WO2014037105A2 - Magnetorheologische übertragungsvorrichtung - Google Patents
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- H01F1/44—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of magnetic liquids, e.g. ferrofluids
Definitions
- the present invention relates to a magnetorheological transmission device.
- a magnetorheological transmission device With such a magnetorheological transmission device, two couplable components, which are arranged to be linearly movable relative to one another, can be coupled to one another.
- the coupling takes place via a magnetorheological medium, which is acted upon by a magnetic field generating device with a magnetic field.
- a piston-cylinder system is often used in which piston is reciprocated in a filled with a magnetorheological fluid damper chamber, whereby the magnetorheological fluid flows from one chamber side to the other and in a central damping gap of the piston or in a damping gap is damped along the circumference of the piston.
- the damping gap is acted upon by a magnetic field of the desired strength, so that the magnetorheological particles in the magnetorheological fluid chain accordingly. This increases - depending on the applied magnetic field - the
- the piston acts together with the flow channel and the housing as a valve, which controls the flow of the magnetorheological fluid through the flow channel in dependence on the magnetic field acting.
- the core of the piston has radially outwardly standing arms, around each of which a coil is wound. The generated magnetic field passes through the flow channel to the outside and is connected via a housing connected to the piston and with the piston moving housing, so that the
- the damper contains a large volume of magnetorheological fluid.
- the volume is determined by the intended stroke multiplied by the cross-sectional area of the piston. Both the amount of magnetorheological fluid and the associated costs are therefore high.
- the volume can not be reduced arbitrarily, since the magnetorheological fluid must absorb the damping energy. For applications where cost-effective, small and lightweight damper are needed, such a damper is therefore not suitable.
- Damper systems is that the flow resistance of the hydraulic system itself is already heavily dependent on the relative speed of moving against each other
- EP 1 025 373 B1 discloses a damper which requires a considerably smaller amount of magnetorheological fluid.
- the damper has no valve through which flows a magnetorheological fluid, but operates as a shear damper, wherein in a sealed at the ends of the annular gap, a stationary magnetorheological fluid is provided as a controllable medium.
- An electric coil is annular around the
- Rod rod wound to create a controllable magnetic field The magnetic field passes at the ends of the piston radially through the annular gap provided with the magnetorheological fluid.
- the ferromagnetic particles in the magnetorheological fluid are cross-linked accordingly and thus produce a certain and significant shearing force. Thereby, a relative movement of the piston is damped to the damper housing.
- the piston does not divide a filled with a magnetorheological fluid damper chamber into two sub-chambers, but may be formed open on both sides to the environment.
- the required amount of magnetorheological fluid is due to the small volume of the annular gap much smaller than a damper, which influences a flow of a magnetorheological fluid through a flow channel.
- a transmission device comprises at least two components which can be coupled and which move in translation relative to one another. Between the components, at least one coupling gap extends between a first and a second end.
- the coupling gap is provided with a magnetorheological medium. It is at least one magnetic field generating device for generating at least one
- the coupling gap is configured and sealed in the translatory direction at the first end and at the second end to the outside, that the magnetorheological medium remains independent of a coupling between the coupling components as a kind of controllable friction lining in the coupling gap, according to the in the coupling gap adjoining
- a plurality of at least partially radially extending arms are provided on at least one of the components, at least a portion of the arms being equipped with at least one magnetic field generating means, each magnetic field generating means comprising at least one electrical coil having at least one winding, and wherein the winding each completely adjacent to the central axis and spaced from the central axis.
- At the adjacent ends of adjacent arms of at least one component are different poles of
- the coupling gap is in particular connected to at least one reservoir of magnetorheological medium.
- the transfer device according to the invention has many advantages.
- a considerable advantage of the transmission device according to the invention is that only a small amount of magneto-rheological medium is required.
- the transmission device according to the invention may require a magnetorheological medium only within the coupling gap. It is not necessary that a cylinder is completely filled with a magnetorheological medium, within which, for example, a piston moves in the longitudinal direction.
- only the coupling gap is filled with a magnetorheological medium.
- the magnetorheological medium forms a type of friction lining within the coupling gap, which is controllable by a magnetic field of at least one magnetic field generating device. According to the strength of the magnetic field, the friction lining is activated accordingly. To control the coupling intensity, no component has to be moved. It is sufficient to set a desired magnetic field strength.
- Coupling does not depend on the relative speed of the two coupling components in a translatory direction to each other, but on the strength of the acting magnetic field. Since the magnetorheological medium does not have to be pushed through a gap, the strength of the coupling is not as dependent on the relative speed as in the prior art.
- a basic damping which results from the hydraulic resistance of a damping medium pressed by a damping gap, is not present in the present invention.
- the coupling of the two couplable components or of the at least two coupled components in the translatory direction or in the longitudinal direction along the central axis takes place via shear forces within the at least one coupling gap.
- the magnetorheological medium within the coupling gap preferably remains substantially motionless.
- the magnetorheological medium is in the
- Coupling gap provided substantially dormant and forms there the friction lining.
- the magnetorheological medium acts without displacement within the coupling gap via shear forces. Because the magnetorheological medium has no or at least substantially no relative speed to at least one component which can be coupled, a speed dependence of the coupling intensity is greatly reduced.
- the magnetically active region of the coupling gap can be considerably increased in comparison to an electric coil of a damper according to EP 1 025 373 B1, in which the winding of the electric coil extends around the piston rod.
- the annular coupling gap is penetrated only locally limited by magnetic field lines of appreciable strength. With the invention, however, virtually the entire surface of the coupling gap for generating a considerable Shearing force can be used. With a small construction volume and only a little MRF can be used.
- a high damping force can be generated.
- Another significant advantage of a transmission device according to the invention is that, in contrast to the prior art, no compensation volume for the medium displaced by the piston rod during retraction must be present.
- the temperature compensation which means all measures to compensate for volume changes caused by temperature fluctuations, designed much easier.
- a reservoir of magnetorheological medium offers significant advantages.
- Coupling gap is only a very small amount of MRF included.
- the tolerances are preferably low and the gap dimensions are as small as possible.
- MRF may be lost. This is usually no problem for dampers that operate in the valve mode, ie through the MRF, since there is already a large amount of magnetorheological fluid (MRF) in total there.
- MRF magnetorheological fluid
- the transmission device according to the invention which can also be termed or defined as a shear damper, even small losses of 0.2 or 0.5 ml MRF cause a considerable relative loss of 5%, 10% or even 20%. It has therefore been found that, surprisingly, a reservoir can significantly increase functionality and life.
- the Applicant reserves the right to apply for separate protection for a further transmission device according to the invention, wherein such a transmission device comprises at least two coupled components which are translationally movable relative to each other and translate to each other.
- the components move along a central axis.
- at least one coupling gap with at least one magnetorheological medium is provided between the components.
- the coupling gap extends in particular in the translational direction between a first and a second end.
- At least one magnetic field generating device is provided for generating at least one magnetic field in at least part of the coupling gap to influence a coupling between the couplable components.
- the coupling gap is configured and sealed outwardly in the translatory direction at the first end and at the second end such that the magnetorheological medium remains independent of a coupling between the couplable components as a kind of controllable friction lining in the coupling gap, in accordance with the Coupling gap applied or acting magnetic field to influence the coupling via shear forces between the coupling components.
- this game in the direction of movement does not or only insignificantly affects the transmission behavior of the transmission device, since the force is transmitted through the medium in the coupling gap.
- the volume made available by such a game may be less than 5% and in particular less than 1% and preferably less than 0.5% of the volume of the coupling gap.
- a magnetic field generating device is designed in particular as a magnetic field source or comprises at least one such.
- a magnetic field generating device may also be referred to as a magnetic device.
- a plurality of at least partially radially extending arms are provided on at least one of the components. At least a portion of the arms are each equipped with at least one magnetic field generating means, each magnetic field generating means each comprising at least one electrical coil having at least one winding, and the winding each extending completely adjacent to the central axis and spaced from the central axis, wherein at the adjacent ends
- adjacent arms of at least one component different poles of the magnetic field generating means are provided, and that the coupling gap is connected to at least one reservoir of magnetorheological medium.
- the heat dissipation can take place in the transmission device according to the invention via the housing to the outside.
- Coupling gap provided magnetorheological medium concatenates when planting a magnetic field almost immediately and acts on shear forces on the coupling components. This achieves a high reaction rate.
- the coupling acts over virtually the entire surface of the coupling gap directly after applying or generating a magnetic field.
- the magnetorheological medium does not have to align itself until it enters a gap in order to transmit the coupling force. This achieves a particularly fast and effective effectiveness.
- At least one couplable component at least partially surrounds at least one other couplable component.
- one component is preferably designed as an outer component and another component as an inner component.
- the coupling gap is preferably annular and extends in particular in the form of a cylinder shell between the first axial end and the second axial end.
- the coupling gap is formed circumferentially around a component. It is possible that the coupling gap surrounds, for example, the inner component circumferentially. It is also possible that the coupling gap is formed circumferentially in the outer component. It is also possible for a plurality of coupling gaps to surround the outer and / or inner components circumferentially or almost peripherally.
- the components are arranged axially displaceable against each other.
- the outer component slides as a kind of sliding shoe or the like on a cylinder-like inner component.
- a component is arranged piston-like within a cylinder construction.
- the mutually sliding surfaces may be finely turned, ground, honed, polished or / and provided with friction-resistant coatings, such as e.g. with teflon, molybdenum, plasma layers, etc.
- the transfer device can be practically used as a shear damper.
- the acting as a switchable friction lining magnetorheological medium at the coupling gap allows use as a damper.
- the adaptive force change is not based on the generation of pressure or pressure differences on both sides of a piston, but the adaptive force change is based on the controlled effect of the friction lining on shear forces. As a result, no pressure is exerted on the seals or sealing lips, even at higher load or force, which reduces friction.
- the magnetorheological medium responsible for the force variation causes only a non-relevant speed-dependent force change in the translational movement of the two components against each other.
- magnetorheological dampers in which the magnetorheological fluid flows through a piston hydraulically caused significant force changes at different speeds, because due to the flow of a magnetorheological fluid through a bottleneck speed-dependent pressure differences due to fluid friction are built.
