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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen aktiven Aktor, der geeignet
ist, eine quer verlaufende Scherbewegung in einer Ebene zu erzeugen,
eine Vorrichtung, die zwei Aktoren dieses Typs verwendet, und seine Anwendung
zur Torsion einer Struktur.
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Sie
betrifft insbesondere einen aktiven planaren Aktor mit Sandwich-Aufbau,
der mindestens eine planare piezoelektrische Schicht mit einer aktiven
Richtung umfasst, die über
mindestens einer passiven planaren Schicht aus einem Gewebe mit
starren Ketten- und Schussfäden,
die ein Netzwerk bilden, angeordnet und mit dieser fest verbunden
ist. Die aktive Richtung der piezoelektrischen Schicht ist auf spezielle
Weise in Bezug auf das Netzwerk der Gewebeschichten ausgerichtet.
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Die
Erfindung wird zur aktiven Torsion von Strukturen wie zum Beispiel
eines Luftschraubenblattes eines Hubschraubers angewendet.
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In
der Luftfahrt führt
das Bestreben nach einer Verbesserung der Handhabbarkeit und der
Sicherheit oder nach einer Reduktion der Lärmbeeinträchtigung die Entwickler von
Luftfahrzeugen dazu, immer häufiger aktive
Tragflügelelemente
einzusetzen. Diese Elemente sind geeignet, sich nach einer genauen
Vorgabe auf kontrollierte Weise zu verformen, um das Verhalten der
Luftfahrzeuge in ihrer Umgebung zu verändern.
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So
war die kontrollierte Verwindung von Tragflächen von Luftfahrzeugen Gegenstand
zahlreicher Studien und führte
zur Bildung von Aktoren, die eine relative Bewegung der oberen Fläche oder
Blattoberseite in Bezug auf die untere Fläche oder Blattunterseite ermöglichen.
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Neben
den mechanischen und hydraulischen Aktoren, wie sie von De Laurier
et al. (
US 5,288,039 ) oder
Young et al. (
US 6,173,924 )
vorgestellt wurden, können
auch die piezoelektrischen Aktoren genannt werden, die im Rahmen
der Erfindung besonders interessant sind und die von Jeffs et al.
(
GB 2 348 537 ) oder
von Matthew L. Wilbur et al. ("Hover
testing of the NASA/ARMY/MIT active twist rotor prototype blade"; the American Helicopter
Society 56
th Annual Forum, Virginia Beach,
Virginia, May 2–4,
2000) oder auch im französischen Patent
auf den Namen des Anmelders (
FR
2.833.571 ) beschrieben werden.
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In
dem englischen Patent
GB-2 348
537 sind die Austrittskanten der Blattoberseite und der
Blattunterseite über
ein Rohr miteinander verbunden, das parallel zur Austrittskante
entlang der Spannweite des Tragflügels gespalten ist. Die beiden
Lippen des Spalts sind so ausgebildet, dass sie piezoelektrische
Aktoren aufnehmen, die geeignet sind, eine Lippe in Bezug auf die
andere entlang der Spannweite gleiten zu lassen. Angesichts des
geringen Werts der verfügbaren
Ausdehnung ist die relative Bewegung der Austrittskanten zu gering,
um eine wirksame kontrollierte Verwindung der Tragflügels zu
ermöglichen.
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In
den Arbeiten von Matthew L. Wilbur oder Carlos C. E. S. Cesnik et
al. ("Modeling,
design, and testing of the NASA/ARMY/MIT active twist rotor prototype
blade"; American
Helicopter Society 55th Annual Forum, Montreal,
Canada, May 25–27,
1999) ist ein Hubschrauberblatt an sechs entlang seiner Spannweite
verteilten Stellen, die alle im praktisch planaren Bereich der maximalen
Dicke angeordnet sind, mit zwei piezoelektrischen Aktoren versehen,
einer in der Blattoberseite, der andere in der Blattunterseite.
Jeder Aktor umfasst zwei piezoelektrische Schichten vom Typ MFC
(Macro Fiber Composite), die jeweils geeignet sind, sich in einer aktiven
Richtung auszudehnen oder zusammenzuziehen. Eine erste mittige Schicht
aus Glasgewebe ist sandwichförmig
zwischen zwei piezoelektrischen Schichten angeordnet. Die aktiven
Richtungen der piezoelektrischen Schichten sind in der Richtung
der Kette bzw. des Schusses des Glasgewebes ausgerichtet. Dieses
erste Sandwich ist seinerseits sandwichförmig zwischen zwei anderen
Glasgewebeschichten angeordnet, dessen Kette und Schuss in Richtung
der Diagonalen der Kette und des Schusses des Gewebes der mittigen
Schicht, d. h. der aktiven Richtungen, ausgerichtet sind. Dieses
fünfschichtige
Sandwich stellt einen Aktor dar.
