DE19843965A1 - Halte- und Auslösemechanismus mit einem Formgedächtnis-Aktuator - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halte- und Auslösemechanismus mit einem Formgedächtnis-Aktuator zu schaffen, die ein sicheres Auslösen bei einfacher konstruktiver Gestaltung und geringer Energiezufuhr ermöglichen. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Drahtende (7, 8) von einem losen Ende eines Formgedächtnisdrahtes (9, 10) gehalten ist, der bei Temperaturzufuhr in seiner Längsachse kontraktiert und sein loses Ende aus einer vom Drahtende (7, 8) gebildeten Öffnung (27, 28) zieht. DOLLAR A Die Erfindung findet Anwendung in einem Halte- und Auslösemechanismus mit einem Formgedächtnis-Aktuator, der temperaturgesteuert ein unter Zugspannung stehendes Drahtende freigibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halte- und Auslösemechanismus mit einem Formgedächtnis-Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist in der Raumfahrttechnik bekannt (DE-A1-196 49 739), einen unter Zugspannung stehenden Draht an seinem gekrümmten Ende mit einem Schmelzdraht zu halten, der bei Stromdurchfluß schmilzt und den Draht frei­ gibt. Der unter Zugspannung stehende Draht hält, als Spule geformt, zwei Hälften einer geteilten Bolzenhalterung zusammen. Bei einer Freigabe des Drahtes klappen die beiden Hälften der Bolzenhalterung unter Federdruck auseinander und der Bolzen kann sich aus der Bolzenhalterung lösen. Mit dem Bolzen werden beispielsweise beim Starten der Rakete Solarzellenpa­ nels eines Raumflugkörpers zusammengedrückt, die bei Erreichen des Missionszieles durch das Lösen des Bolzens freigegeben werden. Die Ver­ wendung eines Schmelzdrahtes hat den Nachteil einer unsicheren und unde­ finierten Auslösung.

Aus der US 5,160,233 ist eine Bolzenhalterung mit einem Formgedächtnis- Aktuator für den Einsatz in der Raumfahrttechnik bekannt, der zum Abstoßen von leeren Treibstoffianks dient, die mit einem Bolzen außen an einem Raumfahrzeug gehalten sind. Die bekannte Bolzenhalterung gibt den Bolzen frei, indem Zylindersegmente in der Bolzenhalterung, die ein auf dem Bolzen vorhandenes Gewinde mit ihrem Innengewinde von außen umfassen und dadurch den Bolzen halten, temperaturgesteuert auseinandergedrückt werden. Das Auseinanderdrücken erfolgt derart, daß die Zylindersegmente zusammen mit dem Bolzen mit einem zylindrisch ausgebildeten Formgedächt­ nis-Aktuator in eine Position gehoben werden, die in der Bolzenhalterung ein seitliches Auseinanderweichen der Zylindersegmente zuläßt und daß das Auseinanderweichen der Zylindersegmente durch das Eindringen des an seiner Stirnseite als Kegelstumpf ausgebildeten Aktuators in eine von den Zylindersegmenten gebildete Ringöffnung erfolgt. Der Formgedächtnis- Aktuator dehnt sich bei Temperaturzufuhr in seiner Längsrichtung aus und bewirkt dadurch das vorangehend beschriebene Anheben und Auseinander­ drücken der Zylindersegmente. Die Temperaturzufuhr im Auslösefall erfolgt mittels joulscher Wärme. Zum Auseinanderdrücken der Zylindersegmente ist ein relativ großer und kräftiger Aktuator erforderlich und beim Aufeinander­ gleiten der Teile in der Bolzenhaltetung können Probleme bezüglich einer Kaltverschweißung auftreten. Die Ausbildung der Zylindersegmente, deren Fixierung im Haltezustand und die Mittel zum Auseinanderweichen im Aus­ lösezustand erfordern eine relativ aufwendige konstruktive Gestaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halte- und Auslösemecha­ nismus mit einem Formgedächtnis-Aktuator zu schaffen, die ein sicheres, Auslösen bei einfacher konstruktiver Gestaltung und geringer Energiezufuhr ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in dem Unteran­ sprüchen angegeben.