- the magnetorheological medium may be formed, for example, as a magnetorheological fluid or at least include such, in which z.
- As an oil or the like small ferromagnetic particles are arranged distributed. But it is also possible that as a magnetorheological medium, for example, finely divided ferromagnetic particles are mixed in a fat.
- carbonyl iron powder particles can be mixed with fat.
- Glycol, fat, viscous substances can also be used as a carrier medium, without being limited thereto.
- the carrier medium can also be gaseous or it can be dispensed with the carrier medium. In this case, only particles which can be influenced by the magnetic field are filled into the channel.
- magnetorheological elastomers d. H. Composite material of magnetically polarisable particles in a soft elastomer matrix. Such magnetorheological elastomers can form a solid coating which remains without seal or the like at the coupling gap.
- the ferromagnetic particles preferably consist at least partially and in particular at least almost completely of carbonyl iron powder, the size distribution of the particles depending on the specific application. Concretely preferred is a distribution of the particle size between one and ten micrometers, but also larger particles of twenty, thirty, forty and fifty micrometers are possible. Depending on the application, the particle size can become significantly larger and even penetrate into the millimeter range (particle balls).
- the particles may also have a special coating / coating (titanium coating, ceramic coating, carbon coating, etc.).
- the particles can not only be made of carbonyl iron powder (pure iron), but e.g. also be made of special ferromagnetic alloys.
- the particles can each have coatings.
- At least one spring device is provided in order to build up a counterforce when a deflection of the two components takes place in at least one direction.
- the spring device may be part of the transmission device. But it is also possible that the spring device is provided separately outside the transmission device and a part of a higher-level device.
- the magnetic field generating device has at least one electrical coil with at least one winding. It is particularly preferred that the winding extends completely adjacent to the central axis and spaced from the central axis. Particularly preferably, the winding or the area defined by the winding does not intersect the central axis. In particular, the electric coil generates the
- Magnetic field generating device a magnetic field transverse to the movement of the two
- the electric coil is preferred with low voltages operated.
- the magnetic field generating device may comprise at least one permanent magnet or at least one electrical coil or any combination of permanent magnets and electric coils.
- the mutual influencing of the magnetic fields produced is possible and expressly desired for a common magnetic field acting in the coupling gap on the magnetorheological medium.
- a possible application of such a construction generates by the static magnetic field of the permanent magnet in a relative movement of the components to each other a basic force which can be attenuated or amplified by the real time variable magnetic field of the electric coil.
- the magnetization of the permanent magnet can be permanently changed by individual magnetic pulses of the electrical coil.
- Such a structure requires only for adjusting energy and can keep the set state permanently de-energized, which allows the construction of very economical systems.
- variable magnet are particularly hard magnetic materials such as various iron alloys or rare earths, such as AlNiCo, SmCo, ferrites and the like.
- the electrical coil is aligned in a plane parallel to the central axis and generates a magnetic field which intersects the central axis.
- Such a configuration has the advantage that the size of the electrical coil and thus the surface of the magnetic field acting on the coupling gap is independent of a diameter of the coupled components.
- an electric coil can effectively act on a coupling gap.
- the size of the action and thus the coupling intensity can be influenced. If, for example, the strength of the coupling intensity is insufficient for constructional reasons, the effective area of the coupling gap can be increased in a simple manner. From such electric coils and / or coupling gaps can be provided in the circumferential direction more.
- a plurality of magnetic field generating devices is provided.
- at least one component has a plurality of at least partially radially extending arms. At least part of the arms are each equipped with at least one magnetic field generating device. It is possible and preferred that the radially extending arms are provided distributed on the circumference of one of the components.
- the number of armed with each magnetic field generating means arms is an even number.
- different magnetic poles are provided on the magnetic field generating devices at the adjacent ends of adjacent arms of at least one component.
- Such a configuration ensures that the pole alignment changes periodically in the circumferential direction.
- a circumferential gap provided on, for example, an inner or an outer component is subdivided into different partial gaps, through which the magnetic field of the magnetic field generating devices passes in each case.
- the magnetic field is preferably closed again by the outer component.
- the outer component has a magnetically conductive unit or the like.
- circumferential coupling gap can be divided into a plurality of coupling gaps, which can be acted upon separately from different magnetic field generating devices with a magnetic field.
- the coupling gap is sealed at both axial ends relative to the environment.
- the coupling gap adjoins the environment at both axial ends. It is possible that at the two axial ends of the coupling gap separate seals are provided to a leakage of magnetorheological To prevent medium from the coupling gap effectively. This is particularly advantageous when such a transmission device is rarely serviced or maintenance-free to be performed. By a seal of the coupling gap of the unwanted leakage of magnetorheological medium is prevented, whereby the storage can be reduced to magnetorheological medium within the coupling gap.
- the magnetorheological medium in the coupling gap in a quiescent state is subject to substantially ambient pressure. It is possible that that
- magnetorheological medium in the coupling gap is also subject to a slight overpressure in an idle state. But particularly preferred is a non-pressurized state, since the leakage of magnetorheological medium is reliably prevented due to pressure differences to the outside.
- the reservoir may be connected to the coupling gap.
- the reservoir provides between 25 and 500% of the volume of the coupling gap.
- the volume of the reservoir is between 10% and 200% and in particular between 50 and 100% of the volume of the coupling gap. Even if a storage volume is assigned to the coupling gap, an overall small amount of magnetorheological medium can be used. Even taking into account the storage volume, the total volume required is considerably lower than z.
- Example in a magnetorheological damper, in which a cylinder is completely filled with a magnetorheological medium.
- the reservoir can also be designed so that when switching on the magnetic field generating means, the magnetorheological fluid is pulled due to the magnetic field in the due to leakage or other circumstances not quite filled coupling gap.
- the reservoir is preferably designed so that the magnetorheological fluid flows through the mounting position and gravity in the due to leakage or other circumstances not completely filled coupling gap.
- the coupling gap prefferably be at least one
- Such a pressure compensation device can be formed, for example, by at least one groove along the coupling gap.
- a pressure compensation device can be formed, for example, by at least one groove along the coupling gap.
- the pressure compensation device has at least one channel which connects at the end of the coupling gap with the other end of the coupling gap or a region of lower pressure.
- a bore or other through-hole may be provided on one of the components connecting one end of the outwardly-terminated coupling gap to the other end of the outwardly-terminated coupling gap.
- a pressure equalization can take place.
- the pressure compensation is not provided between the axial ends, but in each case takes place from an axial end to a central region of the coupling gap.
- At least one magnetic field generating device has at least one permanent magnet.
- a permanent magnet allows a permanent loading of the coupling gap with a magnetic field to permanently active switching the friction lining. In this case, no electric current is required by the use of the permanent magnet.
- Such a permanent magnet allows, for example, a minimum coupling between the coupling components.
- at least one magnetic field generating device is associated with a permanent magnet and at least one electrical coil. By the electric coil, the magnetic field of the magnetic field generating device can be modulated so that it can be strengthened or attenuated if necessary.
- a permanent magnet is in particular at least partially and preferably completely made of at least one hard magnetic material.
- the magnetic field of the permanent magnet is influenced by the associated electrical coil.
- the magnetic field it is possible, in particular, for the magnetic field to be varied continuously and / or permanently changed over short pulses of the electrical coil. If the magnetic field of the permanent magnet permanently changed over short pulses of the electric coil, an effective coupling of the coupling components can be performed.
- Such an embodiment is advantageous because the momentary magnetic field of the permanent magnet is used for short periods of time for longer periods of time. can be influenced without requiring electrical power during these longer periods of time.
- the length of the inner component is greater than its diameter.
- the axial length of the coupling gap is greater than the diameter of a total circumferentially formed coupling gap. If a plurality of coupling gaps provided on the circumference of the inner and / or outer component, the axial length is preferably at least one coupling gap greater than the radial diameter or the radial distance between two coupling gaps.
- Such a configuration allows a flexible design of the size of the effective coupling gap, in particular, when the winding of an electrical coil is aligned parallel or approximately parallel to the central axis of the couplable component. The axial length of the coupling gap thus influences the possible coupling force between the coupling components.
- the axial length is at least twice as large as the diameter of the inner component.
- a further transmission device comprises at least two couplable components which move in translation relative to one another, wherein at least partially between the components at least one coupling gap extends between a first and a second end.
- the coupling gap is provided with at least one magnetorheological medium.
- At least one magnetic field generating device is provided for generating at least one magnetic field in at least one part of the coupling gap, in order to influence a coupling between the couplable components.
- the coupling gap is designed in this case and the magnetorheological medium is designed such that, independently of a coupling between the couplable components, the magnetorheological medium remains as a type of controllable friction lining in the coupling gap, and corresponding to the magnetic field applied in the coupling gap, the coupling between the couplable components via Shear forces influenced.
- This transmission device also has many advantages.
- the transmission device allows a simple and inexpensive construction.
- the magnetorheological medium is determined by the consistency of the magnetorheological medium and / or by the design and construction of the coupling gap in the
- the magnetorheological medium may include an elastomer or the like to hold the magnetorheological medium within the intended volume.
- the coupling gap with a substantially solid friction lining be formed from or with the magnetorheological medium, the "rubbing
- the transmission device preferably has individual or several or all features of a previously described transmission device.
- one of the transmission device described above is used in a damper or in a washing machine. Coupling forces in the range from 10 N (without magnetic field) to 100 N (with magnetic field), but also 200 N (with magnetic field) are preferably achieved here. It is also possible to use in a tumble dryer, as a damper in vehicles z. B. on the tailgate or in the engine compartment, etc., in furniture and on a prosthesis, an exoskeleton, a robot or a motor or muscle-powered bicycle or the like.
- a device according to the invention is in particular designed as a washing machine or the like and comprises at least one transmission device as has been described above.
- the magnetorheological medium instead of oil or fat in liquid form has so-called microspheres.
- microspheres are lubricants with z. B. 1 to 10 micrometer sized balls of a lubricating medium.
- An advantage of such media is that they can not pass through the sealing gap of the seals due to their size bad.
