DE4113504A1 - Vorrichtung zur ausnutzung der eigenschaften von gedaechtnislegierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausnutzung der Eigenschaften von Gedächtnislegierungen beim reversiblen Übergang von der Martensit­ phase in die Austenitphase.

Derartige Vorrichtungen sind bereits mehrfach bekannt. So beschreibt die DE-OS 37 31 146 eine Antriebseinrichtung für reversible Bewegungen, bei der ein zweiteiliges Element aus Formgedächtnislegierung wirksam wird, dessen Teilelemente bezüglich ihrer Arbeitsrichtung gegensinnig ausge­ wählt und angeordnet sind. Beansprucht wird dabei, daß die Teilelemente aus zumindest gleichartigem Material mit Einwegeffekt in einer Gestalt für große Wegänderung bestehen, endständig bewegungsbezogen festgelegt sind, durch ein als Antriebskörper nutzbares Koppelglied verbunden sind, und daß sie auf ihre Arbeitstemperatur zeitlich nacheinander gebracht werden.

Durch die DE-OS 38 02 919 ist weiterhin ein Stellelement aus einer be­ heizbaren Gedächtnislegierung bekannt, das mit Hilfe der Gedächtnisle­ gierung die Bewegung zwischen zwei Zuständen original nachbildet.

Die bekannten Vorrichtungen, bei denen die Gedächtnislegierung aus einer Nickel-Titan-Legierung besteht, nutzen nur die Eigenschaften des Formän­ derungsvermögens der Gedächtnislegierung beim Übergang von der Martensit­ phase in die Austenitphase und umgekehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften von Gedächt­ nislegierungen beim Übergang von der Martensitphase in die Austenitphase in weiterem Umfang zu nutzen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Der wesentliche Vorteil der Ausnutzung nicht nur des Formänderungsvermö­ gens sondern auch des unterschiedlichen E-Moduls einer Gedächtnislegie­ rung in den beiden Phasen besteht darin, daß dadurch ein steuerbares Torsionselement ohne verschleißgefährdete bewegte Teile geschaffen ist. Ein solches Torsionselement kann beispielsweise angewandt werden auf eine

• - Steuerung des Anstellwinkels von aerodynamischen Flächen,
• - Steuerung von Flügelklappen,
• - Niveauregelung von Torsionsstäben in einem Kraftfahrzeug,
• - Steuerung von Ventilklappen z. B. bei einer Heizung.

Die Erfindung wird nachstehend in der Zeichnung anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Torsionsstab, der mit einem Draht aus Gedächtnislegierung umwickelt ist;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Torsionsstabes nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Torsionsstab nach den Fig. 1 und 2 in Anwendung auf die Steuerung eines Rotorblattes;

Fig. 4 ein Torsionsmotor aus mehreren ineinander gesteckten Torsions­ rohren, die jeweils mit einem Draht aus Gedächtnislegierung um­ wickelt sind, in Schnittdarstellung;

Fig. 5 eine Seitenansicht des Torsionsmotors nach Fig. 4 und

Fig. 6 eine Anwendung von zwei Torsionsmotoren nach den Fig. 4 und 5 zur Steuerung einer Flügelklappe.

Der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Ausnutzung sowohl des Formänderungsvermögens als auch der unterschiedlichen E-Module in der Martensitphase und Austenitphase einer Gedächtnislegierung soll anhand der Fig. 1 und 2 erläutert werden. Ein an einem Ende eingespannter Tor­ sionsstab 2 (bzw. Torsionsrohr) aus einem elastischen Material (z. B. Me­ tall, Kunststoff, Faserverbund) wird vorgespannt und auf den vorgespann­ ten Torsionsstab wird ein Draht 3 aus einer Nickel-Titan-Legierung eben­ falls unter Vorspannung so aufgebracht und an den Enden 3a und 3b mit dem Torsionsstab 2 fest verbunden, daß sich das Torsionsmoment des Sta­ bes 2 mit dem vom Draht 3 ausgeübten Drehmoment im Gleichgewicht befin­ det. Dabei wird entsprechend Fig. 2 ein Vorspannungswinkel 4 erzielt. Wenn mit Hilfe einer Stromquelle 5 an die beiden Drahtenden 3a und 3b über Drähte 6 ein Strom angelegt wird, erwärmt sich der Draht 3, wobei er beispielsweise bei 60°C die Umwandlungstemperatur von der Marten­ sitphase mit einem E-Modul von 30 GPa in die Austenitphase mit einem E-Modul von 80 GPa erreicht. Dieses ist - im Gültigkeitsbereich des Hookeschen Gesetzes - gleichbedeutend mit einer entsprechend höheren Spannung im Draht 3, der damit ein höheres Drehmoment auf den Torsions­ stab 2 ausübt. Der Stab tordiert, bis sich ein neues Gleichgewicht zwi­ schen seinem erhöhten Torsionsmoment und dem nun vom Draht 3 ausgeübten Drehmoment einstellt. Das heißt, daß der Stab 2 einen größeren Drehwin­ kel 7 einnimmt.

