DE4033089C1 - Torsion element for electrostrictive rod or band - uses electrostrictive fibres each with electrically conductive core and piezoelectric outer coating - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Torsionselement gemäß dem Gattungsbe­ griff des Anspruchs 1.

Durch die DE 23 63 236 ist eine Torsionsschwingungseinrichtung bekannt ge­ worden, bei der das Elektrostriktivelement kreisringförmig ausgebildet ist und in Umfangsrichtung polarisiert wird, wobei beide Oberflächen des Ele­ mentes mit Elektroden und Metallteilen versehen und mit Hilfe eines Gewin­ debolzens verspannt werden.

Aus der DE 35 42 741 und DE 36 30 880 sind Torsionsschwingungseinrichtun­ gen bekannt geworden, die mit einem elektrostriktiven Element ausgerüstet sind. In allen vorgenannten Fällen wird das Elektrostriktivelement aus elektrostriktivem Vollmaterial in mehr oder weniger voluminösen, speziell geformten "Blöcken" hergestellt und mit ebensolchen Polarisationssegmenten als anliegende oder angekoppelte Elektroden abwechselnd zusammengefügt.

Durch die Druckschrift US 48 68 447 sind piezoelektrische Sensoren und Ak­ tuatoren bekannt geworden, die aus einem piezoelektrischen polymeren Lami­ nat bestehen. Aus der EP 00 13 952 A1 ist ein Faden aus synthetischen Po­ lymeren bekannt geworden, der zu piezoelektrischen Sensoren verwendet wird. Ein piezoelektrisches Folienlaminat verhält sich in der Ebene iso­ trop und ist damit nicht in der Lage, bei homogener Belegung eines Stabes eine Torsion durchzuführen.

Abgesehen von dem überhöhten Gewicht und Volumen der Torsionselemente des Standes der Technik, ist auch die Fertigung problematisch. Einmal treten durch ungewollte Verspannungen im Elektrostriktivelement Bruchprobleme auf und zum andernmal sind Polarisationsprobleme recht häufig, wobei insgesamt die Ausschußquote bei allen bekannten Ausführungsformen unzulässig hoch ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Torsionselement der eingangs genannten Art zu schaffen, das in Gewicht und Volumen minimiert ist, so­ wohl in seinem elastischen Verhalten als auch im Grad seiner Verformung variierbar ist und vielseitig angewendet werden kann, wobei ein nahezu leistungsloses Steuern der elastischen Eigenschaften und von Bewegungen ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1a ein Schemabild eines Torsionsstabes mit graduell unterschiedli­ cher Torsion,

Fig. 1b ein Schemabild eines Torsionsstabes mit partiell unterschiedli­ cher Torsion,

Fig. 1c ein Schemabild der Anlegung der Steuerspannung einer elektro­ striktiven Faser in eine elektrisch leitende Matrix bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a,

Fig. 1d ein Schemabild der Anlegung der Steuerspannung einer elektro­ striktiven Faser in einer nichtleitenden Matrix bei einem Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 1b,

Fig. 2a ein Schemabild eines Torsionselementes in Form eines Torsionssta­ bes oder einer Kardanwelle mit einstellbarem Dämpfungsverhalten in bestimmter Wickelstruktur,

Fig. 2b ein Schemabild eines Torsionselementes in Form eines Torsionssta­ bes mit Niveauregulierung in bestimmter Wickelstruktur,

Fig. 3 ein Schemabild einer weiteren Ausführungsform eines Torsionsele­ mentes in Form eines Rotorblattarmes für einen Hubschrauber.

Die geometrische Anordnung der elektrostriktiven Fasern, bestehend aus ei­ nem elektrisch leitenden Faserkern (z. B. C-Faser, Metallfaser, metallisch beschichtete Keramik, Glas oder Kunstfaser) und einer piezoelektrischen Beschichtung, eingebettet in elektrisch leitender oder nichtleitender Ma­ trix, bestimmt im Faserverbund die Verteilung der durch eine elektrische Steuerspannung geregelten inneren mechanischen Spannungen. Sind die elek­ trostriktiven Fasern in eine elektrisch leitende Matrix 12 eingebettet, wird die Steuerspannung wie in Fig. 1c gezeigt angelegt. Bei Einbettung der elektrostriktiven Fasern in eine nichtleitende Matrix 12, erfolgt das Anlegen der Steuerspannung wie in Fig. 1d dargestellt.

Die vorbeschriebene geometrische Anordnung der elektrostriktiven Fasern bestimmt also im Faserverbund die Verteilung der durch eine elektrische Steuerspannung geregelten inneren mechanischen Spannungen. Diese führen bei einer isotropen und symmetrischen Verteilung der elektrostriktiven Fa­ sern 10 zu einer Änderung des elastischen Verhaltens des Torsionsstabes 11 und bei einer anisotropen oder unsymmetrischen Verteilung zu einer Verfor­ mung desselben.