- the ferromagnetic particles can also be designed as microspheres. It is also conceivable
- these microspheres can also be substantially larger than 1 to 10 micrometers; conceivable are diameters of one to several tenths of a millimeter, or even more. It is also possible and preferred for the core to consist of laminated layers. Overall, it is possible that the coupling gap forms a kind of annular gap, but which consists of several channel segments. It is possible that the two components outside the coupling gap via support rings, bearings and bearings in particular are stored against each other.
- a further transmission device comprises at least two components which can be coupled and which move in translation relative to one another, at least one of which is provided with a magnetorheological medium between the components
- At least one magnetic field generating device is for
- At least one magnetic field in at least part of the coupling gap provided to affect a coupling between the couplable components.
- At least one of the two components is provided with a free lift on a coupling part in the form of z. B. a rod.
- Such an embodiment is also very advantageous and the applicant reserves the right to apply for separate protection.
- the coupling part can be moved relative to the corresponding component, which can also be called receiving component to the free lift with a relatively little or almost no force.
- the coupling part can be moved to the
- the coupling part may be formed as a rod or piston rod.
- Fig. 1 is a schematic representation of a coupling device according to the invention
- FIG. 3A is another coupling device shown in perspective in half section
- FIG. 3B shows a variant of the coupling device according to the invention according to FIG. 3B in section;
- FIG. 3C shows a schematic cross section through the coupling device according to the invention according to FIG. 3B or 3C;
- Fig. 5 schematically drawn magnetic field lines in the coupling device according to
- Fig. 6 is a schematic representation of one with an inventive
- Fig. 7 shows a prosthesis with a coupling device according to the invention.
- Fig. 1 shows a highly schematically illustrated transmission device 1 with a central axis 4 and two couplable components 2 and 3, which are arranged relative to each other in the direction of the solid arrow 10 and the dashed arrow.
- a coupling gap 6 is provided which is filled with a magnetorheological medium 5.
- the components 2 and 3 are plate-shaped here and in the direction of the central axis 4 against each other translationally movable.
- the linearly mutually movable components 2 and 3 can be coupled together via the controllable friction lining 9 in order to damp a relative movement.
- Magnetorheological fluid are homogeneously distributed contain magnetorheological particles that link in an applied magnetic field along the magnetic field lines.
- the surfaces with which the chain ends of the magnetorheological medium are in contact can be made rough, have zigzag or sawtooth patterns, or have other contact or coupling force increasing structures. Such surfaces are particularly preferably used only in partial areas over which no seal slides during operation.
- the magnetorheological medium 5 can
- a carrier medium for example, as a carrier medium have fat, arranged distributed in the
- Magnetorheological particles are included.
- the magnetorheological medium 5 in the coupling gap 6 serves as a total controllable friction lining 9, which can be switched on or controlled by applying or by generating a magnetic field 8.
- the magnetorheological particles concatenated in the field direction bring about a coupling of the two components 2 and 3.
- a shear force has to be applied which overcomes the acting force of the magnetorheological particles.
- the magnetorheological medium 5 remains essentially stationary within the coupling gap 6 and is not pressed through a gap in order to damp a movement.
- the magnetorheological medium remains during the relative movement of the two components to each other without displacement in the outwardly sealed coupling gap 6. This ensures a particularly fast reactivity of the magnetorheological fluid, since after a first chaining of the magnetorheological particles with each other no further reaction time is needed to the shear force the two Apply components 2, 3.
- a magnetorheological fluid is forced through a damping gap.
- these must each be aligned with each other as they enter the damping gap and linked together.
- the particles can traverse an area or the entire damping gap before the chain formation and thus the full power development is completed.
- the coupling gap according to the present invention acts almost immediately and over its entire length.
- the coupling gap 6 remains free of disturbing bodies and in particular free of rolling elements, also to ensure a rapid response and release of the coupling components with each other.
- a cross-section 1 1 of the coupling gap 6 remains substantially constant in the direction of movement, but may also be shaped differently.
- the coupling gap 6 extends from a first axial end 22 to a second axial end 23 and is sealed to the outside via seals 33.
- Seal types include, but are not limited to: o-rings, quadring seals, waveseals, wipers, or seals with a friction-optimized lip design. These can also be provided with friction-reducing coatings, such as. B. with PTFE or fillers of graphite, glass fiber, etc. have. Seals from one
- Permanent magnet material are also possible.
- a stripper or filter element of the actual seal 33 may be connected upstream in order to at least largely keep the ferromagnetic particles of the magnetorheological medium 5 away from the seal.
- At least one magnetic field generating device 7 is used to generate a magnetic field 8.
- the magnetic field generating device 7 may, for example, comprise a permanent magnet 27, but may also generate a magnetic field via an electrical coil 17.
- the coupling force between the two components 2 and 3 is influenced by the area of the coupling gap 6, the medium 5 and by the applied magnetic field 8. Therefore, to increase the coupling force, the area of the coupling gap 6 to which a magnetic field acts can be increased.
- FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a transmission device 1 according to the invention, which is constructed essentially rotationally symmetrical here.
- the inner component 3 is arranged translationally within the outer component 2 and here axially displaceable in the translatory direction 30.
- the inner component 3 is arranged translationally within the outer component 2 and here axially displaceable in the translatory direction 30.
- Component 3 of the coupling gap 6 is provided which adjoins the inner peripheral surface of the outer component 2.
- the friction lining 9 is activated and couples the two components 2 and 3 together.
- the magnetorheological medium 5 in the coupling gap 6 without displacement and is arranged here substantially free of movement relative to the inner component 3 acts as a friction lining 9 when a magnetic field 8 is applied.
- the coupling strength of the two components 2 and 3 is dependent on the magnetic field strength and on the surface of the coupling gap 6, to which the magnetic field 8 acts.
- the coupling strength is virtually independent of a speed at which the components 2 and 3 move relative to each other in comparison with a prior art structure.
- volume of the coupling gap 6 is low overall compared to the volume of the component 2 or the component 3. As a result, only little magnetorheological medium is needed, which lowers the production costs.
- a volume equalization of the magnetorheological medium 5 can take place via a reservoir 24.
- a volume compensation 24 may be provided for the life of the transfer device 1.
- the volume compensation 24 may be sized to provide sufficient magnetorheological media for a life of one or two or five, ten or twenty years.
- the reservoir 24 can be spring loaded or subjected to a slight overpressure, so that after a leakage of magnetorheological medium 5 from the coupling gap 6 outwardly directly a corresponding amount of magnetorheological medium 5 is conveyed into the coupling gap 6.
- a rod 36 is provided along the central axis 4 and with the inner
- the mutually movable components 2 and 3 correspond to the cylinder and the piston rod 36.
- the magnetic field 8 is generated by the magnetic field generating device 7, the
- the magnetic field passing through the coupling gap 6 is passed through the magnetically conductive component 2, passes through the coupling gap 6 again and is returned and closed in the interior of the component 3 by a ferromagnetic core 38.
- the component 2 may be formed as a whole magnetically conductive or has a magnetically conductive ring 39 for closing the field.
- the magnetic field can also be generated by at least one electrical coil 17. It is advantageous if the coil is wound around the central axis of rotation 4 on the core 38, wherein in this section laterally of the coil ferromagnetic pole pieces the generated magnetic field 8 radially outward to
- the transmission device 1 may have a free lift 45 when the indicated stops 41 and 42 are provided and the axis 36 is not fixedly connected to the component 3, but via the spring means 43 and 44 to the free lift 45 and a maximum of double free lift 45th decoupled from the component 3 is. As a result, a lower basic force is possible, the z. B. in the charge detection of
- washing machines is of considerable advantage. It also results in a large switchable work area and low costs.
- the piston rod 36 is decoupled from the component 3 in the de-energized state and can be deflected against the adjustable spring force of the spring means 43 and 44, even at low acting forces.
- the damping of a charge detection can be decoupled.
- the coil is energized for damping, so that due to the acting magnetic field, the piston rod 36 with the component 3 frictionally or positively coupled.
- relative movements between the components 2 and 3 are dampened.
- 3A, 3B and 3C show preferred embodiments of a transfer device 1, each in a section.
- the transfer device 1 here has cylindrically formed outer and inner components 2 and 3.
- the inner component 3 is provided about the central axis 4 and has approximately star-shaped outwardly projecting arms 14, 15 and 16. At the end 19 of the arms 14 to 16 in each case approximately T-shaped widenings are provided in cross-section, the pole as a
- Magnetic field generating device 7 total or serve as a plurality of poles of different magnetic field generating means 7.
- FIG. 3A is a partial perspective view of a transfer device 1 is shown
- Fig. 3B shows a cross section.
- the embodiments according to FIGS. 3A and 3B are constructed identically. There is a difference but in that the transmission device 1 in Fig. 3B has a free lift 45 as described with reference to Fig. 2. Such a free lift allows reliable operation, especially when a low base friction is required.
- a reservoir 24 is drawn in order to compensate for magnetorheological medium 5, which should emerge permanently through the seals 33 during operation.
- Components 2 and 3 are relative to each other. When a magnetic field is switched on, the magnetic field attracts and fixes rod 36, whereby the damping is subsequently generated adaptively via the MRF shearing gap.
- the piston rod 36b is preferably made of a magnetically non-conductive material.
- the part 36a of the piston rod 36 is preferably made of a magnetically conductive material, but may also be made of alternately magnetically conductive and magnetically non-conductive material.
- a spring / damper element As a spring / damper element, a spring, a rubber part or a MRE
- the spring / damping element can also be extended by a sensor (force sensor, displacement sensor).
- the individual arms 14 to 16 are each surrounded by windings 18 of electric coils 17.
- the electric coils 17 are wound in such a way and are driven in such a way that the ends 19 of adjacent arms 14, 15, 16 each act alternately as north or south pole.
- a north pole 20 is provided at the end 19 of the arm 14, while on the adjacent arm 15, the end serves as a south pole 21.
- a separation unit 35 is provided here, the for example, is not magnetically conductive or poorly conductive to prevent a magnetic short circuit between the arms 14 and 15.
- the coupling gap 6 can over its circumference by separating elements 34 in several
- Segments are split.