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Wenn
ein praktisch planarer Aktor aktiviert wird, erfährt er eine spontane Verdrehverformung,
was direkt zur Verwindung des Blattes führt. Die Tatsache, Einheiten
an der Blattunterseite und an der Blattoberseite angeordnet zu haben,
verstärkt
die Verwindung des Blattes. Zu der Schwierigkeit, dass solche Einheiten schwierig
in die Struktur des Blattes einzubauen sind, kommt hinzu, dass sie
sich in einem geschlossenen Abschnitt mit der Bezeichnung "D-spar" befinden, der eine
hohe Verdrehungssteifigkeit aufweist, die der Verformung der Aktoren
starken Widerstand entgegenbringt, wodurch starke Beanspruchungen
zwischen den Schichten entstehen, die sie bilden. Da diese Aktoren
darüber
hinaus an den Beplankungen der Blattoberseite und Blattunterseite
im Bereich der maximalen Dicke des Profils angeordnet sind, erfahren
sie daher ebenfalls starke Beanspruchungen, wenn das Blatt durch
die Schlagbewegung einer Biegungsbelastung ausgesetzt ist.
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Um
diesen Widerstand zu begrenzen, sind in dem französischen
Patent auf den Namen des Anmelders (
FR
2.833.571 ) die blattunterseitigen und blattoberseitigen
Austrittskanten gemäß einer
Ausführungsvariante
direkt mit piezoelektrischen Aktoren verbunden, die eine Scherbewegung
ausführen
und den Querschnitt in Richtung der Spannweite durchgehend verschließen, um
eine hohe Verdrehungssteifigkeit zu erzielen. Um diese Steifigkeit beizubehalten,
sind die Aktoren notwendigerweise in der Nähe der Austrittskante angeordnet,
wo die Dicke des Tragflügels
gering ist, was die Abmessung des Aktors in Richtung der Dicke des Profils
einschränkt.
Angesichts des geringen Werts des Scherwinkels ist die auf diese
Weise erzielbare relative Bewegung der Austrittskanten zu gering,
um eine wirksame kontrollierte Verwindung des Tragflügels zu
ermöglichen.
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Es
war daher für
den Anmelder wünschenswert,
eine Vorrichtung zu verwenden, die den Querschnitt des Blattes durchgehend
verschließt,
eine hohe Verdrehungssteifigkeit gewährleistet, begrenzte innere
Beanspruchungen aufweist, wenn das Blatt äußeren Belastungen unterworfen
wird, und einen langen Weg zwischen den beiden Austrittskanten der
Blattoberseite und Blattunterseite in Richtung der Spannweite ermöglicht.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein planarer Aktor, der geeignet
ist, sich durch eine Scherbewegung zu verformen, und eine Vorrichtung,
die zwei erfindungsgemäße Aktoren
einsetzt, die Kopf zu Fuß montiert
sind und geeignet sind, sich jeweils in ihrer Ebene durch eine Scherbewegung
zu verformen. Sie betrifft auch die besondere Anordnung einer solchen
Vorrichtung in einer Hubschrauberblattstruktur, deren ursprünglich geöffneten
Querschnitt sie durchgehend verschließt.
