (2) eine negative Federkraftabhängigkeit erhält. Beispielsweise wird in der japanischen Offenlegung JP-49-7683 A eine Vorrich­ tung gezeigt, bei der das durch die B-Feder (2) aufgebrachte Moment konstant eine negative Positionsabhängigkeit aufweist. Da das Moment ein Produkt aus der Kraft und dem Abstand zur Schwenkachse ist, kann bei ausreichender Veränderung dieses Abstandes im Vergleich zu der Kraft das Moment eine negative Kennlinie aufweisen, so daß die positive Positionsabhängig­ keit der Rückstellkraft der Feder kompensiert wird. Wie jedoch in Fig. 2A gezeigt ist, steht in diesem Falle nur ein äußerst geringer Hub der Stange oder der Kurbel 4 zur Ver­ fügung. Wenn das durch die B-Feder (2) aufgebrachte Moment eine negative Veränderung mit der Position der Kurbel 4 erfahren und die Feder doch eine wirksame Kraft ausüben soll, ist der verfügbare Schwenkwinkel der Kurbel 4 klein, wie auch durch die Strecke (A) in Fig. 2B veranschaulicht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum Schwenken eines Stellhebels oder einer Kurbel zu schaffen, um eine hohe Stellkraft bei einem langen Hub zu erhalten. Im übrigen soll die Positionsabhängigkeit oder die Kennlinie des durch die B- Feder (2) aufgebrachten Moments negativ in einem Bereich sein, in dem die F-Feder (1) eine positive Abhängigkeit von der Position aufweist, und die Positionsabhängigkeit oder die Kennlinie der Kraft der B-Feder (2) soll positiv sein, wenn die Kennlinie der F-Feder (1) negativ ist.

Zur Vermeidung von Mißverständnissen sei darauf hingewiesen, daß unter Kennlinie hier nicht die übliche Federkennlinie der beiden Federn sondern diejenige Linie verstanden wird, die sich durch Änderung des Moments ergibt, das die Federn durch Angriff an dem Kurbelarm hervorrufen.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptan­ spruchs.

Erfindungsgemäß sind die beiden Verankerungspunkte der Federn in einer derartigen Position vorgesehen, daß der Winkel auf der den Federn gegenüberliegenden Seite, der sich durch ge­ rade Verbindungslinien zwischen der Schwenkachse der Kurbel und den Verankerungspunkten der F-Feder (1) und der B-Feder (2) ergibt, 105 bis 170, vorzugsweise 120 bis 160° beträgt. Die Kurbel oder der Kurbelarm ist an einem Ende schwenkbar an einer Basis befestigt, und das freie Ende ist mit der Ba­ sis bzw. den beiden Verankerungspunkten mit einer Schrauben­ feder (F-Feder) aus einer Legierung mit Formspeichervermögen und auf der anderen Seite über eine Schraubenfeder (B-Feder) üblicher Art oder ebenfalls aus einer Legierung mit Form­ speichervermögen verbunden. Die Kurbel wird geschwenkt auf­ grund der Formänderung der F-Feder (1), die sich durch Temperaturänderung ergibt, oder durch eine Formänderung bei­ der Federn aufgrund von Temperaturänderungen.

Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­ nung Bezug genommen.

Fig. 1 und 2 beziehen sich auf den Stand der Technik und wurden bereits erörtert.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4A ist eine weitere schematische Darstel­ lung;

Fig. 4B ist ein Diagramm zur Ergänzung von Fig. 4A.