- the segment between the arm 15 and the arm 16 also has here an approximately T-shaped cross section, because a groove 28 extends in a central region inwards.
- the groove 28 can serve as a pressure compensation device 25.
- a pressure compensation device 25 such as the groove 28 may be provided.
- Coupling gap 6 extends.
- the channel 29 connects an axial end of the coupling gap 6 with an area spaced therefrom, so as to allow pressure equalization.
- the pressure compensation devices 25 do not lead to an actual flow of the magnetorheological medium, but essentially only to a pressure equalization in order to reduce or prevent the load on the seals at the ends.
- Subdivision be provided in different circumferential segments.
- such separating elements 34 are used centrally over the poles in order not to negatively influence the coupling in the regions of a weak magnetic field.
- the structure is also possible without molded coil and thus without grooves 28 or channels 29 and in particular without separating elements 34.
- the thus released volume can be at least partially filled with the magnetorheological medium 5.
- FIG. 4 shows a schematic perspective view of the inner component 3 of the coupling device 1 according to FIG. 3B or 3C.
- Component 3 extend here over the entire length of component 3.
- the length 31 of the arms is preferably greater than a diameter 32 of component 3.
- the length 31 can also amount to more than twice the diameter 32 of the component 3.
- a total of eighth arms 14, 15 and 16 arranged regularly distributed over the circumference, wherein the ends are each T-shaped.
- the distance between the lateral ends of adjacent arms 14, 15 and 16 is preferably such that a wire of a winding 18 is insertable inwardly through the gap.
- the electric coils 17 are each driven individually.
- the windings 18 on the arms 14, 15 and 16 are connected in total to form a single electric coil 17.
- the poles are connected together as shown in Fig. 3, resulting in an alternating polarity. This has the advantage that the field lines emerging from one pole do not have to be routed over half the circumference of the outer component 2, but enter again closely adjacent through the coupling gap inwards into the next pole of the adjacent arm.
- FIG. 5 shows a schematic cross section through the coupling device 1 according to FIG. 3B or FIG. 3C, wherein magnetic field lines are shown by way of example.
- the magnetic field lines of the magnetic field 8 at the individual arms 14, 15 each emerge radially.
- the field lines on one side of a T-shaped pole are routed to the adjacent arm, while the field lines on the other side of the T-shaped pole are routed to the arm on the other side.
- a be made relatively thin wall thickness of the outer component 2 since the maximum magnetic flux remains relatively low. For example, it is not necessary to pass the magnetic field around half the inner component 3. In the areas with low magnetic field density separating elements 34 may be provided.
- FIG. 6 shows a highly schematic representation of a washing machine 50 according to the invention, which has a control device 51 and is operated with an operating unit 52.
- the washing drum 53 is suspended so that it can exert vibrations.
- Attenuation of the vibrations are here two transmission devices 1 and two
- a prosthesis 60 may also be provided with a transfer device 1 acting as a damper 40, as shown in FIG. It is possible that both the knee joint with a transmission device 1 and the ankle with a acting as a damper 40 transmission device 1 is equipped.
- a transmission device according to the invention is in robotics, where the extension of moving systems by a controllable damping element is particularly advantageous.
- a transmission device 1 allows a higher speed in series or parallel to the drive, since occurring load peaks are reduced and the drive train can be designed more easily.
- the force on a leg of a walking robot can be significantly reduced when it occurs, and the damping can be specifically adapted to the respective situation (speed, background, etc.). Compared to classic spring-damper systems, however, "softness" and instability are no longer brought into the drive as the respective situation requires.
- At least one sensor is provided to the
- Control device to control or regulate.
- Possible sensors include but are not limited to: displacement sensor, force sensor, acceleration sensor, 3D sensor.
- At least one core may be multi-layered or laminated in order to reduce eddy current effects in the core.
- a transmission device 1 having a structure as in Fig. 3A, 3B or 3C
- An advantageous embodiment is achieved.
- the magnetic flux exiting there at one pole is forwarded via the outer ring 39 in both directions and reenters the adjacent poles of the adjacent arms.
- a significant advantage of these embodiments is that the pole can be made virtually any length.
- the length of a pole is not limited to the length 31 of the illustrated arms 14, 15, but may be carried out together with the arms 14, 15 together basically any length.
- a coupling gap 6 can be scaled arbitrarily over its length.
- the magnetic circuit is preferably closed in the cross-sectional area and thus perpendicular to the direction of movement of the two components to each other.
- the core may have a bore to connect, for example, a rod or piston rod. Since the magnetic field preferably acts in radially outer regions, the rod interferes little with the magnetic field.
- stamping sheets or the like It is a simple structure of stamping sheets or the like possible, in which always same parts are used. This allows eddy currents to be reduced with fast field changes, resulting in faster switching times and lower losses. It is possible to provide special functions for certain poles. For example, a permanent magnet may be provided at every other pole to provide some grounding. It is also possible to arrange several smaller magnetic sections in succession along the direction of movement. In all embodiments can
- the outer tube are made thinner than was the case in the prior art.
- the magnetic field generating means 7 are provided on the outer component 2.
- individual electric coils 17 are provided on arms 14, 15 which are inward-pointing radially.
- a magnetorheological transmission device can also be provided for the use of a magnetorheological fluid, for example the product "Basonetic" from BASF.
- the rheological fluid may consist of a variety of constituents, which may be alone or in combination: Fe, carbon steel, NdFeB (neodymium), alnico, samarium, cobalt, silicon, carbon fiber, stainless steel, polymers, sodalime glass,
- Dimorphic magnetorheological fluids with nanotubes and / or nanowires are also possible.
- the carrier liquid may in particular consist of the following constituents or a
- Combination consisting of: oils and preferably synthetic or non-synthetic oils, hydraulic oil, glycol, water, fats and the like.
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Abstract
Übertragungsvorrichtung mit wenigstens zwei koppelbaren Komponenten, die sich zueinander translatorisch bewegen, wobei sich zwischen den Komponenten ein Kopplungsspalt zwischen einem ersten und einem zweiten Ende erstreckt. Der Kopplungsspalt ist mit einem magnetorheologischen Medium versehen. Es ist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfeldes in wenigstens einem Teil des Kopplungsspalts vorgesehen ist, um eine Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten zu beeinflussen. Der Kopplungsspalt ist derart ausgestaltet und in translatorischer Richtung an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende nach außen abgedichtet, dass das magnetorheologische Medium unabhängig von einer Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten als eine Art steuerbarer Reibbelag in dem Kopplungsspalt verbleibt, um entsprechend dem in dem Kopplungsspalt anliegenden Magnetfeld die Kopplung über Scherkräfte zwischen den koppelbaren Komponenten zu beeinflussen. Es ist eine Mehrzahl an radial verlaufenden Armen an einer der Komponenten vorgesehen, die jeweils mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung ausgerüstet sind. Jede Magnetfelderzeugungseinrichtung umfasst eine elektrische Spule mit wenigstens einer Wicklung. Die Wicklung erstreckt sich jeweils vollständig neben der zentralen Achse und beabstandet von der zentralen Achse. An den benachbarten Enden benachbarter Arme einer Komponente sind unterschiedliche Pole der Magnetfelderzeugungseinrichtungen vorgesehen. Der Kopplungsspalt ist mit einem Reservoir an magnetorheologischen Medium verbunden.
Description
Magnetorheologische Übertragungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetorheologische Übertragungsvorrichtung. Mit einer solchen magnetorheologischen Übertragungsvorrichtung können zwei koppelbare Komponenten, die gegeneinander linear bewegbar angeordnet sind, miteinander gekoppelt werden. Die Kopplung erfolgt über ein magnetorheologisches Medium, welches über eine Magnetfelderzeugungseinrichtung mit einem Magnetfeld beaufschlagt wird.
Im Stand der Technik sind verschiedene Übertragungsvorrichtungen wie beispielsweise Dämpfer bekannt geworden, bei denen die Bewegung zweier Komponenten gegeneinander gedämpft wird. Dazu wird oftmals ein Kolben-Zylinder-System verwendet, bei dem Kolben in einer mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit gefüllten Dämpferkammer hin- und her bewegt wird, wodurch die magnetorheologische Flüssigkeit von einer Kammerseite auf die andere strömt und dabei in einem zentralen Dämpfungsspalt des Kolbens oder in einem Dämpfungsspalt entlang des Umfangs des Kolbens gedämpft wird. Zur Dämpfung wird der Dämpfungsspalt mit einem Magnetfeld der gewünschten Stärke beaufschlagt, sodass sich die magnetorheologischen Partikel in der magnetorheologischen Flüssigkeit entsprechend verketten. Dadurch steigt - in Abhängigkeit von dem angelegten Magnetfeld - der
Durchflusswiderstand der magnetorheologischen Flüssigkeit durch den Dämpfungsspalt an.
Aus der US 2002/0084157 AI ist ein magnetorheologischer Dämpfer mit einem Kolben und einem Gehäuse bekannt geworden, welches den Kolben umgibt. Der Kolben trennt das Gehäuse in zwei Dämpferkammern, die über einen ringförmigen und steuerbaren
Strömungskanal zwischen dem Kolben und dem Gehäuse miteinander verbunden sind. Der Kolben wirkt zusammen mit dem Strömungskanal und dem Gehäuse als Ventil, welches in Abhängigkeit von dem wirkenden Magnetfeld die Durchströmung des magnetorheologischen Fluids durch den Strömungskanal steuert. Der Kern des Kolbens weist radial nach außen stehende Arme auf, um die jeweils eine Spule gewickelt ist. Das erzeugte Magnetfeld tritt durch den Strömungskanal nach außen und wird über ein mit dem Kolben verbundenes Gehäuse und sich mit dem Kolben mitbewegendes Gehäuse_geschlossen, sodass der
Durchfluss des magnetorheologischen Fluids durch ein entsprechendes Magnetfeld steuerbar ist. Der Dämpfer beinhaltet ein großes Volumen des magnetorheologischen Fluids. Das Volumen bestimmt sich über den vorgesehenen Hub multipliziert mit der Querschnittsfläche des Kolbens. Sowohl die Menge des magnetorheologischen Fluids als auch die dafür anfallenden Kosten sind somit hoch. Das Volumen kann nicht beliebig verkleinert werden, da das magnetorheologische Fluid die Dämpfungsenergie aufnehmen muss. Für Anwendungen
bei denen kostengünstige, kleine und leichte Dämpfer benötigt werden, ist ein solcher Dämpfer deshalb nicht geeignet.
