DE3821855A1 - Machine component containing a liquid-crystal mass - Google Patents

Abstract

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Description

Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement aus mit veränderbarer Reibungskraft gegeneinander beweglichen festen Körpern unter Verwendung von thermotropen flüssigen Kristallen.The invention relates to a machine element with changeable Frictional force against moving solid bodies under Use of thermotropic liquid crystals.

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.The movements of solid bodies within machines as well Movement of a machine against a solid surface determined by the friction between the bodies involved is to be applied in each case. It is important to differentiate whether the bodies slide on each other or roll on each other. The size The sliding friction depends on whether the bodies are directly on top of each other slide or completely separated by a lubricant are. In the first case one speaks of drier, in the second one of fluid friction. A so-called semi-fluid friction occurs when the Lubrication film is not fully formed. Sliding friction occurs in principle also in rolling bearings between the rolling rolling elements and their leadership elements. It is elementary to have the friction losses in Keep bearings low by choosing a suitable lubricant. It is just as elementary by choosing the materials for a high Frictional force to worry about when clutching or braking should be possible.

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).The dependence of the friction force in plain bearings on the viscosity of the lubricant, from the distance between the moving Parts and pressure conditions are generally known (G. Vogelpohl, Reliable slide bearings, Vol. 1, 2nd edition 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)). For about 40 years, efforts have been made to improve the viscosity of layers from colloidal solutions between solid bodies by an applied change electric field. For example, it is possible between a largely frictionless movement and one Decide braking or clutch action. This work will be summarized under the term electrorheology (J. E. Stangroom, Electrorheological Fluids, phys. Technol., Vol. 14, pp. 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).Some organic compounds do not go off when heated the crystalline phase into the isotropic liquid phase, but pass through a clearly limited temperature range or several additional phases. These phases have anisotropic ones physical properties, as observed with crystals, but can also be used like ordinary isotropic liquids move. The phases are formed by elongated molecules also known as rod-like or calamitic phases. Different from in The completely disordered isotropic phase has a long-range order of orientation. Liquid crystalline phases are also available from Ver bonds formed with plate-shaped molecules. Such connections can be a discoid-nematic when cooling from the isotropic phase and then go through one or more discoid-columnar phases. The Features of such phases are described in Mol. Cryst. Liq. Cryst. 106, 121 (1984). In rare cases, a reversal occurs in the Phase sequence on. This so-called reentrant phenomenon is cooling due to the phase sequences isotropic - discoid-nematic - discoid-columar - discoid-nematic or isotropic - discoid-columnar - discoid-nematic featured. This behavior is described 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.Conventional lubricants are used to control the frictional force not very suitable between two mutually movable solid bodies, because no easy way is known by the action of a external influence to change their viscosity quickly and reversibly. The electrorheological fluids have not yet been used either bar because they tend to sediment. Furthermore, the be machine parts caused abrasion. The realization is general high electric field strengths between moving, electric conductive machine parts without short circuits.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in technisch einfacher Weise die Änderung der zwischen zwei gegeneinander bewegten festen Körpern wirksamen Reibungskraft zu ermöglichen. The invention has for its object in a technically simple manner the change of the solid bodies moving between two against each other to allow effective frictional force.  

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.The object is achieved according to the invention in that between the mutually movable body of a machine element a thermotropic liquid crystalline mass or one to form a or several thermotropic liquid-crystalline phases is brought in and by lowering the temperature of the mass Transition from a discoid-colunnar to a discoid-nematic phase or by increasing the temperature, a transition in reverse order the phases are brought about. The task is complicated by the fact that the anisotropic media flowing in a complicated way frictional forces are not predictable and not It is possible to specify which of the numerous viscosity coefficients are decisive.

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.It has surprisingly been found that inventive directions with compounds or mixtures of compounds used in Cooling the phase sequence discoid-columnar to discoid-nematic or when heating up, run through the reverse sequence, let it materialize.

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. Favorable for the application of liquid crystals in the Invention moderate machine element is the fact that the transitions between different liquid crystalline phases and between liquid crystalline phases and the isotropic phase with only minor delays occur. Metastable phases through sub cooling, as in the transition from liquid to crystalline Phase non-mesomorphic compounds can occur, so out be closed if the arrangement above the crystallization temperature is operated. This temperature can be adjusted by using eutectic or non-eutectic mixtures of compounds with liquid-crystalline phases can be set sufficiently deep. A Another favorable aspect is that the phase transitions are discoid nematic-discoid-columnar in comparison to the enthalpies of fusion only low transition enthalpies are to be applied.  