Entsprechend umgekehrt ist die Funktionsweise bei Abkühlung unter die Umwandlungstemperatur. Es ist verständlich, daß die Größe des durch die Phasenumwandlung ausgeübten Torsionswinkels 7 umso größer ist, je größer die Vorspannung des Stabes 2 ist. Dabei sind die Parameter des Stabes 2 und des Drahtes 3 so zu wählen, daß die Zugfestigkeit des Drahtes 3 nicht überschritten wird.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Steuerung eines Rotorblattes 11. Dabei ist ein Torsionsrohr 12 vorgespannt zwischen einer Rotornabe 13 und dem Rotorblatt 11 eingesetzt und mit einem Draht 14 aus einer Nik­ kel-Titan-Legierung vorgespannt umwickelt. Eine nicht dargestellte in­ duktive Heizung für den Draht 14 kann entsprechend Fig. 1 vorgesehen werden.

Ein Torsionsmotor 20 entsprechend den Fig. 4 und 5 besteht aus kurzen ineinandergesetzten Rohren 21, 22 und 23 und einer Grundplatte 24 mit Befestigungslöchern 25. Das Rohr 21 wird zusammen mit einem vorgespann­ ten Nickel-Titan-Draht 26 vorgespannt an der Grundplatte 25 befestigt. Danach wird ein Zwischenring 27 auf das Rohr 21 gesetzt, auf dem wieder­ um das vorgespannte Rohr 22 mit dem vorgespannten Draht 26 gesetzt wird. Nachdem auf das Rohr 22 wiederum eine Zwischenscheibe 28 befestigt ist, wird auf dieser das größte Rohr 23 mit dem vorgespannten Draht 26 eben­ falls im vorgespannten Zustand aufgesetzt. Die Rohre 21, 22 und 23 haben dadurch die Wirkung eines einzigen abgestuften Rohres von dreifacher Länge wie die des Einzelrohres. Die Zentrierung und die mechanische Sta­ bilität des Torsionsmotors 20 kann durch eine elastische Füllung zwi­ schen den einzelnen Rohren 21, 22 und 23 sichergestellt werden. Die Drähte 26 der einzelnen Rohre 21, 22 und 23 werden in nicht dargesteller Weise miteinander und mit einer Stromquelle verbunden. Bei Erwärmung der Drähte 26 kann mit dem Torsionsmotor 20 auf kleinem Raum ein für viele Zwecke ausreichender Torsionswinkel erzielt werden.

Die Fig. 6 zeigt schematisch die Anwendung von zwei Torsionselementen 20 zur Steuerung einer Flügelklappe 30, die in einem Tragflügel 31 einge­ baut ist.

In gleicher Weise kann der Draht anstelle aus der NiTi-Legierung auch aus einer anderen Gedächtnislegierung, wie z. B. aus einer CuAlZn-Legie­ rung, hergestellt sein. Anstelle eines runden Stabes oder Rohres können für den Torsionskörper auch anders gestaltete Bauelemente Verwendung finden, wobei außer Aluminium auch Stahl oder jeder andere geeignete Werkstoff verwendet werden kann.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Ausnutzung der Eigenschaften von Gedächtnislegie­ rungen beim reversiblen Übergang von der Martensitphase in die Austenit­ phase, gekennzeichnet durch die Ausnutzung sowohl des Formänderungs­ vermögens als auch der unterschiedlichen E-Module in den beiden Phasen bei einem Draht (3, 14, 26) aus der Gedächtnislegierung, der um einen vorgespannten Torsionskörper (2, 12, 21, 22, 23) unter Vorspannung auf­ gewickelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (3, 14, 26) aus der Gedächtnislegierung vor seinem Vorspannen an einem Ende des vorgespannten Torsionskörpers (2, 12, 21, 22, 23) und nach dem Vorspannen an dem anderen Ende des Torsionskörpers befestigt ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (3, 14, 26) induktiv beheizt ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionskörper ein Stab (2) ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionskörper ein Rohr (12) ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionskörper aus mehreren Rohren (21, 22, 23) verschiedenen Durchmessers besteht, die einzeln vorgespannt, mit dem vorgespannten Draht (26) aus der Gedächtnislegierung bewickelt und danach ineinander gesteckt sind, wobei sie abwechselnd an den Enden so verbunden sind, daß sie die Wirkung eines einzigen abgestuften Rohres haben.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionskörper (2, 12, 21, 22, 23) aus Aluminium und der Draht (3, 14, 26) aus einer Nickel-Titan-Legierung bestehen.