Zur näheren Erläuterung werden im folgenden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Aktuators aus Formgedächtnismaterial anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:

1 eine prinzipielle Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Aktuators mit Dehnungsverlaufseinzeichnung,

2 eine Prinzipskizze eines zweischaligen Umlenkkörpers in der Schnittansicht,

3 eine Prinzipskizze eines einschaligen Umlenkkörpers in der Schnittansicht mit Dehnungsverteilungsdarstellung,

4 ein Diagramm zur Verdeutlichung des reibungsabhängigen Kräfteverlaufs im Umlenkbereich eines Drahtes aus Formgedächtnismaterial, und

5 eine Draufsicht auf einen Umlenkkörper, dessen Drähte parallel zueinander gewickelt sind.

In 1 ist eine seitliche Schnittansicht als Prinzipskizze eines Aktuators 1 mit Windungen 10, 11 aus Formgedächtnismaterial dargestellt. Der Aktuator weist Umlenkkörper 20, 21 und 30, 31 auf. Die Umlenkkörper 30 und 31 sind ebenso wie die Umlenkkörper 20 und 21 zweischalig übereinander angeordnet. Der Draht 2 aus Formgedächtnismaterial umgreift formschlüssig in Windungen 10, 11 sowohl die inneren Umlenkkörper 30, 20, als auch die äußeren Umlenkkörper 31, 21. Die jeweiligen Anfänge und Enden der auf einer Schale des Umlenkkörpers liegenden Windungen bzw. das Ende und der Anfang des Drahtes 2 sind mechanisch befestigt. Diese mechanische Befestigung wie auch zwei elektrische Anschlüsse des Drahtes 2 sind in 1 nicht dargestellt. Die beiden elektrischen Anschlüsse dienen dem Anschluß des Drahtes an eine Stromquelle, um diesen durch den durch ihn hindurchfließenden Strom zu erwärmen. Erwärmen und Abkühlen des Drahtes sind erforderlich, um ihn auf bestimmte Dehnzustände zu trainieren. Durch das Erwärmen und das Abkühlen tritt innerhalb des Drahtes eines Strukturumwandlung von Martensit in Austenit und umgekehrt statt.

Die Umlenkkörper 20, 21, 30, 31 sind vorzugsweise isolierend oder als Isolatoren ausgeführt. Dadurch fließt der in den Draht 2 eingeleitete Strom lediglich durch diesen und nicht durch die Umlenkkörper.

Die inneren Umlenkkörper 20, 30 weisen jeweilige zylinderförmige Ansätze 22, 32 auf. Über diese zylinderförmigen zueinander weisenden Ansätze 22, 32, ist ein Führungsrohr 40 geschoben. Sowohl zylinderförmige Ansätze als auch Führungsrohr 40 werden von einer Vorspannfeder 41 umgeben. Diese stützt sich an den Umlenkkörpern 20, 30 ab. Durch Vorsehen der Vorspannfeder in Verbindung mit dem Führungsrohr und den zylinderförmigen Ansätzen der inneren Umlenkkörper weist der Aktuator eine vorbestimmte Ausgangslänge auf. Die um die Umlenkkörper gewundenen Drähte oder der Draht 2 weisen daher ebenfalls eine vorbestimmte Ausgangslänge auf.

Zum Trainieren des Aktuators 1 mit Draht 2 aus Formgedächtnismaterial greifen an den Umlenkkörpern 20, 30, Kräfte an. Diese ziehen den Aktuator in Richtung der Vorspannfeder 41 auseinander. Dadurch wird der Draht 2 um einen vorbestimmten Betrag gelängt.

Durch eine gleichmäßige Erwärmung des Drahtes bis oberhalb der austenitischen Umwandlungstemperatur schrumpft der Draht und wirkt dadurch der Federkraft entgegen. Auf die Feder wird also eine ihr entgegenwirkende Kraft als Druckkraft ausgeübt.