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Der
Aktor, der das konstituierende Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist, ist vom planaren Typ mit Sandwich-Aufbau, umfassend zwei Befestigungsbereiche,
die dazu bestimmt sind, die von dem Aktor erzeugte relative Scherbewegung
zu übertragen,
und mindestens drei übereinanderliegende
planare Schichten, die umfassen: mindestens eine Schicht aus einem
Gewebe, dessen Kette und Schuss aus starren Fasern gebildet sind,
die in zwei Richtungen der Ebene angeordnet sind und ein Netzwerk
aus aneinandergrenzenden Parallelogrammen bilden, und mindestens
eine planare aktive piezoelektrische Schicht, die geeignet ist,
sich in einer aktiven Richtung auszudehnen oder zusammenzuziehen,
wobei jede Seite einer Schicht über
ihre gesamte Oberfläche
an eine Seite der angrenzenden Schicht geklebt ist. In dem erfindungsgemäßen Aktor
ist der Sandwich-Aufbau in Bezug auf die Mittelebene des Aktors
symmetrisch, was eine planare Scherverformung begünstigt,
und die aktive Richtung jeder planaren piezoelektrischen Schicht
ist entlang ein und derselben Diagonale des Netzwerks jeder Gewebeschicht
ausgerichtet, deren Kette und Schuss in zwei Richtungen der Ebene
ausgerichtet sind, wobei die Befestigungsbereiche des Aktors mit
in einer ersten der beiden Richtungen der Ebene langgestreckten
Form entlang den gegenüberliegenden
Enden des Aktors in der zweiten Richtung der Ebene angeordnet sind,
wodurch sich, da jede planare Gewebeschicht in einer einzigen Diagonale
des Netzwerks beansprucht wird, die Parallelogramme verformen, was
zu einer Bewegung der Befestigungsbereiche in der Ebene parallel
zueinander in der ersten Richtung der Ebene führt.
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Gemäß einer
ersten Ausführung
umfasst der Aktor zwei Gewebeschichten, die eine aktive planare Schicht
sandwichförmig
einschließen.
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Gemäß einer
zweiten Ausführung
umfasst der Aktor eine Gewebeschicht, die sandwichförmig zwischen
zwei aktiven planaren Schichten eingeschlossen ist, die sich gemeinsam
ausdehnen und zusammenziehen.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, die einen Stapel aus zwei
Kopf zu Fuß montierten
Aktoren umfasst, wobei zwei der einander gegenüberliegenden Befestigungsbereiche
der Aktoren fest miteinander verbunden sind und die beiden aktiven
Richtungen nicht parallel sind, so dass sich die beiden anderen,
frei gelassenen Befestigungsbereiche der Aktoren parallel in umgekehrter
Richtung in der ersten Richtung der Ebene mit einer Amplitude bewegen,
die gleich der Summe der Bewegungen der beiden Aktoren ist.
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Die
Erfindung betrifft auch den Einbau der Vorrichtung in eine Hubschrauberblattstruktur,
wobei ein freier Befestigungsbereich fest mit der Blattoberseite
verbunden ist und der andere freie Befestigungsbereich fest mit
der Blattunterseite verbunden ist.
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Gemäß einer
ersten Ausführung
des Einbaus ist die Vorrichtung zwischen der Blattoberseite und
der Blattunterseite im Inneren des Blattes in der Ebene der Profilsehne
angeordnet. Zwei Befestigungsbereiche sind direkt aneinander befestigt,
während
die beiden anderen Befestigungsbereiche in unmittelbarer Nähe der Austrittskante
an der Blattunterseite bzw. der Blattoberseite befestigt sind. Die
Höhe der
Vorrichtung ist somit minimal, was ihren Einbau erleichtert, ohne
deswegen die Weglänge
einzuschränken.
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Gemäß einer
zweiten Ausführung
des Einbaus ist die Vorrichtung in der Verlängerung der Blattunterseite
bzw. der Blattoberseite angeordnet. Sie bildet die Austrittskante
des Blattes, dessen ursprünglich
offenen Querschnitt sie durchgehend verschließt. Sie wird in diesem Fall
aus zwei planaren Aktoren gebildet, wobei zwei Befestigungsbereiche
miteinander verbunden sind, wobei die jeweiligen Flächen der
Aktoren zwischen ihnen den für
das Blatt gewünschten
Winkel der Austrittskante bilden, während die beiden anderen Befestigungsbereiche
an den freien Enden der Blattunterseite bzw. der Blattoberseite
befestigt sind.
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Die
beiliegenden Zeichnungen werden gut verständlich machen, wie die Erfindung
ausgeführt
werden kann. In diesen Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche
Elemente.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Aktors in Ruhe.
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2 veranschaulicht
die Scherverformung des Aktors von 1, wenn
er aktiviert ist.
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3 zeigt
die charakteristischen Scherdiagramme eines erfindungsgemäßen Aktors.
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4 ist
eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Ruhe.
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5 zeigt
die Scherverformung der Vorrichtung von 4, wenn
sie aktiviert ist.
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6 ist
eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Hubschrauberblattes
in Ruhe, in das die Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführung eingebaut
ist.