Derartige magnetorheologische Dämpfer funktionieren zufriedenstellend. Sie ermöglichen hohe Dämpfungsraten und dabei eine fein abgestufte Dämpfung. Nachteilig ist allerdings, dass die gesamte Dämpfungskammer mit der relativ teuren magnetorheologischen Flüssigkeit gefüllt werden muss. Dadurch werden hohe Herstellkosten verursacht, die in vielen
Anwendungsfällen die Preisvorgabe überschreiten. Ein weiterer Nachteil derartiger
Dämpfersysteme ist, dass der Durchflusswiderstand des hydraulischen Systems an sich schon stark abhängig von der Relativgeschwindigkeit der sich gegeneinander bewegenden
Komponenten ist. Mit steigender Relativgeschwindigkeit wird die Grunddämpfung des Systems erheblich größer. Die Grunddämpfung des Systems wird durch die mechanischen Eigenschaften des Dämpfers ohne angelegtes Magnetfeld bestimmt. Je größer die
Geschwindigkeit, desto größer ist der hydraulische Widerstand der magnetorheologischen Flüssigkeit beim Durchfluss durch den Dämpfungsspalt. Dadurch bedingt können bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten nur Dämpfungsraten eingestellt werden, die oberhalb der Grunddämpfung liegen, was das Einsatzgebiet verkleinert.
Mit der EP 1 025 373 Bl ist ein Dämpfer bekannt geworden, der eine erheblich geringere Menge an magnetorheologischem Fluid benötigt. Der Dämpfer weist kein Ventil auf, durch welches ein magnetorheologisches Fluid strömt, sondern arbeitet als Scherdämpfer, bei dem in einem an den Enden abgedichtetem Ringspalt ein ortsfestes magnetorheologisches Fluid als steuerbares Medium vorgesehen ist. Eine elektrische Spule ist ringförmig um die
Kolbenstange gewickelt, um ein steuerbares Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld tritt an den Enden des Kolbens radial durch den mit dem magnetorheologischen Fluid versehenen Ringspalt durch. Die ferromagnetischen Partikel in dem magnetorheologischen Fluid werden dort entsprechend vernetzt und erzeugen somit eine bestimmte und signifikante Scherkraft. Dadurch wird eine Relativbewegung des Kolbens zu dem Dämpfergehäuse gedämpft. Der Kolben teilt aber nicht eine mit einem magnetorheologischen Fluid gefüllte Dämpferkammer in zwei Teilkammern, sondern kann an beiden Seiten zur Umgebung offen ausgebildet sein. Die benötigte Menge an magnetorheologischem Fluid ist durch das geringe Volumen des Ringspalts bedingt sehr viel kleiner als bei einem Dämpfer, der eine Strömung eines magnetorheologischen Fluids durch einen Strömungskanal beeinflusst. Damit sind auch die Kosten für den Dämpfer gering, da magnetorheologische Fluide relativ teuer sind. Nachteilig an diesem Dämpfer ist aber, dass die erzeugbare Scherkraft relativ gering ist. Dadurch, dass nur die Bereiche an den Enden des Ringspalts zur Erhöhung der Scherkraft beitragen, muss der Durchmesser vergrößert werden oder es müssen mehrere Spulen axial voneinander beabstandet vorgesehen werden, damit das Magnetfeld an mehreren Stellen den Ringspalt durchdringt und zu einer lokalen Verkettung der Partikel in dem MRF führt. Aber auch mit
solchen Maßnahmen wird nur ein geringer Teil des Ringspaltes genutzt, sodass die erzeugbare Scherkraft sehr begrenzt ist.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine magnetorheologische
Übertragungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche kostengünstig aufgebaut werden kann und höhere Dämpfungskräfte ermöglicht und bei der insbesondere die
Geschwindigkeitsabhängigkeit der Grunddämpfung geringer ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Übertragungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch eine Übertragungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 24 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 26. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung der
Ausführungsbeispiele.
Eine erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung umfasst wenigstens zwei koppelbare Komponenten, die sich zueinander translatorisch bewegen. Zwischen den Komponenten erstreckt sich wenigstens ein Kopplungsspalt zwischen einem ersten und einem zweiten Ende. Der Kopplungsspalt ist mit einem magnetorheologischen Medium versehen. Es ist wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines
Magnetfeldes in wenigstens einem Teil des Kopplungsspalts vorgesehen, um eine Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten zu beeinflussen. Der Kopplungsspalt ist derart ausgestaltet und in translatorischer Richtung an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende nach außen abgedichtet, dass das magnetorheologische Medium unabhängig von einer Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten als eine Art steuerbarer Reibbelag in dem Kopplungsspalt verbleibt, um entsprechend dem in dem Kopplungsspalt anliegenden
Magnetfeld die Kopplung über Scherkräfte zwischen den koppelbaren Komponenten zu beeinflussen. Es ist eine Mehrzahl an wenigstens teilweise radial verlaufenden Armen an wenigstens einer der Komponenten vorgesehen, von denen wenigstens ein Teil der Arme mit jeweils wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung ausgerüstet ist, wobei jede Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine elektrische Spule mit wenigstens einer Wicklung umfasst, und wobei sich die Wicklung jeweils vollständig neben der zentralen Achse und beabstandet von der zentralen Achse erstreckt. An den benachbarten Enden benachbarter Arme wenigstens einer Komponente sind unterschiedliche Pole der
Magnetfelderzeugungseinrichtungen vorgesehen. Der Kopplungsspalt ist insbesondere mit wenigstens einem Reservoir an magnetorheologischen Medium verbunden.
Die erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung liegt darin, dass nur wenig magneto- rheologisches Medium benötigt wird. Im Unterschied zum Stand der Technik wird bei der
erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung gegebenenfalls nur innerhalb des Kopplungsspalts ein magnetorheologisches Medium benötigt. Es ist nicht nötig, dass ein Zylinder vollständig mit einem magnetorheologischen Medium gefüllt ist, innerhalb dessen sich beispielsweise ein Kolben in Längsrichtung bewegt. Erfindungsgemäß wird gegebenenfalls nur der Kopplungsspalt mit einem magnetorheologischen Medium gefüllt. Das magnetorheologische Medium bildet eine Art Reibbelag innerhalb des Kopplungsspalts, der durch ein Magnetfeld wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung steuerbar ist. Gemäß der Stärke des Magnetfeldes wird der Reibbelag entsprechend aktiviert. Zur Steuerung der Kopplungsintensität muss kein Bauteil bewegt werden. Es reicht die Einstellung einer gewünschten Magnetfeldstärke.
Dadurch wird ein schnell wirkendes System erreicht, bei dem eine Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten innerhalb von Millisekunden erzielbar ist. Die Stärke der
Kopplung hängt dabei praktisch nicht von der Relativgeschwindigkeit der beiden koppelbaren Komponenten in translatorischer Richtung zueinander ab, sondern von der Stärke des wirkenden magnetischen Felds. Da das magnetorheologische Medium nicht durch einen Spalt gedrückt werden muss, ist die Stärke der Kopplung nicht so abhängig von der Relativgeschwindigkeit wie im Stand der Technik. Eine Grunddämpfung, die sich durch den hydraulischen Widerstand eines durch einen Dämpfungsspalt gedrückten Dämpfungsmediums ergibt, liegt bei der vorliegenden Erfindung nicht vor. Die Kopplung der beiden koppelbaren Komponenten bzw. der wenigstens zwei koppelbaren Komponenten in translatorischer Richtung oder in Längsrichtung entlang der zentralen Achse erfolgt über Scherkräfte innerhalb des wenigstens einen Kopplungsspalts.
Dabei verbleibt das magnetorheologische Medium innerhalb des Kopplungsspalts vorzugsweise im Wesentlichen bewegungslos. Das magnetorheologische Medium ist in dem
Kopplungsspalt im Wesentlichen ruhend vorgesehen und bildet dort den Reibbelag. Das magnetorheologische Medium wirkt verdrängungslos innerhalb des Kopplungsspalts über Scherkräfte. Dadurch, dass das magnetorheologische Medium keine oder doch wenigstens im Wesentlichen fast keine Relativgeschwindigkeit zu wenigstens einer koppelbaren Komponente aufweist, wird eine Geschwindigkeitsabhängigkeit der Kopplungsintensität stark gemindert.
Durch die Anordnung der elektrischen Spulen derart, dass sich die Wicklung jeweils quer zu der Längsachse des Kopplungsspalts erstreckt, kann der magnetisch wirksame Bereich des Kopplungsspalts erheblich vergrößert werden im Vergleich zu einer elektrischen Spule eines Dämpfers gemäß der EP 1 025 373 Bl, bei dem sich die Wicklung der elektrischen Spule um die Kolbenstange herum erstreckt. Dort wird der ringförmige Kopplungsspalt nur lokal begrenzt von Magnetfeldlinien nennenswerter Stärke durchsetzt. Mit der Erfindung kann hingegen praktisch die gesamte Fläche des Kopplungsspalts zur Erzeugung einer erheblichen
Scherkraft verwendet werden. Mit kleinem Bauvolumen und nur wenig MRF kann
erfindungsgemäß eine hohe Dämpfungskraft erzeugt werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil einer erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung ist, dass im Gegensatz zum Stand der Technik kein Ausgleichsvolumen für das von der Kolbenstange beim Einfahren verdrängte Medium vorhanden sein muss.
Durch das geringe Gesamtvolumen des magnetorheologischen Mediums gestaltet sich der Temperaturausgleich, womit alle Maßnahmen zur Kompensation von Volumenänderungen durch Temperaturschwankungen gemeint sind, wesentlich einfacher.