Bei Abkühlen des aus Formgedächtnislegierung hergestellten Drahtes unter die austenitische Umwandlungstemperatur nimmt der Draht wieder seine martensitische Gestalt an. Er dehnt sich also aus. Die Vorspannfeder 41 drückt die Umlenkkörper in Richtung der Pfeile in die äußere Position. Diese Zugkraft der Vorspannfeder 41 entfernt die Umlenkkörper 20, 21 und 30, 31 also voneinander. Der Draht bleibt dadurch im Umlenkungsbereich auf der Oberfläche der beiden äußeren und inneren Umlenkkörper 20, 21, 30, 31 formschlüssig befestigt auch wenn keine Gewichtskräfte oder äußere Federsteifigkeiten mehr wirken.

Durch die elektrische Direktbeheizung durch Ausnutzen des physikalischen Phänomens des in einem elektrischen Leiter wirkenden elektrischen Widerstandes bei hindurchfließendem elektrischen Strom kann der Draht besonders gleichmäßig erwärmt werden, so daß die austenitische Umwandlungstemperatur über die gesamte Drahtlänge und den Drahtquerschnitt im wesentlichen gleichzeitig erreicht wird, sofern dieser gegen Kühlverluste abgeschirmt wird und dadurch adiabate Zustände erzielt werden können.

Besonders Vorteilhaft wird eine aktive Kühlung vorgesehen, um die Rückwandlung in den martensitischen Zustand schnell ausführen zu können. Zu diesem Zweck ist eine mit Anschlüssen zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgestattete Wärmeisolierung im Bereich der Umlenkkörper vorgesehen. In diesem Bereich tritt dann das Kühlmedium in direkten Kontakt mit dem Draht und nimmt durch Wärmeleitung und/oder Konvektion Energie auf, kühlt somit den aus der Formgedächtnislegierung bestehenden Draht ab. Dadurch ist auch eine erhöhte Betätigungsfrequenz des Aktuators möglich. Die elektrische Isolierung der einzelnen Windungen des Drahtes gegeneinander kann außer dadurch, daß die Umlenkkörper als Isolator wirken, auch dadurch erfolgen, daß eine isolierende Ummantelung des Drahtes vorgesehen wird. Darüber hinaus ist zwischen den einzelnen Windungen des Drahtes ein Abstand eingehalten.

Während des Trainierens des Drahtes treten in diesem Dehnungen auf. Der Dehnungsverlauf D ist in 1 ebenfalls dargestellt.

2 zeigt eine Schnittansicht als Prinzipskizze eines zweischaligen Umlenkkörpers mit zwei Drahtwindungen aus Formgedächtnismaterial. Die beiden Drahtwindungen umgreifen die beiden Schalen des Umlenkkörpers 20, 21 formschlüssig.

Durch die Pfeile sind die an den beiden Umlenkkörperschalen und an den beiden Drahtwindungen angreifenden Kräfte dargestellt. Diese wirken einander entgegen. Beim Stand der Technik würden aufgrund des Verschiebens entlang der Kontur der Umlenkkörper zwischen den Drahtwindungen und dem Umlenkkörper Reibkräfte auftreten. Der Grund dafür liegt darin, daß bei den Drähten des Standes der Technik ein Trainieren im langgestreckten Zustand stattfindet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen ist es so, daß die Drähte aus Formgedächtnismaterial erst dann trainiert werden, wenn sie bereits auf den Aktuator aufgebracht sind. Dadurch treten keine Dehnungen auf, hervorgerufen durch die Reibkräfte, die in dem Draht aus Formgedächtnismaterial bei Überschreiten der austenitischen Umwandlungstemperatur entstehen können.

In 3 ist eine Prinzipskizze als Schnittansicht des Umlenkkörpers 20 mit angezeichnetem Draht und Dehnungsverlauf des Drahtes während des Trainings mit Kräften F₁, F₂ dargestellt. Die Reibkraft entlang der Umlenkkontur des Umlenkkörpers bewirkt eine Abminderung der im Draht wirkenden Zugkraft in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel &agr; und vom Reibungskoeffizienten u in der Form: F₂ = F₁·e^{-&mgr;·&agr;}

Im Draht vorhandene oder wirkende Spannungen und Dehnungen sind zu der Kraft F₂ proportional. Während des Betriebes des Aktuators sind die Differenzspannungen zwischen den reibungsbehafteten und den reibungsfreien Zuständen weitgehend wirkungslos. Wird der Aktuator folglich in einem Zustand trainiert, der dem nachfolgenden Betriebszustand entspricht, wie dies erfindungsgemäß vorgesehen ist, treten die infolge Reibkräften nicht wirksamen Dehnungszustände gar nicht erst auf.