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7 veranschaulicht
die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß dieser ersten Ausführung.
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8 zeigt
die charakteristischen Scherdiagramme der in das Blatt eingebauten
Vorrichtung.
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9 ist
ein Schnitt der Vorrichtung in einem Hubschrauberblatt gemäß einer
zweiten Ausführung.
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Beispiel 1
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Der
in 1 dargestellte planare Aktor mit Sandwich-Aufbau
A gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Dicke t in der Richtung Z, eine Länge L in
der Richtung X und eine Breite W in der Richtung Y auf. Dieser Aktor
ist aus folgenden Elementen gebildet:
In der mittleren Ebene
befindet sich eine planare aktive piezoelektrische Schicht 1,
die geeignet ist, sich entlang der Winkelhalbierenden der Richtungen
X und Y auszudehnen und zusammenzuziehen, wenn sie mit Strom versorgt
wird. Diese piezoelektrische Schicht ist aus rechteckigen, einseitig
gerichteten, piezoelektrischen Fasern gebildet, die in Richtung
der Winkelhalbierenden der Richtungen X und Y ausgerichtet sind
und durch Elektroden 1a und 1b mit Spannung versorgt
werden. Die Fasern sind sandwichförmig zwischen Schichten aus
strukturellem Epoxidharz und Polyamidfilmen angeordnet, in die die
Elektroden auf versetzte Weise senkrecht zu den Fasern integriert
sind. Die Gesamtheit weist eine Dicke von etwa 0,3 mm und eine rechteckige
aktive Oberfläche
von zum Beispiel 85 × 57
mm2 auf. Der Nachteil dieser Art von Schicht
besteht darin, dass sie sehr dünn
ist und somit sehr knickanfällig
ist. Ein anderer Nachteil betrifft ihre Ausdehnung in der Richtung
X, die in den Klebezonen der Bereiche zur Befestigung an ihren Auflagen
Probleme bereiten kann, insbesondere wenn diese sehr starr sind.
Die Scherbeanspruchung kann in diesem Fall zum Bruch der Klebeverbindung
führen.
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Auf
der Oberseite ist über
die gesamte Fläche
der planaren aktiven Schicht ein erstes Gewebe 2 von 0,2
mm zum Beispiel vom Typ Taft angeordnet, dessen Fasern aus einem
Material mit hohem Modul, wie zum Beispiel Carbon HM, gebildet sind.
Dieses Gewebe weist einen Schuss und eine Kette auf, die in der
Richtung X bzw. in der Richtung Y ausgerichtet sind. Der Schuss
und die Kette definieren ein Netzwerk aus aneinandergrenzenden Parallelogrammen.
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Auf
der Unterseite ist über
die gesamte Fläche
der planaren aktiven Schicht ein zweites Gewebe 3 angeordnet,
das identisch mit dem ersten Gewebe 2 ist und auf die gleiche
Weise ausgerichtet ist.
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Zwei
Klebeverbindungen 4 und 5 sind zwischen den drei
Schichten angeordnet, um sie miteinander zu verbinden. Diese Klebeverbindungen
weisen eine Dicke auf, die auf 0,1 mm eingestellt ist, und zwar
mittels eines textilen Gitters, das biegsam ist und ein geeignetes
Young-Modul aufweist, um die Scherbewegung der planaren aktiven
piezoelektrischen Schicht 1 bestmöglich auf die Gewebe 2 und 3 zu übertragen.
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Ein
Befestigungsbereich S1 ist in Richtung des Schusses der Gewebe ausgerichtet
und erstreckt sich entlang dem einem Ende in Richtung der Kette
dieser Gewebe. Er ist zum Beispiel auf einer Außenseite des Aktors angeordnet.
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Der
andere Befestigungsbereich S2 ist in Richtung des Schusses der Gewebe
angeordnet und erstreckt sich entlang dem anderen Ende in Richtung
der Kette dieser Gewebe. Er ist zum Beispiel auf einer Außenseite
des Aktors angeordnet.
