DE4033089C1

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

Info

Publication number: DE4033089C1
Application number: DE4033089A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. 8011 Putzbrunn De Zimmermann; Willi Dr. 8069 Reichertshausen De Martin
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1992-03-12
Anticipated expiration: 2010-10-19

Abstract

The torsion element, for an electrostrictive rod or band, uses electrostrictive fibres (10), each with an electrically conductive core and a piezoelectric outer coating, wound around the outside of the torsion rod (11), for controlling the damping characteristics of the latter. The electrostrictive fibres are combined in fibre bundle lying in all directions, or all lying in a specified direction. Alternatively thr fibres are combined in strips with different fibre directions, wound the outside of the torsion rod (11). ADVANTAGE - Provides torsion element of reduced weight and size.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Torsionselement gemäß dem Gattungsbe griff des Anspruchs 1.The invention relates to a torsion element according to the genus handle of claim 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.From DE 23 63 236 a torsional vibration device is known ge in which the electrostrictive element is annular and is polarized in the circumferential direction, with both surfaces of the Ele with electrodes and metal parts and with the help of a win to be braced.

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.From DE 35 42 741 and DE 36 30 880 are torsional vibration devices gene known that equipped with an electrostrictive element are. In all of the above cases, the electrostrictive element is turned off electrostrictive solid material in more or less voluminous, special molded "blocks" and with the same polarization segments alternately put together as adjacent or coupled electrodes.

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.The publication US 48 68 447 piezoelectric sensors and Ak known actuators made of a piezoelectric polymeric lami nat exist. From EP 00 13 952 A1 is a thread made of synthetic Po Lymeren became known who used to use piezoelectric sensors becomes. A piezoelectric foil laminate behaves iso in the plane trop and is therefore not in a position with a homogeneous assignment of a rod to perform a torsion.

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.Apart from the excessive weight and volume of the torsion elements of the State of the art, the production is also problematic. Kick once breakage problems due to unwanted tension in the electrostrictive element and for the second time, polarization problems are quite common, although overall the rejection rate is inadmissibly high for all known embodiments is.

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.The invention has for its object a torsion element of the beginning to create the type mentioned, which is minimized in weight and volume, so probably in its elastic behavior as well as in the degree of its deformation is variable and can be used in a variety of ways, with an almost inefficient control of elastic properties and movements is made possible.

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:This object is achieved by the measures indicated in claim 1. Refinements and developments are given in the subclaims and exemplary embodiments are explained in the following description and sketched in the figures of the drawing. Show it:

Fig. 1a ein Schemabild eines Torsionsstabes mit graduell unterschiedli cher Torsion, Fig. 1a a diagram of a torsion bar with gradually differing cher twist,

Fig. 1b ein Schemabild eines Torsionsstabes mit partiell unterschiedli cher Torsion, FIG. 1b is a schematic diagram of a torsion bar with partially differing 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. 1c is a schematic diagram of the application of the control voltage of an electro-strictive fiber in an electrically conductive matrix in an embodiment according to 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. 1d is a schematic diagram of the application of the control voltage of an electro-strictive fiber in a non-conductive matrix upon an off operation example of FIG. 1b,

Fig. 2a ein Schemabild eines Torsionselementes in Form eines Torsionssta bes oder einer Kardanwelle mit einstellbarem Dämpfungsverhalten in bestimmter Wickelstruktur, FIG. 2a is a schematic diagram of a torsion element in the form of a Torsionssta bes or a propeller shaft with adjustable damping performance in certain winding structure,

Fig. 2b ein Schemabild eines Torsionselementes in Form eines Torsionssta bes mit Niveauregulierung in bestimmter Wickelstruktur, Fig. 2b is a schematic diagram of a torsion element in the form of a Torsionssta bes adjustable for certain wound structure,

Fig. 3 ein Schemabild einer weiteren Ausführungsform eines Torsionsele mentes in Form eines Rotorblattarmes für einen Hubschrauber. Fig. 3 is a schematic image of another embodiment of a Torsionsele element in the form of a rotor blade arm for a helicopter.

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.The geometric arrangement of the electrostrictive fibers, consisting of an electrically conductive fiber core (e.g. C-fiber, metal fiber, metallic coated ceramic, glass or synthetic fiber) and a piezoelectric coating, embedded in an electrically conductive or non-conductive matrix, determined in the fiber composite the distribution of the internal mechanical stresses regulated by an electrical control voltage. If the electrostrictive fibers are embedded in an electrically conductive matrix 12 , the control voltage is applied as shown in FIG. 1c. When the electrostrictive fibers are embedded in a non-conductive matrix 12 , the control voltage is applied as shown in FIG. 1d.