Die Erfindung verwendet die Eigenschaften von Legierungen mit Form­ gedächtnis, sog. Shape Memory Alloys. Derartige Legierungen, z. B. auf der Basis von TiNi, weisen bekannterweise zwei verschiedene feste Phasen auf, nämlich martensitisch bei niedriger Temperatur und austenitisch bei hoher Temperatur mit einem progressivem Phasendurchtritt während man die Legierung erwärmt. Erfindungsgemäß wird der sog. "Ein-Weg-Effekt" derartiger Legierungen ausgenutzt. Dabei wird im Martensit eine "pseudoplastische" Verformung der Legierung erzeugt, die sich im durch lemperaturerhöhuns eingestellten Austenit bekannterweise wieder zurückbildet. Einer daran anschließende Abkühlung ins Martensit führt aber nicht zu einer weiteren Verformung, sondern es bleibt der im Austenit zurückgebildete Zustand erhalten.

Der erfindungsgemäße Halte- und Auslösemechanismus hat den Vorteil, daß er aus wenigen Teilen besteht, wegen der kompakten Bauweise leicht in bestehende Designs integrierbar ist und damit bekannte Aufbauten simplifiziert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Halters besteht darin, daß bei der Drahtfreigabe keine weggesprengten Teile, wie z. B. bei einer pyrotechnischen Freigabe, entstehen und daß keine Teile bei der Freigabe zerstört werden. Durch Verwendung Formgedächtnislegierungen, die mit einem speziellen mechani­ schen Bearbeitungsschritt vorbehandelt sind; liegt die Austenit-Start-Tempe­ ratur deutlich über den Werten von kommerziell erhältlichen TiNi-Legierungen. Bei einer Verwendung derartiger Legierungen können erfindungsgemäße Drahthalter vorteilhaft auch bei höheren Umgebungstemperaturen eingesetzt werden, wie sie z. B. bei Raumfahrtmissionen auftreten können.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert,

Fig. 1 zeigt eine Bolzenhalterung mit Aktuatoraufnahme in geschnittener Vorderansicht,

Fig. 2 zeigt die Bolzenhalterung im ausgelösten Zustand unter Weglassung der Darstellung der Aktuatoraufnahme und

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht der Bolzenhalterung bei abgenommenen Oberteil der Aktuatoraufnahme.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel für eine Bolzenhalterung 1 besteht aus zwei Zylindersegmenten 2 und 3, einer mechanischen Feder 6, einem Mit­ nehmer 7, einer Drahtwicklung 4 mit den beiden Drahtendem 7 und 8, die mit hakenförmige Öffnungen 27 und 28 enden, einer Aktuatoraufnahme 11, die sich aus einem Unterteil 12, einem Mittelteil 13 und einem Oberteil 14 zusam­ mensetzt. In der Aktuatoraufnahme 11 sind in abgedeckten Ringnuten 15 und 16 jeweils ein Formgedächtnisdraht 9 und 10 gelagert. Die ringförmigen Formgedächtnisdrähte 9 und 10 sind unterbrachen und ragen mit einem ihrer Enden durch die Öffnungen 27 und 28 und hatten so die durch die Feder 6 unter Zugspannung stehende Drahtwicklung 4 zusammen. Der zu haltende Bolzen 20 ragt mit seinem Bolzengewinde 5 und seinem Bolzenfortsatz 18 in eine Gewindebohrung der von der Drahtwicklung 4 zusammengehaltenen Zylindersegmente 2 und 3.