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Das
Funktionsprinzip des Aktors ist Folgendes: Wenn die planare aktive
Schicht 1 durch die Elektroden 1a und 1b mit
Spannung versorgt wird, erzeugt sie in Richtung der Winkelhalbierenden
der Richtungen X und Y in der Ebene X-Y eine Ausdehnung, die sich
durch die Klebeverbindungen auf die beiden Kompositgewebe 2 und 3 überträgt. Die
Parallelogramme des Netzwerks dieser Gewebe, die in Richtung der
gleichen Diagonale beansprucht werden, verformen sich. Diese Verformung
verwandelt sich in einen Scherwinkel γ in Bezug auf die Richtung Y,
wie dies in 2 dargestellt ist, und die planare
aktive Schicht 1 liefert eine Scherbewegung Xγ = γ × W in Richtung
der Achse X, wie dies in 2 angezeigt wird.
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Der
Aktor dehnt sich in der Richtung X wenig aus, da der Schuss des
Gewebes sich dem widersetzt. Die Klebeverbindungen werden daher
wenig beansprucht. Ebenso dehnt sich der Aktor in der Richtung Y
wenig aus, da die Kette des Gewebes sich dem widersetzt. Der Aktor
verformt sich wenig in der Richtung Z, da er symmetrisch ist und
sich die Resultierende der ins Spiel kommenden Kräfte in der
Ebene X-Y befindet.
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Es
wurde ein solcher Aktor hergestellt, wobei als planare aktive Schicht
ein MFC mit einem aktiven Querschnitt von 85 × 57 × 0,3 mm3 verwendet
wurde, die sandwichförmig
zwischen zwei SXM10-Carbongeweben angeordnet wurde, und einem Betriebstest
unter +/– 750
Volt unterzogen.
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Mittels
einer Rosette aus drei Messstäben,
die in die Mitte der planaren aktiven Schicht geklebt wurden, wurde
Folgendes gemessen:
- – die Verformungen in Richtung
X;
- – die
Verformungen in Richtung Y;
- – die
Scherverformungen γ.
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Mittels
eines optischen Sensors wurden auch die Bewegungen der vier Ecken
des Aktors gemessen, die es durch Auftragen auf seine Breite W ermöglichen,
die Scherverformungen abzuleiten.
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Die
Ergebnisse werden in Tabelle 1 dargestellt, in der gilt: 1 μdef = 10
–6 Meter
pro Meter.
| | Nur
MFC | Aktor |
| (μdef) | 61 | 30
(–51%) |
| (μdef) | 49 | 27
(–45%) |
| γ Messung
Rosette (μdef) | 438 | 289
(–34%) |
| γ optische
Messung (μdef) | 462 | 255
(–45%) |
Tabelle
1
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Beispiel 2
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Eine
Ausführungsvariante
im Rahmen eines dreischichtigen Aktors ermöglicht es, die Schwerbewegung
zu vergrößern.
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Dieser
Aktor wird aus folgenden Elementen gebildet: In der Mitte ist ein
Gewebe von 0,2 mm, zum Beispiel vom Typ Taft angeordnet, dessen
Fasern aus einem Material mit hohem Modul, wie z. B. Carbon HM, gebildet
sind. Diese Gewebeschicht ist planar und weist einen Schuss und
eine Kette auf, die in der Richtung X bzw. in der Richtung Y ausgerichtet
sind. Der Schuss und die Kette definieren ein Netzwerk aus aneinandergrenzenden
Parallelogrammen.
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Auf
der Oberseite ist über
die gesamte Fläche
der Gewebeschicht eine erste planare aktive piezoelektrische Schicht
angeordnet, die geeignet ist, sich in Richtung der Winkelhalbierenden
der Richtungen X und Y auszudehnen oder zusammenzuziehen, wenn sie
mit Spannung versorgt wird. Diese piezoelektrische Schicht ist vom
gleichen Typ wie im vorhergehenden Beispiel. Sie erzeugt daher in
Bezug auf die Richtung X einen Scherwinkel γ.
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Auf
der Unterseite ist über
die gesamte Fläche
der Gewebeschicht eine zweite planare aktive piezoelektrische Schicht
angeordnet, die identisch mit der ersten Schicht ist und in der
gleichen Weise ausgerichtet ist.
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Zwei
Klebeverbindungen sind zwischen den drei Schichten angeordnet, um
sie miteinander zu verbinden. Diese Klebeverbindungen weisen eine
Dicke auf, die auf 0,1 mm eingestellt ist, und zwar mittels eines textilen
Gitters, das biegsam ist und ein geeignetes Young-Modul aufweist,
um die Scherbewegung der Aktoren bestmöglich auf das Kompositgewebe
zu übertragen.
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Der
erste Befestigungsbereich ist an einer Außenseite des Aktors angeordnet.