4 zeigt ein Diagramm, welches den reibungsabhängigen Kräfteverlauf im Umlenkbereich des Drahtes aus Formgedächtnismaterial darstellt. Auf der Hochachse des Diagrammes ist das Kräfteverhältnis &bgr; = F/P und auf der Querachse der Umschlingungswinkel &agr; in Grad angegeben. Die einzelnen im Diagramm angegebenen Kurven gelten für unterschiedliche Reibungskoeffizienten &mgr;. Für einen Reibungskoeffizienten von &mgr; = 0,1 ergibt sich beispielsweise ein Kräfteverhältnis &bgr; = 1 für &agr; = 0° und &bgr; = 0,9 für &agr; = 90°. Ein solcher Umschlingungswinkel &agr; = 90° ist in 3 dargestellt. Das Kräfteverhältnis sinkt bei demselben Umschlingungswinkel &agr; = 90° bei einem Reibungskoeffizienten &mgr; = 0,5 beispielsweise auf etwa &bgr; = 0,46. Die in 3 mit F₂ bezeichnete Kraft ist somit bei größeren Reibungskoeffizienten &mgr; kleiner als bei kleinen Reibungskoeffizienten.

Anstelle der in den vorigen 1 bis 3 dargestellten Umlenkkörper, welche federbelastet sind und dadurch die Drahtwindungen in Form halten, können Struktursteifigkeiten in dem Aktuator vorgesehen werden, die dieselben formgebenden Funktionen erfüllen. Die forngebende Funktion von entweder Struk- tursteifigkeiten oder Umlenkkörpern mit Vorspannfeder werden insbesondere für die Trainingsphase des Aktuators benötigt. Nach erfolgter Montage des Aktuators am Ort der Anwendung können diese Hilfselemente, nämlich federbelastete Umlenkkörper oder entfernbare Struktursteifigkeiten entfernt werden, sofern dies möglich ist. Vor Ort bleibt dann lediglich eine Anzahl von Drahtwindungen, die formschlüssig Teile der Struktur umschlingen, auf die der Aktuator eine Kraft ausüben soll.

Eine solche Aktuatoreinheit kann beispielsweise eine Länge l = 30 cm aufweisen. Diese Aktuatoreinheit kann einen Mechanismus in Form der Drahtwindungen, wie in den vorigen Figuren dargestellt, mit einer Kraft von 50 kp über eine Weglänge von 10 mm bei einem Drahtquerschnitt von 0,176 mm² und vier Windungen mehrfach betätigen. Sie wiegt dabei vorzugsweise ohne Isolierung, welche beispielsweise Styropor sein kann, und ohne elektrische Anschlüsse weniger als 3 g.

5 zeigt eine Draufsicht auf Umlenkkörper 20, 30 mit parallel zueinander ausgerichteten Zugdrähten 2. Gestrichelt ist der Normalfall von schiefziehenden Drähten 3 aus Farmgedächtnislegierung angedeutet. Dadurch würde aber der Betrieb des Aktuators gestört. Es wird dabei eine parallele Ausrichtung der Drähte angestrebt.

Zur Lösung des Problems wird die eine Schale 20 mit helikalen Riefen 50 dergestalt ausgebildet, daß infolge der Steigung der Riefen ein Versatz des Drahtes zur nächstfolgenden Windungsebene erzielt wird. Dadurch kann eine exakte Parallelausrichtung der Zugdrähte und ein exakter Parallelzug in den Drähten 2 im Aktuator erreicht werden.

Alternativ hierzu können beide Schalen bzw. Umlenkkörper 20, 30 mit jeweils der halben Steigung der Riefen versehen werden. Es ergibt sich dann eine Schrägstellung der Windungen gegenüber dem auf die Achse der Umlenkkörper gefällten Lot. Hierbei ist vorteilhaft lediglich ein Typ von Umlenkkörper vorzusehen, was eine Kostenersparnis bedeutet.