antriebstechnik 3/2024

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
05 Verlauf der Hubänderungsrate über der Dehnstofftemperatur
leichte Unregelmäßigkeit beim Einfahren zu erkennen und die
Ausgangsposition wird zudem erst bei -15 °C erreicht. Erst bei
einer Belastung von 55 N lässt sich eine hinreichende Linearität
bei den Rückhüben erkennen, was auch der angegebenen Minimalbelastung
für dieses Element entspricht.
Einhergehend mit der Belastungssteigerung bis zum Maximum
von 200 N ist eine Verschiebung des Hubbeginns hin zu
höheren Temperaturen zu erkennen. Darüber hinaus wird der
Hub in seinen Absolutwerten kleiner. Zurückzuführen ist dies
auf den benötigten höheren Druck in Verbindung mit der Elastizität
der Dehnstoffelementkomponenten und einer Kompressibilität
des Dehnstoffs. In Bild 04 ist die Hubdifferenz zwischen
Ein- und Ausfahren des Kolbens über der Temperatur
dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Hysterese bei steigender
Belastung im Regelhubbereich kleiner wird. Der Betrag der
Hubdifferenz sinkt mit steigender Belastung und die Temperaturspanne
des Regelhubbereichs verringert sich. Nahezu unbeeinflusst
von der Last zeigt sich hingegen der Überhubbereich.
Die Hubdifferenzen sind relativ gering und nahezu unabhängig
von der Last.
Wird die Dehnstoffelementdynamik betrachtet, verhält es
sich ähnlich. In Bild 05 ist die Hubänderungsrate aufgeführt.
Sie stellt die Ableitung der Verläufe aus Bild 03 für den Abschnitt
des Ausfahrens bei steigenden Temperaturen dar. Zu erkennen
ist, dass die höhere Dynamik im Regelhubbereich mit
einem stärkeren Lasteinfluss einhergeht, welcher im Überhubbereich
nicht mehr erkennbar ist. Die auftretenden Knicke bei
40 °C sind mit der Abschaltung des Kühlkompressors des Klimaschranks
zu erklären, welcher das Gehäuse geringfügig verwindet.
Insgesamt kann das Verhalten im Überhubbereich als stabil
gegenüber Lasteinflüssen betrachtet werden.
Höhere Lasten führen zu einer Verschiebung
des Arbeitsbereichs hin zu höheren Temperaturen.
Um bis zu 30 Prozent nimmt hierbei der absolute
Hub ab. Im Arbeitshubbereich verringert
sich die Hubhysterese und die Dynamik des Elements
flacht leicht ab. Nahezu unbeeinflusst
von der Last verhält sich der Überhubbereich;
bis auf die absolute Hubänderung bleibt die
Hubhysterese und Dynamik konstant. Wird also
kein besonders großer Verstellweg benötigt,
sollte das Element so ausgewählt werden, dass
es ausschließlich im Überhubbereich arbeitet.
Überlastungen sollten generell vermieden
werden, da sie zu hohen inneren Drücken führen
und die Elemente zerstören. Weiterhin ist ein
Anschlag zur Entlastung des Elements im eingefahrenen
Zustand notwendig, um ein zu tiefes
Rückstellen des Kolbens und eine damit verbundene
Beschädigung des Elastomer einsatzes zu
vermeiden. Anders als Dehnstoffelemente, die
nur durch ihr umgebendes Medium temperiert
werden, ist es auch möglich, sie aktiv zu beheizen und so zum
Beispiel einen elektrischen Stellmechanismus zu realisieren [4].
www.fh-swf.de
Literaturverzeichnis:
[1] Bucht, A.: Workshop „Smart Materials für Automobile“; Anwendungen
thermischer Formgedächtnislegierungen im Automobil, Potentiale und
Grenzen; Frauenhofer IWU; Würzburg (2014).
[2] Kunze, H., Bucht, A., Pagel, K. et al. Leichte Formgedächtnisaktoren im
Automobil. ATZ Automobiltech Z 113, 266–271 (2011). https://doi.org/10.1365/
s35148-011-0046-8
[3] Langbein, S.: Formgedächtnistechnik; Entwickeln, Testen und Anwenden;
2. Aufl.; Wiesbaden (2021); S. 190– 97.
[4] Patent DE102004022351C5 Dehnstoffelement (elektrisch betätigter
Dehnstoffelementaktuator)
DIE AUTOREN
Patrick Jostmann, M. Eng., Wissenschaftlicher
Mitarbeiter, Labor für
Getriebetechnik der Fachhochschule
Südwestfalen, Iserlohn
FAZIT UND AUSBLICK
Dehnstoffelemente agieren innerhalb der zulässigen Belastung
sehr zuverlässig und durchlaufen zwei charakteristische Hubbereiche.
Eine Unterschreitung der Mindestbelastung sollte unbedingt
vermieden werden. Sie führt zu einer fehlerhaften oder nur
teilweisen Rückstellung des Elements und zu einem Verlust des
Arbeitsbereiches mit der höchsten Hubdynamik. Weiterhin kann
das Verhalten bei einem erneuten Erwärmen aufgrund der undefinierten
Ausgangslage nicht vorhergesagt werden. Eine Lasterhöhung
nach dem Erstarren des Dehnstoffs führt zu keiner signifikanten
Rückstellung.
Prof. Dr.-Ing. Schöler (Co-Autor),
Professur für Mechanik und
Getriebetechnik an der Fachhochschule
Südwestfalen, Iserlohn
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