In den Fig. 1a und 1b sind verschiedene konstruktive Beispiele für die Bauweisen elektrostriktiver Faserverbunde für Aktuatoren skizziert, die nachstehend noch erläutert werden.

In der Fig. 2a ist ein Torsionsstab skizziert, bei dem die elektrostrikti­ ven Fasern 10 in einem "Cross-0,90°-Wickelverbund" um den Torsionsstab 11 oder die Kardanwelle gewickelt bzw. gelegt sind. Dieser Torsionsstab 11 ist dadurch in seinen elastischen Eigenschaften (Dämpfungsverhalten) steu­ erbar. Die Faserverteilung ist in beiden Wickelrichtungen homogen und von gleicher Dichte. In diesem Fall sind die mechanischen Spannungen bei Ände­ rungen der elektrischen Steuerspannungen in allen Richtungen homogen ver­ teilt. Deshalb bewirkt eine Erhöhung der inneren Spannungen eine Verstei­ fung des Torsionsstabes 11.

Bei einer ungleichmäßigen Faserdichte in den beiden Wickelrichtungen hat eine Änderung der elektrischen Spannung nicht nur eine Änderung der ela­ stischen Eigenschaften, sondern auch eine Torsion des Torsionsstabes 11 zur Folge.

Bei unidirektionaler Wickelrichtung - wie sie in Fig. 2b skizziert ist - wird ein reiner Drehaktuator erhalten. Änderungen der elektrischen Steuer­ spannungen haben eine unidirektionale Änderung der mechanischen Spannungen zur Folge, die eine Drehung des Torsionsstabes 11 um seine Längsachse be­ wirken.

Bei den zu Fig 1a und Fig 1b bereits angesprochenen Ausführungsbeispielen ist als wesentlich zu bezeichnen, daß die dort skizzierten Ausführungsbei­ spiele eine partiell unterschiedliche Torsion dadurch aufweisen, daß die elektrostriktive Faser 10 mit partiell unterschiedlicher Steilheit ge­ wickelt wird. Pro Längenintervall des Torsionsstabes 11 ist dann die An­ zahl der Fasern 10 im Querschnitt des Faserverbundes und damit auch die mechanische Spannung unterschiedlich (Fig. 1a).

Sollen nun partiell diskret unterschiedliche Torsionen erzielt werden, so werden Bereiche S1, S2, S3... unterschiedlicher Faserdichte und unter­ schiedlicher Wicklung von getrennten Steuerspannungen versorgt. Die Anle­ gung der Steuerspannungen ist in den Fig. 1c und 1d - wie bereits ein­ gangs ausgeführt - in schematischer Darstellung skizziert.

Die vorbeschriebenen Ausführungsformen sind vielseitig einsetzbar, so kön­ nen sie beispielsweise zur Regelung der Steifigkeit und der Torsion der Rotorblätter von Hubschraubern oder zur elektrisch gesteuerten Rotorblatt­ verstellung dienen. Weiterhin ist als Anwendung gegeben bei Kardanwellen mit regelbarem Dämpfungsverhalten oder bei Torsions-Blatt- und Spiralfedern mit regelbarem Dämpfungsverhalten und einstellbarer Niveauregelung. In al­ len Fällen aber wird ein nahezu leistungsloses Steuern der elastischen Ei­ genschaften und von Bewegungen gewährleistet.

Claims (5)

1. Torsionselement, als stab- oder bandförmiges elektrostriktives Bauelement für Aktuatoren, Wellen oder Träger, dadurch gekennzeichnet, daß elektrostriktive Fasern (10), bestehend aus einem elektrisch leiten­ den Faserkern und einer piezoelektrischen Beschichtung, im Faserverbund geometrisch so angeordnet sind, daß die durch eine elektrische Steuer­ spannung geregelten inneren mechanischen Spannungen im Faserkern bei ei­ ner isotropen und symmetrischen Verteilung der elektrostriktiven Fasern (10) zu einer Änderung des elastischen Verhaltens des den Träger bilden­ den Torsionsstabes (11) und bei einer anisotropen oder unsymmetrischen Verteilung derselben (10) zu einer Verformung des Torsionsstabes (11) führen, wobei die elektrostriktiven Fasern (10) im Faserverbund in alle Richtungen gelegt werden und einer gewünschten graduell unterschiedli­ chen Torsion entsprechend ausgerichtet sind.

2. Torsionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Fasern (10) in einem "Cross-0,90°-Wickelverbund" um einen Torsionsstab (11) gelegt sind.

3. Torsionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Fasern (10) in einem Unidirektional-Wickelverbund um einen Torsionsstab (11) gelegt sind.

4. Torsionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein unidirektional gewickelter Faserverbund in Ver­ bundstreifen (S1, S2, S3,..) unterschiedlicher Faserrichtung um den Tor­ sionsstab gelegt oder gewickelt ist.

5. Torsionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Faserverbund Bereiche mit unterschiedlicher Fa­ serdichte und unterschiedlicher Wicklung aufweist.