Er ist in Richtung des Schusses des Gewebes ausgerichtet und erstreckt
sich entlang dem einem Ende in Richtung der Kette dieses Gewebes.
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Der
zweite Befestigungsbereich ist auf der anderen Außenseite
des Aktors angeordnet. Er ist in Richtung des Schusses des Gewebes
ausgerichtet und erstreckt sich entlang dem anderen Ende in Richtung
der Kette dieses Gewebes.
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Im
Betrieb werden die beiden planaren aktiven piezoelektrischen Schichten
dieses Aktors gleichzeitig mit der gleichen Spannung gespeist. Sie
erzeugen in Richtung der gleichen Winkelhalbierenden der Richtungen
X und Y in der Ebene X-Y eine Ausdehnung, die durch die Klebeverbindungen
auf die Gewebeschicht übertragen
wird. Die Parallelogramme des Netzwerks des Gewebes, die in Richtung
der gleichen Diagonale beansprucht werden, verformen sich. Diese
Verformung wird wie in dem vorhergehenden Beispiel in einen Scherwinkel γ umgewandelt.
Auch hier werden die Klebeverbindungen wenig beansprucht, und die
Resultierende der ins Spiel kommenden Kräfte befindet sich in der Ebene
X-Y.
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Es
wurde ein solcher Aktor mit einem SXM10-Carbongewebe hergestellt, das sandwichförmig zwischen
zwei MFC mit einem aktiven Querschnitt von 85 × 57 × 0,3 mm3 angeordnet
wurde, die als planare aktive piezoelektrische Schichten dienten,
und einem Betriebstest mit denselben Messmitteln und unter denselben Bedingungen
wie im Beispiel 1 unterzogen.
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Die
Ergebnisse werden in Tabelle 2 dargestellt, in der gilt: 1 μdef = 10
–6 Meter
pro Meter.
| | Nur
MFC | Aktor |
| X
(μdef) | 61 | 53
(–13%) |
| Y
(μdef) | 49 | 42
(–14%) |
| γ Messung
Rosette (μdef) | 438 | 397
(–9%) |
| γ optische
Messung (μdef) | 462 | 383
(–17%) |
Tabelle
2
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3 zeigt
eine Beurteilung der Leistungen eines solchen Aktors.
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Für bloße MFC ist
die Kurve (I) die Gerade des Scherwinkels γ von Spitze zu Spitze, gemessen
an einem mit +/– 500
V gespeisten MFC, als Funktion der Scherkraft F, die ausgehend vom
berechneten Schersteifigkeitsgefälle
ermittelt wurde. Wenn γ =
0, so wird die Scherkraft als blockierend bezeichnet, da sie derart ist,
dass sie zum Verlust des gesamten freien Wegs führt, der γmax (320 μdef) ist, wenn F = 0.
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Für das Carbongewebe
und die beiden Klebeverbindungen ist die Kurve (II) eine Gerade,
die die Schersteifigkeit der Gesamtheit ausdrückt.
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Die
Kurve (III) charakterisiert den Aktor, der ein Verbund aus der Gewebeschicht
+ Klebung und den 2 MFC ist.
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Zusätzlich zu
diesen beiden Beispielen ist es möglich, eine größere Anzahl
von planaren Schichten zu verwenden. Um in Einklang mit der Erfindung
zu sein, muss der Aufbau der verschiedenen gebildeten Varianten
jedoch mehrere wesentliche Merkmale gleichzeitig aufweisen.
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Vor
allem muss der Aufbau in Bezug auf eine Mittelebene symmetrisch
sein, um eine planare Scherverformung des Aktors zu begünstigen.
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Des
Weiteren müssen
alle Schuss- und Kettenfäden
jeder planaren Gewebeschicht, die eine parallelogrammförmige Masche
definieren, jeweils in den beiden Richtungen ihrer Ebene ausgerichtet
sein, die parallel zur Mittelebene ist.
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Darüber hinaus
müssen
alle planaren aktiven piezoelektrischen Schichten in ihrer Ebene
jeweils parallele und in die gleiche Richtung verlaufende aktive
Richtungen aufweisen, die entlang der gleichen Diagonale der parallelogrammförmigen Masche
ausgerichtet sind.
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Schließlich müssen sich
die beiden Befestigungsbereiche an entgegengesetzten Enden des Schusses oder
der Kette der Gewebeschichten befinden, und sie müssen in
Richtung der Kette bzw. des Schusses der Gewebeschichten angeordnet
sein.
