DE3821855A1 - Maschinenelement enthaltend eine fluessigkristalline masse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement aus mit veränderbarer Reibungskraft gegeneinander beweglichen festen Körpern unter Verwendung von thermotropen flüssigen Kristallen.

Die Bewegungen fester Körper innerhalb von Maschinen sowie die Bewegung einer Maschine gegenüber einer festen Unterlage werden mit­ bestimmt durch die Reibung, die zwischen den beteiligten Körpern jeweils anzusetzen ist. Dabei ist grundsätzlich zu unterscheiden, ob die Körper aufeinander gleiten oder aufeinander abrollen. Die Größe der Gleitreibung ist davon abhängig, ob die Körper direkt aufeinander gleiten oder vollständig durch ein Schmiermittel voneinander getrennt sind. Im ersten Fall spricht man von trockener, im zweiten von flüssiger Reibung. Eine sog. halbflüssige Reibung tritt auf, wenn der Schmierfilm nicht vollständig ausgebildet ist. Gleitreibung erfolgt grundsätzlich auch in Wälzlagern zwischen den abrollenden Wälzkörpern und ihren Führungselementen. Es ist elementar, die Reibungsverluste in Lagern durch die Wahl eines geeigneten Schmiermittels gering zu halten. Ebenso elementar ist es, durch Auswahl der Werkstoffe für eine hohe Reibungskraft zu sorgen, wenn ein Kupplungs- oder Bremsvorgang er­ möglicht werden soll.

Die Abhängigkeit der Reibungskraft in Gleitlagern von der Viskosität des Schmiermittels, vom Abstand der sich gegeneinander bewegenden Teile und von den Druckverhältnissen ist allgemein bekannt (G. Vogelpohl, Betriebssichere Gleitlager, Bd. 1, 2. Aufl. Berlin 1969).

Seit etwa 40 Jahren gibt es Bemühungen, die Viskosität von Schichten aus kolloidalen Lösungen zwischen festen Körpern durch ein angelegtes elektrisches Feld zu verändern. So ist es beispielsweise möglich, zwischen einer weitgehend reibungsverlustfreien Bewegung und einer Brems- bzw. Kupplungswirkung zu entscheiden. Diese Arbeiten werden unter dem Begriff Elektrorheologie zusammengefaßt (J. E. Stangroom, Electrorheological Fluids, phys. Technol., Bd. 14, S. 290-296 (1983)).

Manche organischen Verbindungen gehen beim Erwärmen nicht direkt von der kristallinen in die isotrop-flüssige Phase über, sondern durchlaufen innerhalb eindeutig begrenzter Temperaturbereiche eine oder mehrere zusätzliche Phasen. Diese Phasen haben anisotrope physikalische Eigenschaften, wie es bei Kristallen beobachtet wird, lassen sich aber zugleich wie gewöhnliche isotrope Flüssigkeiten bewegen. Die von länglich geformten Molekülen gebildeten phasen werden auch als rod-like oder calamitische Phasen bezeichnet. Anders als in der völlig ungeordneten isotropen Phase herrscht hier eine Fernordnung der Orientierung. Flüssigkristalline Phasen werden auch von Ver­ bindungen mit tellerförmigen Molekülen gebildet. Solche Verbindungen können beim Abkühlen aus der isotropen Phase eine discoid-nematische und dann eine oder mehrere discoid-columnare Phasen durchlaufen. Die Merkmale solcher Phasen sind beschrieben in Mol. Cryst. Liq. Cryst. 106, 121 (1984). In seltenen Fällen tritt eine Umkehrung in der Phasenfolge auf. Dieses sog. Reentrant-Phänomen ist beim Abkühlen durch die Phasenfolgen isotrop - discoid-nematisch - discoid-columar - discoid-nematisch oder isotrop - discoid-columnar - discoid-nematisch gekennzeichnet. Dieses Verhalten ist beschrieben in Mol. Cryst. Liq. Cryst. 111, 277 (1984).