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.The choice of the type of supply or removal of thermal energy depends on the Function of the machine element according to the invention within one Machine off. Transmission through liquids and Gases and condensation or evaporation processes. Is possible also the supply of heat by electrical resistance heating and by electromagnetic waves when at least one of the against each other movable body is transparent. In special cases you can Peltier elements are used. The speed of the feed or Dissipation of the thermal energy depends on the thermal conductivity of the materials involved and the heat transfer coefficient to the respective interfaces.

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.Is located below the respective transition temperature Liche layer generates sufficient frictional heat and thereby for a poor heat dissipation, the phase change takes place without Heater.

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.The in the liquid crystalline mass of an inventive machine Frictional forces occurring depend on the orientation of the Molecules opposite the direction of movement of the solid body of the Element. This alignment can be done by pretreating the body surfaces by rubbing in a preferred direction or by opening bring a thin layer of an organic or inorganic Material can be affected.

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. The machine element according to the invention can be used as a clutch, brake, hydraulic damping element or element for hydraulic force transmission (the latter two machine elements can be found under summarize the term hydraulic device) can be used. Likewise, use as a plain bearing with one for the pre see application purpose adjustable dependence of loss friction possible from the temperature.  

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,It was also found that a machine element with ver changeable friction force can be produced if between the moving body is brought a mass that has at least one connection of formula I contains

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.wherein
R₁ to R₆ independently of one another H, F, Cl, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, in which one or two non-adjacent CH₂ groups are replaced by -O-, -CO-, -COO- or -CF₂- can be mean.

Die Reste R¹ bis R⁶ in Formel 1 sind vorzugsweise Alkanoyloxy, Alkoxy oder Alkyl.The radicals R ¹ to R ⁶ in formula 1 are preferably alkanoyloxy, alkoxy or 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.An advantageous route to the Truxen derivatives of formula I leads over suitable Indan-1-one (C.R. Acad. Sci. Ser. C, 287, 545 (1978)). The Some of the compounds of the formula I have not yet been described. they are based on this synthetic route and other generally known methods produced. These are, for example, the Houben-Weyl series, Methods the organic chemistry, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart.

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.The compounds of formula 1 are used as individual substances or as Mixtures of compounds of formula 1 used. In addition, you can these compounds may be mixed with other components, the  Total proportion of compounds of formula 1 between 10 and 100 % By weight, preferably between 50 and 90% by weight lies. Organic compounds come in as mixture components Question. Compounds which are enatiotropic or monotropic are preferred Develop discotic phases. These include six times substituted Derivatives of benzene, six-substituted derivatives of triphenylene, six-substituted derivatives of cyclohexane and phthalocyanine Derivatives.

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.The compounds of formula I, which are stable per se, can slow down that of autoxidation reactions that occur when air is in at high Temperature-operated machine elements take place up to 1 % By weight of an antioxidant such as hydroquinone or Contain 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol.

Beispiel 1example 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.A machine element ( Fig. 1) with a variable friction torque consists of a coated and temperature-controlled ground sleeve ( 1 ) made of Duran glass and a shaft ( 2 ) with a length of 70 mm and a diameter of 10 mm, also made of Duran glass (manufacturer Schott Glaswerke, Mainz). The shaft is connected via a piece of thick-walled rubber hose ( 3 ) to a drive unit (not shown in Fig. 1), which is equipped with a measuring device that allows measuring the power loss due to the machine element depending on the rotational frequency of the shaft. Before start-up, the separated grinding elements are heated with hot air and coated with a sufficient amount of 2,3,7,8,12,13-hexakis (decanoyloxy) truxes with a transition from discoid-nematic to columnar-discotic at 84 ° C, so that an air bubble-free film forms on the entire friction surface when merging. Paraffin oil with a temperature of 82 ° C is passed through the jacket and the shaft is rotated at 1 Hz. The frictional moment of the sliding device is 3 × 10 ^-3 N × m. Now paraffin oil with a temperature of 95 ° C is fed in with a flow rate of 5 ml × s ^-1 . After 10 s, a frictional moment of 9 × 10 ^-2 N × m is measured. After lowering the oil temperature to 82 ° C, the original value of the friction torque is restored.

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.1. Machine element made of bodies which can be moved at variable speed relative to one another, containing a liquid-crystalline mass, characterized in that a transition from a discoid-nematic to a discoid-columnar phase or by a temperature reduction from a discoid-columnar phase in by temperature increases in the liquid-crystalline mass a discoid-nematic phase is brought about. 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.2. Machine element according to claim 1, characterized in that the liquid-crystalline mass contains at least one compound of formula I. wherein
R₁ to R₆ independently of one another H, F, Cl, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, in which one or two non-adjacent CH₂ groups are replaced by -O-, -CO-, -COO- or -CF₂- can be mean.