Der Auslösezustand der voranstehend beschriebenen Bolzenhaltetung 1 ist in Fig. 2 gezeigt. Durch eine gesteuerte Temperaturzufuhr kontraktieren die beiden, in Fig. 2 vereinfachend nicht dargestellten, Formgedächtnisdrähte 9 und 10 in ihrer Längsachse und ziehen sich aus den Öffnungen 27 und 28 zurück. Dadurch öffnet sich die Drahtwicklung 4 und das Zylindersegment 3 klappt unter Wirkung der vorgespannten mechanischen Feder 6 seitlich weg. Das wegklappende Zylindersegment 3 gibt eine Längshälfte des Bolzen­ gewindes 5 frei. Der an dem Zylindersegment 3 befestigte Mitnehmer 17 wirkt dabei auf den Bolzenfortsatz 18 derart, daß er entsprechend dem Richtungspfeil 29 seitlich mitgenommen wird und dadurch auch mit der zweiten Längshälfte seines Bolzengewindes 5 aus der Bolzenhalterung 1 freikommt.

Mit dem Bolzen 20 sind beipielsweise Solarpanel eines Raumfahrzeuges während des Raketenstarts zusammengehalten, wobei der Bolzen durch die zusammengedrückten Solarpanel unter - in seiner Längsachse wirkender - Vorspannung steht. Bei der temperaturgesteuerten Auslösung wird nach Abschluß der vorangehend beschriebenen Auslösevorgänge der Bolzen infolge dieser Vorspannung gemäß dem Richtungspfeil 19 (siehe Fig. 1) aus der Bolzenhalterung 1 entfernt und gibt die Solarpanel zur Entfaltung frei.

In Fig. 3 ist die vorangehend beschriebene Bolzenhalterung bei abgenom­ menen - und in Fig. 3 nicht gezeigtem - Oberteil 14 der Aktuatoraufnahme 11 in Draufsicht gezeigt. Die Drahtenden 8 und 9 der Drahtwicklung 4 sind tangential von der Drahtwicklung 4 zu der Aktuatoraufnahme 11 geführt.

In dem sichtbaren Mittelteil 13 ist die Ringnut 16 eingearbeitet, in welcher der Formgedächtnisdraht 10 gelagert ist. Im zusammengesetzten Zustand der Aktuatoraufnahme - bei aufgesetztem Oberteil 14 - ist die Ringnut 16 von dem Oberteil 14 abgedeckt. Der ringförmige Formgedächtnisdraht 10 ist an einer Stelle unterbrochen und dort mit einem seiner Enden mit einer Drahthalterung 21 in der Ringnut 16 festgehalten. Die Drahthalterung 21 bildet außerdem einen elektrischen Kontakt zwischen dem Formgedächtnis­ draht 10 und einem Stromleiter 22. Das andere Ende des Formgedächtnis­ drahtes 10 ist in der Ringnut 16 nicht festgelegt, sondern ragt in einen Spalt 25, der die Ringnut 16 unter einem bestimmten Winkel unterbricht. Der Winkel ergibt sich aus der tangentialen Anordnung des Drahtendes 8.

In dem Spalt 25 ragt das Ende des Formgedächtnisdrahtes 10 im nicht­ erwärmten Zustand des Martensit durch die hakenförmige Öffnung 28 des unter Zugspannung stehenden Drahtendes 8 hindurch. Bei Erwärmung in den Austenit-Zustand zieht sich das Ende des Formgedächtnisdrahtes 10 aus der Öffnung 28 heraus und gibt das Drahtende 8 frei.

Die Erwärmung des Formgedächtnisdrahtes 10 erfolgt mittels joulscher Wärme. Dazu ist ein zweiter Stromanschluß 26 an dem frei beweglichen Ende des Formgedächtnisdrahtes 10 vorgesehen, wobei das abisolierte Ende eines Stromleiters 23 in einem quer zur Ringnut angeordneten Spalt 30, der eine für die Kontraktionsbewegung des Formgedächtnisdrahtes 10 hinreichender Breite aufweist, mit dem Formgedächtnisdraht 10 mechanisch verbunden ist.

Unterschiedliche Legierungen mit Formgedächtnis sind einsetzbar; z. B. nor­ male TiNi-Drähte ohne spezielle mechanische Vorbehandlung mit Werten für die Austenit-Start-Temperatur im Bereich zwischen 60 und 80 Grad C. Der Formgedächtnisdraht 10 des Ausführungsbeispieles ist ein TiNi-Draht und ist mit einem speziellen Walzprozeß so vorbehandelt, daß der Wert für die Austenit-Start-Temperatur des Drahtes größer als 100 Grad C ist.