Ein Reservoir an magnetorheologischen Medium bietet erhebliche Vorteile. In dem
Kopplungsspalt ist nur eine sehr geringe Menge an MRF enthalten. Die Toleranzen sind vorzugsweise gering und auch die Spaltabmessungen sind möglichst klein. Im Laufe der Lebensdauer kann es zu einem Verlust an MRF führen. Das ist bei Dämpfer, die im Ventilmodus arbeiten, also durch die MRF hindurchströmt, in der Regel kein Problem, da dort insgesamt schon eine große Menge an magnetorheologischem Fluid (MRF) vorhanden ist. Bei der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung, die auch als Scherdämpfer bezeichnet oder definiert werden kann, bewirken hingegen schon kleine Verluste von 0,2 oder 0,5 ml MRF einen erheblichen relativen Verlust von 5%, 10% oder sogar 20%. Es hat sich deshalb herausgestellt, dass überraschender Weise ein Reservoir die Funktionalität und Lebensdauer erheblich erhöhen kann.
Die Anmelderin behält sich vor, separaten Schutz für eine weitere erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung zu beantragen, wobei eine solche Übertragungsvorrichtung wenigstens zwei koppelbare Komponenten umfasst, die translatorisch zueinander bewegbar sind und sich zueinander translatorisch bewegen. Insbesondere bewegen sich die Komponenten entlang einer zentralen Achse. Wenigstens teilweise ist zwischen den Komponenten wenigstens ein Kopplungsspalt mit wenigstens einem magnetorheologischen Medium vorgesehen. Der Kopplungsspalt erstreckt sich insbesondere in translatorischer Richtung zwischen einem ersten und einem zweiten Ende. Wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung ist zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfeldes in in wenigstens einem Teil des Kopplungsspalts vorgesehen, um eine Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten zu beeinflussen. Der Kopplungsspalt ist derart ausgestaltet und und in translatorischer Richtung an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende nach außen abgedichtet, dass das magnetorheologische Medium unabhängig von einer Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten als eine Art steuerbarer Reibbelag in dem Kopplungsspalt verbleibt, um entsprechend dem in dem Kopplungsspalt anliegenden bzw. wirkenden Magnetfeld die Kopplung über Scherkräfte zwischen den koppelbaren Komponenten zu beeinflussen.
In allen Ausgestaltungen der Erfindung kann es es in einfachen Ausfuhrungen ausreichen, den Dichtungen in Bewegungsrichtung etwas Spiel zu lassen, um die Volumenänderung des magnetorheologischen Mediums über einen großen Temperaturbereich kompensieren zu können. Dabei wirkt sich dieses Spiel in Bewegungsrichtung nicht bzw. nur unwesentlich auf das Übertragungsverhalten der Übertragungsvorrichtung aus, da die Kraft durch das Medium im Kopplungsspalt übertragen wird. Das durch ein solches Spiel zur Verfügung gestellte Volumen kann kleiner als 5 % und insbesondere kleiner als 1 % und vorzugsweise kleiner als 0,5 % des Volumens des Kopplungsspalts betragen.
Sinngemäß wirken sich Lufteinschlüsse im magnetorheologischen Medium, die beispielsweise durch den Fertigungsprozess oder durch die Alterung über kleine Leckagen praktisch nicht vermeidbar sind, im Vergleich zum Stand der Technik nur unwesentlich aus.
Eine Magnetfelderzeugungseinrichtung ist insbesondere als Magnetfeldquelle ausgebildet oder umfasst wenigstens eine solche. Eine Magnetfelderzeugungseinrichtung kann auch als Magneteinrichtung bezeichnet werden.
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl an wenigstens teilweise radial verlaufenden Armen an wenigstens einer der Komponenten vorgesehen. Wenigstens ein Teil der Arme ist mit jeweils wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung ausgerüstet, wobei jede Magnetfelderzeugungseinrichtung jeweils wenigstens eine elektrische Spule mit wenigstens einer Wicklung umfasst, und sich die Wicklung jeweils vollständig neben der zentralen Achse und beabstandet von der zentralen Achse erstreckt, wobei an den benachbarten Enden
benachbarter Arme wenigstens einer Komponente unterschiedliche Pole der Magnetfelderzeugungseinrichtungen vorgesehen sind, und dass der Kopplungsspalt mit wenigstens einem Reservoir an magnetorheologischen Medium verbunden ist.
Die Wärmeabfuhr kann bei der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung über das Gehäuse nach außen erfolgen.
Das vorzugsweise verdrängungsfrei und besonders bevorzugt wälzkörperfrei in dem
Kopplungsspalt vorgesehene magnetorheologische Medium verkettet sich bei Anlage eines Magnetfeldes praktisch sofort und wirkt über Scherkräfte auf die koppelbaren Komponenten ein. Dadurch wird eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit erreicht. Die Kopplung wirkt über praktisch die gesamte Fläche des Koppelspalts direkt nach Anlegen oder Erzeugen eines Magnetfeldes. Das magnetorheologische Medium muss sich im Unterschied zum Stand der Technik nicht erst beim Einlaufen in einen Spalt ausrichten, um die Kopplungskraft zu übertragen. Dadurch wird eine besonders schnelle und effektive Wirksamkeit erzielt.
Außerdem wird eine Abschaltung eines Magnetfeldes sofort wirksam, da die Verkettung der
einzelnen Partikel innerhalb des magnetorheologischen Mediums sofort aufgehoben wird. Dadurch können besonders schnelle Schaltreaktionen erzielt werden.
Vorzugsweise umgibt wenigstens eine koppelbare Komponente wenigstens eine andere koppelbare Komponente wenigstens teilweise. Dazu sind vorzugsweise eine Komponente als äußere Komponente und eine andere Komponente als innere Komponente ausgebildet. Der Kopplungsspalt ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet und erstreckt sich insbesondere zylinderschalenförmig zwischen dem ersten axialen Ende und dem zweiten axialen Ende.
Es ist möglich, dass der Kopplungsspalt um eine Komponente umlaufend ausgebildet ist. Dabei ist es möglich, dass der Kopplungsspalt beispielsweise die innere Komponente umlaufend umgibt. Möglich ist es auch, dass der Kopplungsspalt in der äußeren Komponente umlaufend ausgebildet ist. Möglich ist es auch, dass mehrere Kopplungsspalte insgesamt die äußere und/oder innere Komponente umlaufend oder fast umlaufend umgeben.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die Komponenten gegeneinander axial verschiebbar angeordnet sind. Beispielsweise ist es möglich, dass die äußere Komponente als eine Art Gleitschuh oder dergleichen auf einer zylinderartigen inneren Komponente gleitet. Möglich ist es auch, dass eine Komponente kolbenartig innerhalb einer Zylinderkonstruktion angeordnet ist. Die zueinander gleitenden Oberflächen können feingedreht, geschliffen, gehont, poliert oder/und mit reibungsmindemden Beschichtungen versehen sein, wie z.B. mit Teflon, Molybdän, Plasmaschichten usw.
Die Übertragungsvorrichtung kann praktisch als Scherdämpfer verwendet werden. Das wie ein schaltbarer Reibbelag wirkende magnetorheologische Medium an dem Kopplungsspalt ermöglicht die Verwendung als Dämpfer. Die adaptive Kraftänderung beruht dabei nicht auf der Erzeugung von Druck oder von Druckunterschieden auf beiden Seiten eines Kolbens, sondern die adaptive Kraftänderung beruht auf der gesteuerten Wirkung des Reibbelages über Scherkräfte. Dadurch wird praktisch auch bei höherer Last bzw. Kraft kein besonderer Druck auf die Dichtungen oder Dichtlippen erzeugt, was die Reibung reduziert.
Das für die Kraftvariation zuständige magnetorheologische Medium verursacht bei der translatorischen Bewegung der beiden Komponenten gegeneinander nur eine nicht relevante geschwindigkeitsabhängige Kraftveränderung. Dem gegenüber weisen magnetorheologische Dämpfer, bei denen das magnetorheologische Fluid durch einen Kolben durchströmt, hydraulisch bedingte erhebliche Kraftänderungen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf, da aufgrund der Strömung eines magnetorheologischen Fluides durch eine Engstelle geschwindigkeitsabhängige Druckunterschiede aufgrund der Flüssigkeitsreibung aufgebaut werden.
Das magnetorheologische Medium kann beispielsweise als ein magnetorheologisches Fluid ausgebildet sein oder wenigstens ein solches umfassen, bei dem in z. B. einem Öl oder dergleichen kleine ferromagnetische Partikel verteilt angeordnet sind. Möglich ist es aber auch, dass als magnetorheologisches Medium beispielsweise fein verteilte ferromagnetische Partikel in einem Fett gemischt werden. Beispielsweise können Carbonyleisenpulverpartikel mit Fett gemischt werden. Glykol, Fett, dickflüssige Stoffe können auch als Trägermedium verwendet werden, ohne darauf beschränkt zu sein. Das Trägermedium kann auch gasförmig sein bzw. es kann auf das Trägermedium verzichtet werden. In diesem Fall werden lediglich durch das Magnetfeld beeinflussbare Partikel in den Kanal gefüllt.
Möglich sind auch magnetorheologische Elastomere (MRE), d. h. Kompositmaterial von magnetisch polarisierbaren Partikeln in weicher Elastomermatrix. Solche magnetorheologische Elastomere können einen festen Belag bilden, der auch ohne Dichtungen oder dergleichen an dem Kopplungsspalt verbleibt.
Die ferromagnetischen Partikel bestehen vorzugsweise wenigstens teilweise und insbesondere wenigstens nahezu vollständig aus Carbonyleisenpulver, wobei die Größenverteilurig der Partikel vom konkreten Einsatzfall abhängt. Konkret bevorzugt ist eine Verteilung der Partikelgröße zwischen ein und zehn Mikrometern, wobei aber auch größere Partikel von zwanzig, dreißig, vierzig und fünfzig Mikrometer möglich sind. Je nach Anwendungsfall kann die Partikelgröße aus deutlich größer werden und sogar in den Millimeterbereich vordringen (Partikelkugeln). Die Partikel können auch eine spezielle Beschichtung/Mantel (Titan- beschichtung, Keramik-, Karbonmantel etc.) aufweisen. Die Partikel können für diesen Anwendungsfall nicht nur aus Carbonyleisenpulver (Reineisen), sondern z.B. auch aus speziellen ferromagnetischen Legierungen hergestellt werden. Die Partikel können jeweils Beschichtungen aufweisen.