In Fig. 3 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung schematisch dargestellt. Mit (1) ist die F-Feder, mit (2) die B-Feder, mit 4 die Stellhebel oder die Kurbel und mit 5a, 5b und 5c eine Basis dargestellt. Die Kurbel 4 ist an einem Ende 4a schwenk­ bar an der Basis 5a gelagert. Das freie Ende 4b der Kurbel ist mit der Basis 5b über die F-Feder (1) und mit der Basis 5c über die B-Feder (2) verbunden. Die Federn liegen jeweils in den Richtungen der beiden entgegengesetzten Schwenkbewe­ gungen. Das freie Ende 4b der Kurbel befindet sich jeweils in einer Position, die sich aus der addierten Zugwirkung der beiden Federn (1), (2) ergibt. Wenn die B-Feder (2) eine nor­ male Schraubenfeder ist und die Temperatur der F-Feder (1) unterhalb des Af-Punktes liegt, befindet sich das freie Ende 4b der Kurbel 4 in einer Position B auf der Seite der B-Feder (2), wie es in der Zeichnung gezeigt ist, da die Kraft der F-Feder (1) gering ist und durch die Kraft der B-Feder (2) überwunden wird. Wenn die Temperatur der F-Feder (1) durch Erwärmung über den Af-Punkt ansteigt, bewegt sich das freie Ende 4b der Kurbel 4 in eine Position C, die in der Zeich­ nung gezeigt ist, da die F-Feder (1) stärker wird und die B-Feder (2) dehnt. Wenn die Temperatur der F-Feder (1) unter den Af-Punkt abgesenkt wird, kehrt das freie Ende 4b der Kurbel 4 in die Position B zurück. Eine Heizeinrichtung für die F-Feder (1) ist nicht gezeigt und kann in bekannter Wei­ se, etwa mit Hilfe von elektrischem Strom, durch Infrarot­ strahlung oder dergleichen verwirklicht werden. Bei einer derartigen Vorrichtung liegen der Schwenkpunkt D der Kurbel und die Anlenkpunkte E, F der beiden Federn (1),(2) in der­ artigen Positionen, daß der Winkel auf der der Kurbel 4 ge­ genüberliegenden Seite, der durch die geraden Linien D, E zwischen dem Gelenkpunkt D der Kurbel 4 und dem Anlenkpunkt E der F-Feder (1), sowie DF zwischen dem Gelenkpunkt D und dem Anlenkpunkt F der B-Feder (2) gebildet wird, 150-170°, vorzugsweise 120-160° beträgt. Durch Anordnung des Gelenk­ punkts D und der beiden Anlenkpunkte E und F in derartigen Positionen läßt sich erreichen, daß, wenn die Feder (1) durch Erwärmung auf eine Temperatur über dem Af-Punkt in ihre Form zurückkehrt, das Stellmoment bei Änderung der Winkelstel­ lung der Kurbel 4 erhöht ist, und zwar sowohl in einem Bereich, in dem das durch die F-Feder (1) hervorgerufene Moment eine positive Kennlinie und das durch die B-Feder (2) hervorgerufene Moment eine negative Kennlinie aufweist, als auch in demjenigen Bereich, in dem das Moment der F-Feder (1) eine negative Veränderung bei Änderung der Winkelstellung der Kurbel erfährt, d. h. beim Zusammenziehen der F-Feder (1), und das Moment der B-Feder (2) eine positive Kennlinie auf­ weist.