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.The above-described geometric arrangement of the electrostrictive fibers thus determines the distribution of the internal mechanical stresses regulated by an electrical control voltage in the fiber composite. With an isotropic and symmetrical distribution of the electrostrictive fibers 10, these lead to a change in the elastic behavior of the torsion bar 11 and with an anisotropic or asymmetrical distribution to a deformation thereof.

In den Fig. 1a und 1b sind verschiedene konstruktive Beispiele für die Bauweisen elektrostriktiver Faserverbunde für Aktuatoren skizziert, die nachstehend noch erläutert werden.In FIGS. 1a and 1b, various constructive examples for the designs of electrostrictive fiber composites for actuators are outlined, which will be explained below.

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.In Fig. 2a, a torsion bar is outlined, in which the electrostrictive fibers 10 are wound or laid in a "cross-0.90 ° winding assembly" around the torsion bar 11 or the propeller shaft. This torsion bar 11 is thereby controllable in its elastic properties (damping behavior). The fiber distribution is homogeneous in both winding directions and of the same density. In this case, the mechanical stresses in the event of changes in the electrical control voltages are homogeneously distributed in all directions. Therefore, an increase in the internal stresses causes a stiffening of the torsion bar 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. With an uneven fiber density in the two winding directions, a change in the electrical voltage has not only a change in ela-elastic properties, but also a torsion of the torsion bar 11 .

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.With a unidirectional winding direction - as outlined in FIG. 2b - a pure rotary actuator is obtained. Changes in the electrical control voltages result in a unidirectional change in the mechanical stresses that act on a rotation of the torsion bar 11 about its longitudinal axis.

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).In the exemplary embodiments already referred to in FIGS. 1 a and 1 b, it can be described as essential that the exemplary embodiments outlined there have a partially different torsion in that the electrostrictive fiber 10 is wound with partially different steepness. Per length interval of the torsion bar 11 , then the number of fibers 10 in the cross section of the fiber composite and thus also the mechanical tension is different ( 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.If different torsions are to be achieved partially discretely, then areas S 1 , S 2 , S 3 ... different fiber densities and different windings supplied by separate control voltages. The application of the control voltages is sketched in a schematic representation in FIGS. 1c and 1d - as already stated above.

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.The above-described embodiments are versatile, so can they are used, for example, to regulate the rigidity and torsion of the Helicopter rotor blades or for electrically controlled rotor blades serve adjustment. It is also used for cardan shafts with adjustable damping behavior or with torsion leaf and spiral springs with adjustable damping behavior and adjustable level control. In al len cases, however, is an almost ineffective control of the elastic egg properties and movement guaranteed.

Claims

1. Torsion element, as a rod-shaped or ribbon-shaped electrostrictive component for actuators, shafts or carriers, characterized in that electrostrictive fibers ( 10 ), consisting of an electrically conductive fiber core and a piezoelectric coating, are arranged geometrically in the fiber composite so that the an electrical control voltage regulated internal mechanical stresses in the fiber core with an isotropic and symmetrical distribution of the electrostrictive fibers ( 10 ) to a change in the elastic behavior of the carrier form the torsion bar ( 11 ) and with an anisotropic or asymmetrical distribution of the same ( 10 ) a deformation of the torsion bar ( 11 ), the electrostrictive fibers ( 10 ) are placed in the fiber composite in all directions and a desired gradual chen Chen torsion are aligned accordingly.

2. Torsion element according to claim 1, characterized in that the electrostrictive fibers ( 10 ) are placed in a "cross-0.90 ° winding assembly" around a torsion bar ( 11 ).

3. Torsion element according to claim 1, characterized in that the electrostrictive fibers ( 10 ) are placed in a unidirectional winding assembly around a torsion bar ( 11 ).

4. Torsion element according to one of claims 1 to 3, characterized in that a unidirectionally wound fiber composite in Ver bund strips (S 1 , S 2 , S 3, .. ) different fiber direction is placed or wound around the gate sion bar.

5. Torsion element according to one of claims 1 to 4, characterized ge indicates that the fiber composite areas with different Fa has tight and different winding.