In bevorzugten Ausgestaltungen ist wenigstens eine Federeinrichtung vorgesehen, um eine Gegenkraft aufzubauen, wenn eine Auslenkuiig der beiden Komponenten in wenigstens eine Richtung erfolgt. Dabei kann die Federeinrichtung Teil der Übertragungsvorrichtung sein. Möglich ist es aber auch, dass die Federeinrichtung separat außerhalb der Übertragungsvorrichtung vorgesehen und insgesamt Teil einer übergeordneten Vorrichtung ist.
Besonders bevorzugt weist die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine elektrische Spule mit wenigstens einer Wicklung auf. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass sich die Wicklung vollständig neben der zentralen Achse und beabstandet von der zentralen Achse erstreckt. Besonders bevorzugt schneidet die Wicklung bzw. die von der Wicklung definierte Fläche die zentrale Achse nicht. Insbesondere erzeugt die elektrische Spule der
Magnetfelderzeugungseinrichtung ein Magnetfeld quer zu der Bewegung der beiden
Komponenten zueinander. Bevorzugt wird die elektrische Spule mit Kleinspannungen
betrieben. Bei einer Vielzahl von elektrischen Spulen gilt vorzugsweise für jede einzelne Spule das Gleiche.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung kann mindestens einen Permanentmagneten oder mindestens eine elektrische Spule oder eine beliebige Kombination von Permanentmagneten und elektrischen Spulen umfassen. Dabei ist die gegenseitige Beeinflussung der erzeugten magnetischen Felder zu einem gemeinsamen, im Kopplungsspalt auf das magnetorheolo- gische Medium wirkende Magnetfeld möglieh und ausdrücklich erwünscht. Eine mögliche Anwendung eines solchen Aufbaus erzeugt durch das statische Magnetfeld der Permanentmagneten bei einer Relativbewegung der Komponenten zueinander eine Grundkraft, welche durch das in Echtzeit veränderbare Magnetfeld der elektrischen Spule abgeschwächt oder verstärkt werden kann.
Besondere Ausfuhrungsformen sehen vor, dass die Magnetisierung des Permanentmagneten durch einzelne magnetische Pulse der elektrischen Spule dauerhaft verändert werden kann. Ein derartiger Aufbau benötigt nur zum Verstellen Energie und kann den jeweils eingestellten Zustand dauerhaft stromlos halten, was den Bau von sehr sparsamen Systemen ermöglicht.
Als veränderbare Magneten eignen sich besonders hartmagnetische Materialien wie verschiedene Eisenlegierungen oder seltene Erden, beispielsweise AlNiCo, SmCo, Ferrite und ähnliche.
In einer bevorzugten und einfach ausgestalteten Weiterbildung ist die elektrische Spule in einer Ebene parallel zu der zentralen Achse ausgerichtet und erzeugt ein Magnetfeld, welches die zentrale Achse schneidet. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Größe der elektrischen Spule und damit die Fläche des auf den Kopplungsspalt wirkenden Magnetfeldes unabhängig von einem Durchmesser der koppelbaren Komponenten ist.
Umgibt eine beispielsweise zylindrisch, oval oder elliptisch ausgebildete äußere Komponente eine entsprechend ausgebildete innere Komponente und sind beide Komponenten in Längsrichtung gegeneinander bewegbar vorgesehen, so kann eine derartige elektrische Spule effektiv auf einen Kopplungsspalt einwirken. Durch die Auswahl einer geeigneten Länge des Kopplungsspalts in Bewegungsrichtung kann die Größe der Einwirkung und damit die Kopplungsintensität beeinflusst werden. Wenn beispielsweise die Stärke der Kopplungsintensität konstruktiv bedingt nicht ausreicht, so kann auf einfache Art und Weise die wirksame Fläche des Kopplungsspalts vergrößert werden. Von derartigen elektrischen Spulen und/oder Kopplungsspalten können in Umfangsrichtung mehrere vorgesehen werden.
In bevorzugten Weiterbildungen ist eine Vielzahl von Magnetfelderzeugungseinrichtungen vorgesehen.
Vorzugsweise weist wenigstens eine Komponente eine Mehrzahl an wenigstens teilweise radial verlaufenden Armen auf. Wenigstens ein Teil der Arme ist jeweils mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung ausgerüstet. Möglich und bevorzugt ist es, dass die radial verlaufenden Arme auf dem Umfang einer der Komponenten verteilt vorgesehen sind.
Besonders bevorzugt ist die Anzahl der mit jeweils einer Magnetfelderzeugungseinrichtung ausgerüsteten Arme eine gerade Zahl. Besonders bevorzugt sind an den benachbarten Enden benachbarter Arme wenigstens einer Komponente unterschiedliche magnetische Pole an den Magnetfelderzeugungseinrichtungen vorgesehen.
Möglich ist es aber auch, dass jeweils zwei benachbarte Arme an ihrem radial benachbarten Ende die gleichen Pole aufweisen. Es ist aber besonders bevorzugt, dass die zu diesen Armen benachbarten Arme eine unterschiedliche Polausrichtung aufweisen.
Durch eine solche Ausgestaltung wird sichergestellt, dass sich in Umfangsrichtung die Polausrichtung periodisch ändert. Dadurch wird ein an beispielsweise einer inneren oder einer äußeren Komponente vorgesehener Umfangsspalt in verschiedene Teilspalte aufgeteilt, durch die jeweils das Magnetfeld der Magnetfelderzeugungseinrichtungen durchtritt.
Bei dieser Ausgestaltung wird das Magnetfeld vorzugsweise durch die äußere Komponente wieder geschlossen. Dazu weist die äußere Komponente eine magnetisch leitende Einheit oder dergleichen auf.
Möglich und bevorzugt ist es auch, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtungen an der äußeren Komponente vorgesehen sind und sich eine magnetisch leitende Einheit an der inneren Komponente befindet, die den magnetischen Widerstand innerhalb des
Magnetkreislaufes reduziert.
Bei solchen Ausgestaltungen liegt jeweils ein etwa sternförmiger Aufbau vor, bei dem sternförmige Arme radial von der inneren Komponente nach außen abstehen und/oder bei der radiale Arme von der äußeren Komponente radial nach innen abstehen. Die Magnetfeldlinien durchtreten dabei den Kopplungsspalt zwischen der inneren und der äußeren Komponente und wirken effektiv auf den Kopplungsspalt ein. Durch entsprechende mechanische Trennmittel kann der insgesamt z. B. umlaufende Kopplungsspalt in mehrere Kopplungsspalte aufgeteilt werden, die jeweils getrennt von unterschiedlichen Magnetfelderzeugungseinrichtungen mit einem Magnetfeld beaufschlagt werden können.
In allen bisherigen Ausgestaltungen ist der Kopplungsspalt an beiden axialen Enden gegenüber der Umgebung abgedichtet. Insbesondere grenzt der Kopplungsspalt an beiden axialen Enden an die Umgebung an. Es ist möglich, dass an den beiden axialen Enden des Kopplungsspalts separate Dichtungen vorgesehen sind, um einen Austritt von magnetorheologischen
Medium aus dem Kopplungsspalt wirksam zu verhindern. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine solche Übertragungsvorrichtung selten gewartet wird oder wartungsfrei ausgeführt werden soll. Durch eine Dichtung des Kopplungsspalts wird der ungewünschte Austritt von magnetorheologischem Medium verhindert, wodurch die Bevorratung an magnetorheologischem Medium innerhalb des Kopplungsspalts reduziert werden kann.
Besonders bevorzugt unterliegt das magnetorheologische Medium in dem Kopplungsspalt in einem Ruhezustand im Wesentlichen Umgebungsdruck. Es ist möglich, dass das
magnetorheologische Medium in dem Kopplungsspalt auch in einem Ruhezustand einem leichten Überdruck unterliegt. Besonders bevorzugt wird aber ein druckloser Zustand, da dabei der Austritt von magnetorheologischem Medium aufgrund von Druckunterschieden nach außen zuverlässig verhindert wird.
Es ist möglich, dass dem Kopplungsspalt wenigstens ein Reservoir oder ein Vorratsvolumen an magnetorheologischem Medium zugeordnet ist. Beispielsweise kann das Reservoir mit dem Kopplungsspalt verbunden sein. Insbesondere stellt das Reservoir zwischen 25 und 500 % des Volumens des Kopplungsspalts zur Verfügung. Ein solches Vorratsvolumen erlaubt es, im Läufe des Betriebs ausgetretenes magnetorheo logisches Medium zu ersetzen, ohne dass eine separate Wartung nötig ist. In besonders bevorzugten Fällen beträgt das Volumen des Reservoirs zwischen 10 % und 200 % und insbesondere zwischen 50 und 100 % des Volumens des Kopplungsspalts. Auch wenn ein Vorratsvolumen dem Kopplungsspalt zugeordnet ist, kann insgesamt eine besonders geringe Menge an magnetorheologischen Medium eingesetzt werden. Auch unter Berücksichtigung des Vorratsvolumens ist das insgesamt benötigte Volumen erheblich geringer als z. B. bei einem magnetorheologischen Dämpfer, bei dem ein Zylinder vollständig mit einem magnetorheologischen Medium gefüllt ist. Das Reservoir kann auch so ausgelegt sein, dass beim Einschalten der Magnetfelderzeugungseinrichtung das magnetorheologische Fluid aufgrund des Magnetfeldes in den aufgrund von Leckage oder andern Umständen nicht ganz gefüllten Kopplungsspalt gezogen wird. Das Reservoir ist vorzugsweise so ausgelegt sein, dass durch die Einbaulage und Schwerkraft die das magnetorheologische Fluid in den aufgrund von Leckage oder andern Umständen nicht ganz gefüllten Kopplungsspalt fließt.
In einer konkreten Ausführungsform wurden nur etwa 1 ,5 ml eines magnetorheologischen Fluides benötigt. Dadurch wird auch der Einsatz bei Anwendungen ermöglicht, die preiskritisch sind.