Falls die B-Feder (2) eine Schraubenfeder aus einer Form­ speicherlegierung ist und die Temperatur der F-Feder (1) unter dem Af-Punkt und diejenige der B-Feder (2) über dem Af-Punkt liegt, wird das schwenkbare Ende 4b der Kurbel 4 in Richtung der B-Feder 2 in die mit C bezeichnete Position gezogen, da die Kraft der F-Feder (1) gering ist und durch die Kraft der B-Feder (2) überwunden wird. Wenn andererseits die Temperatur der B-Feder (2) unter dem Af-Punkt liegt und diejenige der F-Feder (1) über diesen Af-Punkt angestiegen ist, bewegt sich das schwenkbare Ende 4b der Kurbel in eine Position B, da die F-Feder (1) eine hohe Federkraft aufweist und die B-Feder (2) mit sich zieht. Die Art der Erwärmung der F-Feder (1) ist in der Zeichnung nicht gezeigt, kann je­ doch in üblicher Weise mit Hilfe von elektrischem Strom, Infrarotstrahlung, Warmluft, warmem oder kaltem Wasser, Ab­ wärme oder dergleichen erfolgen. Bei dieser Vorrichtung ist der Gelenkpunkt D und sind die beiden Anlenkpunkte E und F der beiden Federn (1) und (2) in derartigen Positionen ange­ ordnet, daß der oben erwähnte Winkel bei 105-170°, vorzugs­ weise bei 120-160° liegt. Durch die getroffene Anordnung der Punkte D, E und F wird erreicht, daß bei Erwärmung der F-Feder (1) und deren Rückkehr in die gespeicherte Form eine Temperatur oberhalb des Af-Punktes ein mit der Änderung der Winkelstellung der Kurbel zunehmendes Stellmoment erzeugt wird. Dies geschieht in einem Bereich, in dem das Moment der F-Feder (1) eine positive und das Moment der B-Feder (2) eine negative Kennlinie aufweist, und ebenfalls in einem Bereich, in dem das Moment der F-Feder (1) eine negative und das Moment der B-Feder (2) eine positive Kennlinie be­ sitzt.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Möglichkeit geschaffen, nicht nur den Bereich A auszunutzen, in den das Moment der B-Feder eine negative Kennlinie in bezug auf den Schwenkwinkel der Kurbel hat, wie aus Fig. 2 hervorgeht, sondern auch denjenigen Bereich, in dem das Moment der B- Feder (2) eine positive Kennlinie aufweist, und der Schwenk­ hub der Kurbel und/oder der Drehwinkel in bezug auf die Kurbelachse wird gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen mehr als verdoppelt.

Beispiel 1

Es wird eine Schraubenfeder aus Formspeicherlegierung (F-Feder) verwendet, die hergestellt wird durch Verformung eines Drahtes aus Formspeicherlegierung des Typs Ni-Ti mit einem Durchmesser von 0,75 mm, der zu einer engen Schrauben­ feder mit einem mittleren Durchmesser von 5,0 mm und einer effektiven Windungszahl von 20 gewickelt wird. Die Feder wird für 30 Minuten einer Wärmebehandlung bei 450°C in ei­ ner festgelegten Stellung ausgesetzt. Eine übliche Schrau­ benfeder (B-Feder) besteht aus nichtrostendem Stahl und weist eine Federkonstante von 0,003 kgf/mm auf. Die Kurbel besitzt eine Länge von 15 mm. Wie aus Fig. 4A hervorgeht, ist ein Ende der Kurbel 4 an der Basis 5a frei schwenkbar gelagert. Das freie Ende der Kurbel 4 wird mit der Basis 5b über die F-Feder (1) verbunden, und es steht zugleich mit der Basis 5c über die B-Feder (2) in Verbindung. Die beiden Federn liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Kurbel, und die Gesamtanordnung bildet eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schwenken eines Hebels oder einer Kurbel. Der Gelenkpunkt D und die beiden Anlenkpunkte E, F an der Basis wurden festgelegt unter Variierung des Winkels ϕ auf der gegenüberliegenden Seite der Kurbel 4, der durch die geraden Linien D, E zwischen dem Gelenk D und dem Anlenk­ punkt E der F-Feder (1) sowie DF zwischen dem Gelenk D und dem Anlenkpunkt F der B-Feder (2) gebildet wird. Die F-Feder (1) wurde elektrisch erwärmt, und der veränderliche Winkel R, über den die Kurbel reversibel schwenkbar war, wurde zwischen den Punkten B und C gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 4B gezeigt.