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Beispiel 3
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die aus einem Kopf zu Fuß montierten
Verbund aus zwei Aktoren A1 und A2 gebildet ist, die identisch mit
dem Aktor A sind, der in den vorhergehenden Beispielen beschrieben
wurde. Die beiden Aktoren A1 und A2 sind, wie in dies 4 dargestellt ist,
aufeinander und parallel zueinander montiert, wobei sie an ihren
jeweiligen Befestigungsbereichen S2 aneinandergeklebt sind.
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Das
Funktionsprinzip der Erfindung ist Folgendes: Wenn der erste Aktor,
der jenem von Beispiel 1 oder 2 entspricht, aktiviert wird, erzeugt
er in der Ebene X-Y und bei 45° eine
Ausdehnung, die sich auf das Gewebe überträgt, dessen Netzwerk, das in
Richtung der ersten Diagonale beansprucht wird, sich parallelogrammförmig verformt.
Diese Verformung verwandelt sich in einen Scherwinkel γ, und der
erste Aktor liefert eine Scherbewegung Xγ1 = γ × W in Richtung
der Achse X, wie dies in 5 angezeigt wird.
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Wenn
der zweite Aktor aktiviert wird, erzeugt er darüber hinaus in der Ebene X-Y
und bei 135° eine Ausdehnung,
die sich auf das Gewebe überträgt, dessen
Netzwerk, das in Richtung der zweiten Diagonale beansprucht wird,
sich parallelogrammförmig
verformt. Diese Verformung verwandelt sich in einen Scherwinkel –γ, und der
zweite Aktor A2 liefert eine Scherbewegung Xγ2 = –γ × W in Richtung
der Achse X. Diese Scherbewegung ist der Scherbewegung des ersten
Aktors A1 entgegengesetzt.
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Die
Amplitude d der gesamten Scherbewegung der Vorrichtung zwischen
den jeweiligen Befestigungsbereichen S1 ist gleich der Summe der
Amplituden der Scherbewegungen jedes Aktors, d. h. d = Xγ1 – Xγ2,
und da in dem Beispiel die Aktoren identisch sind, gilt: d = 2γ × W, wie
dies aus 5 hervorgeht.
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Beispiel 4
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann eine Kombination von zwei Aktoren einsetzen, die nicht streng
identisch sind. Es ist zum Beispiel möglich, einen ersten Aktor gemäß Beispiel
1 mit einem zweiten Aktor zu kombinieren, der den gleichen Sandwich-Aufbau
aufweist, bei dem jedoch einerseits die Breite W in Richtung Y größer ist als
jene des ersten Aktors, und bei dem andererseits die beiden Befestigungsbereiche
auf der gleichen Seite dieses zweiten Aktors angeordnet sind.
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Die
erzielte Vorrichtung weist somit zwei aneinandergrenzende Befestigungsbereiche
auf, die von einer einzigen Seite her zugänglich sind, was bei bestimmten
Anwendungen von praktischem Interesse sein kann.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann vorteilhafterweise in Kombination mit einer Hubschrauberblattstruktur
verwendet werden, um diese in Richtung der Spannweite einer Torsion
zu unterziehen. Unter diesen Umständen ist das System während seines
Betriebs nicht mehr exakt planar, sondern leicht verdreht. Diese
Verformung ist jedoch lokal jeweils nur gering und verändert die
Funktionsweise der in den vorhergehenden Beispielen beschriebenen
Vorrichtung nicht grundlegend.
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Beispiel 5
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Wie
dies in 6 dargestellt ist, kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung
im Inneren des Profils einer offenen Tragfläche eines Luftfahrzeugs und
in der Nähe
ihrer Austrittskanten angebracht werden. Eine Tragfläche wird
als offen bezeichnet, wenn die Blattunterseite und die Blattoberseite
in der Nähe
der Austrittskante der Fläche
nicht miteinander verbunden sind. Die Austrittskanten der Blattoberseite
E und der Blattunterseite I sind gegenüber von den Befestigungsbereich
S1 von A1 und von A2 der Vorrichtung mit Verstärkungen versehen. Die Austrittskanten
sind im Bereich der Verstärkungen
an die Befestigungsbereiche S1 jedes der identischen Aktoren A1
und A2 geklebt oder geschraubt. Die Kleb- oder Schraubverbindungen
sind entlang der Spannweite parallel zur Achse X in 5 verteilt.