Das andere Drahtende 7 der Drahtwicklung 4 ist im Ausführungsbeispiel, entsprechend den voranstehend beschriebenen Ausführungen zum Draht­ ende 8 mit dem Formgedächtnisdraht 9 gehalten, der in dem Unterteil 12 in der Ringnut 15 gelagert ist. Es könnte aber auch eines der Drahtenden 7 oder 8 starr in der Bolzenhalterung befestigt sein. Durch die lösbare Halterung beider Drahtenden wird eine vorteilhafte Redundanz für die Auslösung des Bolzens 20 erreicht.

Die Aktuatoraufnahme 11 ist aus dem hochtemperaturbeständigen Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) gefertigt. Dieser Werkstoff ist als Raumfahrtwerk­ stoff qualifiziert und die elektrischen Kennwerte bzgl. der Isolation sind im Vergleich zu anderen Kunststoffen sehr gut. Eine Verwendung anderer tempe­ raturbeständiger und elektrisch isolierender Materialien ist möglich.

Claims (9)

1. Halte- und Auslösemechanismus mit einem Formgedächtnis-Aktuator, der temperaturgesteuert einen unter Zugspannung stehendes Drahtende freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende (7, 8) von einem losen Ende eines Formgedächtnisdrahtes (9, 10) gehalten ist, der bei Temperatur­ zufuhr in seiner Längsachse kontraktiert und sein loses Ende aus einer vom Drahtende (7, 8) gebildeten Öffnung (27, 28) zieht.

2. Halte- und Auslösemechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formgedächtnisdraht (9, 10) ringförmig mit einer Unterbrechung aus­ gebildet ist.

3. Halte- und Auslösemechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formgedächtnisdraht (9, 10) in einer abgedeckten Ringnut (15, 16) aufgenommen ist und daß in der Ringnut (15, 16) im Bereich des losen Endes des Formgedächtnisdrahtes (9, 10) ein Spalt (25) zum Einführen der Öffnung (27, 28) vorgesehen ist.

4. Halte- und Auslösemechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formgedächtnisdraht (9, 10) durch Ausnutzung des "Ein-Weg-Effektes" des Formgedächtnismateriales bei Temperaturerhöhung irreversibel kontraktiert.

5. Halte- und Auslösemechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgedächtnismaterial auf einer TiNi-Legierung basiert.

6. Halte- und Auslösemechanismus nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgedächtnismaterial ein speziell mit einem mechanischen Verfahren vorbehandelter Draht ist, der aufgrund dieser Vorbehandlung eine Austenit-Start- Temperatur von größer als 100 Grad C aufweist.

7. Halte- und Auslösemechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Formgedächtnisdrähte (9, 10) in einer Aktuatoraufnahme (11) aufgenommen ist, die aus dem temperaturbeständigen Kunststoff Polyetherether­ keton (PEEK) gefertigt ist.

8. Halte- und Auslösemechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Formgedächtnisdrahtes (9, 10) auf die Austenit-Start-Temperatur mittels joulscher Wärme erfolgt.

9. Halte- und Auslösemechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halte- und Auslösemechanismus in einer Bolzenhalterung mit einer Drahtwicklung (4) eingesetzt ist, daß die Drahtwicklung (4) Zylinderseg­ mente (2, 3) gegen den Druck einer mechanischen Feder (6) zusammenhält, daß in einer Gewindebohrung der zusammengehaltenen Zylindersegmente (2, 3) ein unter Zugspannung stehender Bolzen (20) mit seinem Bolzengewinde (5) aufgenommen ist, daß der Halte- und Auslösemechanismus das/die Drahtenden (7, 8) der Draht­ wicklung (4) hält und bei Freigabe der Drahtenden (7, 8) durch den Halte- und Auslösemechanismus die Zylindersegmente (2, 3) Auseinanderklappen und den Bolzen (20) freigeben.