DE4113504C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung mit einem beheizbaren ge­ wickelten Draht aus einer Gedächtnislegierung, die einen thermisch be­ dingten, reversiblen Übergang von der Martensitphase in die Austenitphase aufweist.

Eine derartige Stellvorrichtung ist durch die DE 30 27 750 A1 bekannt. Dort wird eine temperaturempfindliche Steuereinrichtung mit einer Ge­ dächtnislegierung beschrieben, wobei das Element mit der Gedächtnisle­ gierung aus einer um eine Röhre gewickelte Feder besteht, deren eines Ende gegen einen Ringflansch und das andere Ende an einem Federsitz an­ liegt. Letzterer ist über einen Kolben mit einer Öffnungsklappe in einem Gewächshaus verbunden. Wenn die Temperatur im Gewächshaus auf den Über­ gangsbereich der Gedächtnislegierung ansteigt, kehrt die Feder in ihre ursprüngliche Form zurück und drückt mit ziemlicher Kraft gegen den Fe­ dersitz, der über den Kolben die Öffnungsklappe bewegt.

In der EP 03 40 364 A1 ist eine Stellvorrichtung beschrieben, bei der eine mit einem Stellglied verbundene Achse aus Gedächtnislegierung in seinem verformten Zustand in sich bordiert ist. Beim Anlegen einer Wider­ standsheizung an eine Buchse, in der die Achse ruht, und beim Erwär­ men der Achse bis zur Übergangstemperatur dreht die Achse in ihre nicht bordierte Normalstellung zurück, wobei sie das Stellglied mitnimmt und dabei eine Schaltfunktion ausführt. Beide bekannten Stellvorrichtungen sind nur an eine Belastung anpaßbar und sind verbunden mit beweglichen Stellvorrichtungen, die einem Verschleiß unterliegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Stellvor­ richtung derart weiterzubilden, daß die Stellkräfte an unterschiedliche Belastungen anpaßbar sind.

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 des Formänderungsvermögens der erfindungsgemäßen Gedächtnislegierung besteht darin, daß dadurch ein steuerbares Torsionselement ohne verschleißgefährdete bewegte Teile ge­ schaffen ist, welches auch an unterschiedliche Belastungen anpaßbar 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 Nic­ 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 (6)

1. Stellvorrichtung mit einem beheizbaren gewickelten Draht aus einer Gedächtnislegierung, die einen thermisch bedingten, reversiblen Übergang von der Martensitphase in die Austenitphase aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (3, 14, 26) auf einen entgegen der Wickel­ richtung des Drahtes vorgespannten, einseitig fixierten Torsionskörper (2, 12, 21, 22, 23) unter Zugspannung aufgewickelt ist, wobei die Drahtenden an den Enden des Torsionskörpers befestigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (3, 14, 26) elektrisch beheizt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionskörper ein Stab (2) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionskörper ein Rohr (12) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, 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 Wir­ kung eines einzigen abgestuften Rohres haben.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Torsionskörper (2, 12, 21, 22, 23) aus Metall, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff und der Draht (3, 14, 26) aus einer Nickel- Titan- oder einer CuAlZn-Legierung bestehen.