Wie aus Fig. 4B hervorgeht, wird der veränderliche Kurbel­ schwenkwinkel im Vergleich zum Stand der Technik im wesent­ lichen verdoppelt, wenn der Basiswinkel zwischen dem Kurbel­ gelenk und den beiden Anlenkpunkten der Feder 105-170° be­ trägt. Besonders günstig ist der Bereich von 120-160°. Wenn der Winkel ϕ zwischen 105 und 170° liegt, ergeben sich aus­ gezeichnete Eigenschaften, selbst wenn die Länge der Kurbel und der Abstand zwischen dem Gelenkpunkt und den Anlenkpunk­ ten der beiden Federn verändert werden oder die Ausgangs­ spannung der B-Feder (2) innerhalb üblicher Grenzen, d. h. von Null bis zum Zehnfachen der Federkonstante variiert wird.

Beispiel 2

Es werden zwei Schraubenfedern, nämlich die F-Feder (1) und die B-Feder (2), aus Formspeicherlegierung verwendet. Ein Draht aus einer Legierung vom Typ Ni-Ti mit einem Durchmes­ ser von 0,75 mm wird in engen Windungen mit einem mittleren Durchmesser von 5 mm und einer effektiven Windungszahl von 20 aufgewickelt, und die Federn werden sodann für 30 Minuten einer Temperaturbehandlung bei 450°C in festgelegter Posi­ tion ausgesetzt. Die Kurbel weist eine Länge von 15 mm auf. Wie in Fig. 4A gezeigt ist, wird ein Ende der Kurbel 4 schwenkbar an der Basis 5a angebracht. Das freie Ende der Kurbel 4 wird mit der Basis 5b über die F-Feder (1) und mit der Basis 5c über die B-Feder (2) verbunden. Der Ge­ lenkpunkt D und die beiden Anlenkpunkte E, F der Federn werden derart angeordnet, daß der Winkel ϕ auf der gegen­ überliegenden Seite der Kurbel 4, der durch gerade Linien DE und DF zwischen dem Gelenkpunkt D einerseits und den Anlenkpunkten E der F-Feder (1) sowie F der B-Feder (2) gebildet wird, wird variiert. Die beiden Federn (1) und (2) werden abwechselnd durch elektrischen Strom erwärmt, und der variable Schwenkwinkel R der Kurbel, in der diese eine reversible Bewegung ausführt, wird zwischen den Punkten B und C gemessen. Es werden ähnliche Ergebnisse wie in Bei­ spiel 1 erzielt.

Zur Verwirklichung der Erfindung werden spezielle Teile nicht benötigt, und es ist lediglich erforderlich, die Po­ sitionen des Gelenkpunkts der Kurbel und der Anlenkpunkte der beiden Federn in eine bestimmte Beziehung zu bringen. Durch den erfindungsgemäßen Stellwinkelbereich ergeben sich wesentliche Verbesserungen für den Schwenkwinkel R bzw. den Hub der Kurbel. Die Erfindung kann daher für Sensoren, Betätigungsorgane und dergleichen oder kombinierte Geräte verwendet werden, die Sensor- und Betä­ tigungsfunktion zugleich aufweisen, einschließlich thermisch gesteuerte Sicherheitseinrichtungen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Schwenken eines Stellhebels, an dessen freiem Ende von entgegengesetzten Seiten her Federn angrei­ fen, deren andere Enden an einer zugleich ein Gelenk des Stellhebels aufnehmenden Basis befestigt sind, wobei wenig­ stens eine der Federn aus einer Legierung mit Formspeicher­ vermögen besteht und oberhalb einer vorgegebenen Temperatur durch das Bestreben zur Rückkehr in eine aufgeprägte Form eine Erhöhung der Federkraft erfährt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Winkel ϕ zwischen zwei den Gelenkpunkt (D) des Stellhebels einerseits mit den Anlenkpunkten (E, F) der beiden Federn (1, 2) anderseits verbindenden Geraden auf der dem Stellhebel gegenüberlie­ genden Seite 105-170° beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Winkel ϕ 120-160° beträgt.