Herkömmliche Schmierstoffe sind zur Steuerung der Reibungskraft zwischen zwei gegeneinander beweglichen festen Körpern wenig geeignet, weil keine einfache Möglichkeit bekannt ist, durch Einwirkung eines äußeren Einflusses ihre Viskosität schnell und reversibel zu verändern. Auch die elektrorheologischen Flüssigkeiten sind bisher nicht einsetz­ bar, weil sie zur Sedimentation neigen. Ferner unterliegen die be­ wegten Maschinenteile einem Abrieb. Allgemein ist die Realisierung hoher elektrischer Feldstärken zwischen beweglichen, elektrisch leitenden Maschinenteilen ohne Kurzschlüsse nicht einfach.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in technisch einfacher Weise die Änderung der zwischen zwei gegeneinander bewegten festen Körpern wirksamen Reibungskraft zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß zwischen die gegeneinander beweglichen Körper eines Maschinenelements eine thermotrope flüssigkristalline Masse oder eine zur Ausbildung einer oder mehrerer thermotroper flüssigkristalliner Phasen befähigte Masse gebracht wird und durch Erniedrigung der Temperatur der Masse ein Übergang von einer discoid-colunnaren in eine discoid-nematische Phase bzw. durch Erhöhung der Temperatur ein Übergang in umgekehrter Abfolge der Phasen herbeigeführt wird. Erschwert wird die Aufgabe dadurch, daß die sich in komplizierter Weise strömenden, anisotropen Medien ein­ stellenden Reibungskräfte nicht vorausberechenbar sind und nicht angebbar ist, welche der zahlreichen Viskositätskoeffizienten aus­ schlaggebend sind.

Es wurde überraschend gefunden, daß sich erfindungsmäßige Vor­ richtungen mit Verbindungen oder Mischungen von Verbindungen, die beim Abkühlen die Phasenfolge discoid-columnar nach discoid-nematisch bzw. beim Erwärmen die umgekehrte Folge durchlaufen, verwirklichen lassen.

Günstig für die Anwendung von flüssigen Kristallen in dem erfindungs­ mäßigen Maschninenelement ist die Tatsache, daß die Übergänge zwischen verschiedenen flüssigkristallinen Phasen sowie zwischen flüssig­ kristallinen Phasen und der isotropen Phase mit nur geringen zeitlichen Verzögerungen erfolgen. Metastabile Phasen durch Unter­ kühlung, wie sie beim Übergang von der flüssigen zur kristallinen Phase nichtmesomorpher Verbindungen auftreten, können also ausge­ schlossen werden, wenn die Anordnung oberhalb der Kristallisations­ temperatur betrieben wird. Diese Temperatur kann durch Verwendung von eutektischen oder nichteutektischen Mischungen von Verbindungen mit flüssigkristallinen Phasen ausreichend tief eingestellt werden. Ein weiterer günstiger Aspekt ist, daß bei den Phasenübergängen discoid­ nematisch- discoid-columnar im Vergleich zu den Schmelzenthalpien nur geringe Übergangsenthalpien anzusetzen sind.

Die Wahl der Art der Zu- oder Abfuhr der Wärmeenergie hängt von der Funktion des erfindungsmäßigen Maschinenelementes innerhalb einer Maschine ab. In Frage kommen Übertragungen durch Flüssigkeiten und Gase sowie durch Kondensations- oder Verdampfungsprozesse. Möglich ist ferner die Wärmezufuhr durch elektrische Widerstandsheizung und durch elektromagnetische Wellen, wenn mindestens einer der gegeneinander beweglichen Körper transparent ist. In besonderen Fällen können Peltier-Elemente eingesetzt werden. Die Geschwindigkeit der Zu- oder Abfuhr der Wärmeenergie richtet sich nach der Wärmeleitfähigkeit der beteiligten Materialien und den Wärmeübergangskoeffizienten an den jeweiligen Grenzflächen.

Wird in der nterhalb der jeweiligen Umwandlungstemperatur befind­ lichen Schicht ausreichende Reibungswärme erzeugt und dabei für eine schlechte Wärmeabführung gesorgt, so erfolgt die Phasenumwandlung ohne Heizung.

Die in der flüssigkristallinen Masse eines erfindungsmäßigen Maschinen­ elements auftretenden Reibungskräfte hängen von der Ausrichtung der Moleküle gegenüber der Richtung der Bewegung der festen Körper des Elementes ab. Diese Ausrichtung kann durch Vorbehandlung der Körper­ oberflächen durch Reiben in einer Vorzugsrichtung oder durch Auf­ bringen einer dünnen Schicht aus einem organischen oder anorganischen Material beeinflußt werden.

Das erfindungsmäßige Maschinenelement kann als Kupplung, Bremse, hydraulisches Dämpfungselement oder Element zur hydraulischen Kraft­ übertragung (die beiden letzteren Maschinenelemente lassen sich unter dem Begriff hydraulische Vorrichtung zusammenfassen) verwendet werden. Ebenso ist eine Verwendung als Gleitlager mit einer für den vorge­ sehenen Anwendungszweck einstellbaren Abhängigkeit der Verlustreibung von der Temperatur möglich.