Die Bereiche S2 von A1 und A2 sowie die Austrittskante sind in Richtung
der Profilsehne zu beiden Seiten der Bereiche S1 von A1 und A2 zur
Befestigung der Vorrichtung am Tragflügel angeordnet. Die Symmetrieebene
der Vorrichtung in Ruhe befindet sich in der Nähe der Ebene der Profilsehne,
d. h. der neutralen Biegungsachse. Die Vorrichtung ist auf diese
Weise nur sehr geringen Beanspruchungen ausgesetzt, wenn das Blatt
einer Biegebeanspruchung unterworfen wird.
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Die
Vorrichtung verschließt
den Querschnitt des Tragbereichs durchgehend in Richtung der Spannweite.
Es kann jedoch eine zusätzliche
Verbindung zwischen der blattunterseitigen und blattoberseitigen
Austrittskante vorgesehen werden, und zwar mittels eines Elastomers
C mit geringem Modul, das auf eine Verstärkung jeder der Austrittskanten
oder direkt zwischen die Befestigungsbereiche S1 von A1 und von
A2 der Vorrichtung geklebt wird, denn es ist die Schersteifigkeit
der Vorrichtung, die entscheidend für die Verdrehungssteifigkeit
des Tragbereiches ist.
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Das
Prinzip der auf diese Weise eingebauten Vorrichtung ist identisch
mit jenem des Beispiels 2. Die Amplitude d der gesamten
Scherbewegung der Vorrichtung zwischen den Austrittskanten ist gleich
der Summe der Amplituden der Scherbewegungen jedes Aktors, wie dies
aus 7 hervorgeht.
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8 zeigt
eine Beurteilung der Leistungen einer solchen Vorrichtung.
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Die
Kurve (I) charakterisiert die Vorrichtung, die nur aus zwei einfachen
Aktoren in Serie gebildet wird, wie sie oben definiert wurden. Die
Bewegungen werden in μm
ausgedrückt.
Die Vorrichtung wird mit +1500/–500
Volt gespeist.
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Die
Kurve (II) charakterisiert die Schersteifigkeit eines Blattquerschnitts
(Profilsehne 141,5 mm), der an der Austrittskante offen ist. Die
innere Struktur ist vom herkömmlichen
Typ. Die Scherkraft ist jene Kraft, die auf die Austrittskanten
auszuüben
ist, um sie in Bezug zueinander zu bewegen.
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Die
Kurve (III) charakterisiert den Verbund aus dem Blatt und der damit
verbundenen Vorrichtung.
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Beispiel 6
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Wie
dies in 9 dargestellt ist, kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung
selbst die Austrittskante umfassen, wobei die beiden Aktoren die
Teile der Blattoberseite und der Blattunterseite bilden, die unmittelbar
an die Austrittskante angrenzen. Die Symmetrieebenen der beiden
Aktoren sind nicht mehr parallel. Die Aktoren A1 und A2 der Vorrichtung
sind durch ihre jeweiligen Befestigungsbereiche S1 miteinander verbunden,
so dass sie zwischen ihnen den für
die Austrittskante des Blattes gewünschten Winkel bilden. Der
Aktor A1 ist durch seinen Befestigungsbereich S2 blattoberseitig
und austrittskantenseitig an die Beplankung der Blattoberseite E
des aerodynamischen Profils geklebt, und der einfache Aktor A2 ist
durch seinen Befestigungsbereich S2 blattunterseitig und austrittskantenseitig
an die Beplankung der Blattunterseite I des aerodynamischen Profils geklebt.
Die Bereiche S1 und die Austrittskante sind in Richtung der Profilsehne
auf der gleichen Seite der Bereiche S2 von A1 und A2 zur Befestigung
der Vorrichtung am Tragflügel
angeordnet.
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Zusätzlich kann
eine Verbindung zwischen der blattunterseitigen und blattoberseitigen
Austrittskante gebildet werden, und zwar mittels eines Elastomers
C mit geringem Modul, das zum Beispiel im Bereich der Innenseiten
des doppelten Aktors verklebt ist.
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Die
Vorrichtung verschließt
den Querschnitt der Tragfläche
durchgehend entlang der Spannweite und bildet einen "Komposit"-Aufbau, so dass
der Aktor versteift wird, um sein Knicken zu verhindern.