Es wurde ebenfalls gefunden, daß sich ein Maschinenelement mit ver­ änderbarer Reibungskraft herstellen läßt, wenn zwischen die beweg­ lichen Körper eine Masse gebracht wird, die mindestens eine Verbindung der Formel I enthält,

worin
R₁ bis R₆ unabhängig voneinander H, F, Cl, eine substituierte oder unsubstituierte Alkylgruppe mit 1 bis 18 C-Atome, worin auch eine oder zwei nichtbenachbarte CH₂-Gruppen durch -O-, -CO-, -COO- oder -CF₂- ersetzt sein können, bedeuten.

Die Reste R¹ bis R⁶ in Formel 1 sind vorzugsweise Alkanoyloxy, Alkoxy oder Alkyl.

Ein vorteilhafter Weg zu den Truxen-Derviaten der Formel I führt über geeignete Indan-1-one (C.R. Acad. Sci. Ser. C, 287, 545 (1978)). Die Verbindungen der Formel I sind teilweise noch nicht beschrieben. Sie werden nach diesem Syntheseweg und sonst allgemein bekannten Methoden hergestellt. Diese sind beispielsweise der Reihe Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, zu entnehmen.

Die Verbindungen der Formel 1 werden als Einzelsubstanzen oder als Gemische aus Verbindungen der Formel 1 verwendet. Darüber hinaus können diese Verbindungen mit anderen Komponenten vermischt sein, wobei der Gesamtanteil an Verbindungen der Formel 1 zwischen 10 und 100 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 50 und 90 Gewichtsprozenten liegt. Als Mischungskomponenten kommen organische Verbindungen in Frage. Bevorzugt sind Verbindungen, die enatiotrop oder monotrop discotische Phasen ausbilden. Hierzu gehören sechsfach substituierte Derivate des Benzols, sechsfach substituierte Derivate des Triphenylens, sechsfach substituierte Derivate des Cyclohexans und Phthalocyanin- Derivate.

Die an sich stabilen Verbindungen der Formel I können zur Verlangsamung der von Autoxidationsreaktionen, die bei Luftzutritt in bei hohen Temperaturen betriebenen Maschinenelementen stattfinden, bis zu 1 Gewichtsprozent eines Antioxidants, wie Hydrochinon oder 2,6-Di-tert.-butyl-4-methylphenol enthalten.

Beispiel 1

Ein Maschinenelement (Fig. 1) mit veränderbarem Reibungsmoment besteht aus einer ummantelten und temperierbaren Schliffhülse (1) aus Duranglas und einer auf einer Länge von 70 mm geführten Welle (2) mit einem Durchmesser von 10 mm, ebenfalls aus Duranglas (Hersteller Schott Glaswerke, Mainz). Die Welle wird über ein Stück dickwandigen Gummi­ schlauch (3) mit einem Antriebsaggregat verbunden (in Fig. 1 nicht aufgeführt), das mit einer Meßvorrichtung ausgestattet ist, die die auf das Maschinenelement entfallende Verlustleistung in Abhängigkeit von der Drehfrequenz der Welle zu messen gestattet. Vor Inbetriebnahme werden die getrennten Schliffelemente mit heißer Luft erwärmt und mit einer ausreichenden Menge von 2,3,7,8,12,13-Hexakis(decanoyloxy)truxen mit einem Übergang von discoid-nematisch nach columnar-discotisch bei 84°C bestrichen, so daß sich beim Zusammenführen ein luftblasenfreier Film auf der gesamten Reibungsfläche bildet. Durch den Mantel wird Paraffinöl mit einer Temperatur von 82°C geleitet und die Welle mit 1 Hz gedreht. Das Reibungsmoment der Gleitvorrichtung ergibt sich zu 3×10^-3 N×m. Nun wird Paraffinöl mit einer Temperatur von 95°C mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 ml×s^-1 eingespeist. Nach 10 s wird ein Reibungsmoment von 9×10^-2 N×m gemessen. Nach Absenken der Öl­ temperatur auf 82°C stellt sich der ursprüngliche Wert des Reibungs­ momentes wieder ein.

Claims (2)

1. Maschinenelement aus mit veränderbarer Geschwindigkeit gegeneinander beweglichen Körpern, enthaltend eine flüssigkristalline Masse, dadurch gekennzeichnet, daß durch Temperaturerhöhungen in der flüssigkristallinen Masse ein Übergang von einer discoid-nematischen in eine discoid-columnare Phase bzw. durch Temperaturerniedrigung von einer discoid-columnaren Phase in eine discoid-nematische Phase herbeigeführt wird.

2. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigkristalline Masse mindestens eine Verbindung der Formel I enthält. worin
R₁ bis R₆ unabhängig voneinander H, F, Cl, eine substituierte oder unsubstituierte Alkylgruppe mit 1 bis 18 C-Atome, worin auch eine oder zwei nichtbenachbarte CH₂-Gruppen durch -O-, -CO-, -COO- oder -CF₂- ersetzt sein können, bedeuten.