Möglich und bevorzugt ist es auch, dass der Kopplungsspalt wenigstens eine
Druckausgleichseinrichtung aufweist. Eine solche Druckausgleichseinrichtung kann beispielsweise durch wenigstens eine Nut entlang des Kopplungsspalts gebildet werden. Bei Aktivierung eines Magnetfeldes wird der Reibbelag und damit das magnetorheologische
Medium durch die Scherkräfte in Bewegungsrichtung gedrängt, sodass sich an diesem Ende des Kopplungsspalts ein erhöhter Druck des magnetorheologischen Mediums aufbauen kann, der zu einer entsprechenden Belastung der dort vorgesehenen Dichtung führt (Schleppdruck). Zur Druckreduktion kann beispielsweise eine Nut an dem Kopplungsspalt vorgesehen sein, die zu einem Druckausgleich mit dem anderen Ende des Kopplungsspalts führen kann.
Möglich ist es auch, dass die Druckausgleichseinrichtung wenigstens einen Kanal aufweist, der am Ende des Kopplungsspalts mit dem anderen Ende des Kupplungsspalts oder einem Bereich mit geringerem Druck verbindet. Beispielsweise kann eine Bohrung oder sonstige Durchgangsöffnung an einer der Komponenten vorgesehen sein, die ein Ende des nach außen abgeschlossenen Kopplungsspalts mit dem anderen Ende des nach außen abgeschlossenen Kopplungsspalts verbindet. Auch durch einen solchen Kanal kann ein Druckausgleich erfolgen. Dabei ist es auch möglich, dass der Druckausgleich nicht zwischen den axialen Enden vorgesehen ist, sondern jeweils von einem axialen Ende zu einem mittleren Bereich des Kopplungsspalts erfolgt.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens einen Dauermagneten aufweist. Ein Dauermagnet ermöglicht eine dauerhafte Beaufschlagung des Kopplungsspalts mit einem Magnetfeld, um den Reibbelag dauerhaft aktiv zu schalten. Dabei wird durch den Einsatz des Dauermagneten kein elektrischer Strom benötigt. Ein solcher Dauermagnet ermöglicht beispielsweise auch eine Mindestkopplung zwischen den koppelbaren Komponenten. Vorzugsweise sind wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung ein Dauermagnet und wenigstens eine elektrische Spule zugeordnet. Durch die elektrische Spule kann das Magnetfeld der Magnetfelderzeugungseinrichtung moduliert werden, sodass es bei Bedarf verstärkt oder abgeschwächt werden kann. Bei Abschalten des magnetischen Feldes der elektrischen Spule liegt dann immer noch ein Magnetfeld des Dauermagneten an, während bei Betrieb der elektrischen Spule ein größeres und ein kleineres Magnetfeld und somit wahlweise eine intensivere oder eine schwächere Kopplung der koppelbaren Komponenten möglich ist. Ein Dauermagnet besteht insbesondere wenigstens teilweise und vorzugsweise vollständig aus wenigstens einem hartmagnetischen Material.
In bevorzugten Weiterbildungen ist es möglich, dass das Magnetfeld des Dauermagneten über die zugeordnete elektrische Spule beeinflusst wird. Dabei ist es insbesondere möglich, dass das Magnetfeld kontinuierlich variiert und/oder über kurze Impulse der elektrischen Spule dauerhaft verändert wird. Wird das Magnetfeld des Dauermagneten dauerhaft über kurze Impulse der elektrischen Spule verändert, kann eine effektive Kopplung der koppelbaren Komponenten durchgeführt werden. Eine solche Ausgestaltung ist vorteilhaft, da über kurzzeitige Impulse jeweils für längere Zeiträume das wirkende Magnetfeld des Dauer-
magneten beeinflusst werden kann, ohne während dieser längeren Zeiträume elektrischen Strom zu benötigen.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die Länge der inneren Komponente größer als ihr Durchmesser ist. Insbesondere ist die axiale Länge des Kopplungsspalts größer als der Durchmesser eines insgesamt umlaufend ausgebildeten Kopplungsspalts. Werden mehrere Kopplungsspalte auf dem Umfang der inneren und/oder äußeren Komponente vorgesehen, so ist die axiale Länge vorzugsweise wenigstens eines Kopplungsspalts größer als der radiale Durchmesser oder der radiale Abstand zweier Kopplungsspalte. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine flexible Auslegung der Größe des wirksamen Kopplungsspalts insbesondere, wenn die Wicklung einer elektrischen Spule parallel oder etwa parallel zu der zentralen Achse der koppelbaren Komponente ausgerichtet ist. Die axiale Länge des Koppelungsspalts beeinflusst so die mögliche Kopplungskraft zwischen den koppelbaren Komponenten.
Besonders bevorzugt ist die axiale Länge wenigstens doppelt so groß wie der Durchmesser der inneren Komponente.
Eine weitere erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung umfasst wenigstens zwei koppelbare Komponenten, die sich zueinander translatorisch bewegen, wobei sich wenigstens teilweise zwischen den Komponenten wenigstens ein Kopplungsspalt zwischen einem ersten und einem zweiten Ende erstreckt. Der Kopplungsspalt ist mit wenigstens einem magnetorheologischen Medium versehen. Es ist wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfeldes in wenigstens einem Teil des Kopplungsspalts vorgesehen, um eine Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten zu beeinflussen. Der Kopplungsspalt ist dabei derart ausgestaltet und das magnetörheologische Medium derart ausgebildet, dass unabhängig von einer Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten das magnetörheologische Medium als eine Art steuerbarer Reibbelag in dem Kopplungsspalt verbleibt, und entsprechend dem in dem Kopplungsspalt anliegenden Magnetfeld die Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten über Scherkräfte beeinflusst.
Auch diese erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung hat viele Vorteile. Die Übertragungsvorrichtung erlaubt einen einfachen und kostengünstigen Aufbau.
Das magnetörheologische Medium wird durch die Konsistenz des magnetorheologischen Mediums und/oder durch die Konstruktion und den Aufbau des Kopplungsspalts im
Wesentlichen innerhalb des Kopplungsspalts gehalten.
Beispielsweise kann das magnetörheologische Medium ein Elastomer oder dergleichen umfassen, um das magnetörheologische Medium innerhalb des vorgesehenen Volumens zu halten. Beispielsweise kann der Kopplungsspalt mit einem im Wesentlichen festen Reibbelag
aus oder mit dem magnetorheologischen Medium gebildet sein, wobei die„reibende
Wirkung" durch Anlegen oder Erzeugen eines Magnetfeldes gesteuert wird.
Möglich sind auch konstruktive Maßnahmen in Form von Dichtungen und dergleichen.
Vorzugsweise weist die Übertragungsvorrichtung einzelne oder mehrere oder alle Merkmale einer zuvor beschriebenen Übertragungsvorrichtung auf.
Besonders bevorzugt wird eine der zuvor beschriebenen Übertragungsvorrichtung in einem Dämpfer oder in einer Waschmaschine eingesetzt. Hierbei werden bevorzugt Koppelkräfte im Bereich von 10 N (ohne Magnetfeld) bis 100 N (mit Magnetfeld), aber auch 200 N (mit Magnetfeld), erzielt. Möglich ist auch der Einsatz in einem Wäschetrockner, als Dämpfer bei Fahrzeugen z. B. an der Heckklappe oder im Motorraum etc., bei Möbeln und an einer Prothese, einem Exoskelett, einem Roboter oder einem motor- oder muskelgetriebenen Zweirad oder dergleichen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere als Waschmaschine oder dergleichen ausgeführt und umfasst wenigstens eine Übertragungsvorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde.
In allen Ausgestaltungen ist es auch möglich, dass das magnetorheologische Medium statt Öl oder Fett in flüssiger Form sogenannte Microspheres aufweist. Solche Microspheres sind Schmierstoffe mit z. B. 1 bis 10 Mikrometer großen Kugeln aus einem schmierenden Medium. Ein Vorteil solcher Medien ist, dass sie auch aufgrund Ihrer Größe schlecht bis gar nicht durch den Dichtspalt der Dichtungen durchtreten können. Die ferromagnetischen Partikel können ebenfalls als Microspheres ausgeführt werden. Denkbar ist auch die
Umhüllung der ferromagnetischen Partikel mit einem z. B. reibungsmindernden Material.
Diese Microspheres können je nach Einsatzzweck auch wesentlich größer als 1 bis 10 Mikrometer sein, denkbar sind Durchmesser von einem bis mehreren Zehntelmillimeter, oder auch darüber. Möglich und bevorzugt ist es auch, dass der Kern aus laminierten Schichten besteht. Insgesamt ist es möglich, dass der Kopplungsspalt eine Art Ringspalt bildet, der jedoch aus mehreren Kanalsegmenten besteht. Es ist möglich, dass die beiden Komponenten außerhalb des Kopplungsspalts über Stützringe, Lager und insbesondere Wälzlager gegeneinander gelagert sind.
Eine weitere erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung umfasst wenigstens zwei koppelbaren Komponenten, die sich zueinander translätorisch bewegen, wobei sich zwischen den Komponenten wenigstens ein mit einem magnetorheologischen Medium versehener
Kopplungsspalt erstreckt. Wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung ist zur
Erzeugung wenigstens eines Magnetfeldes in wenigstens einem Teil des Kopplungsspalts
vorgesehen, um eine Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten zu beeinflussen. Wenigstens eine der beiden Komponenten ist mit einem Freihub an einem Koppelungsteil in Form von z. B. einer Stange aufgenommen. Eine solche Ausgestaltung ist ebenfalls sehr vorteilhaft und die Anmelderin behält sich vor, darauf separaten Schutz zu beantragen.
Das Koppelungsteil kann gegenüber der entsprechenden Komponente, die auch Aufnahmekomponente genannt werden kann, um den Freihub mit einem nur relativ geringem oder fast gar keinem Kraftaufwand bewegt werden. Das Koppelungsteil kann bewegbar an der
Aufnahmekomponente aufgenommen sein und beidseitig von einer Feder oder einem Feder- /Dämpfungselement gegen die Aufnahmekomponente gedrückt werden, sodass sich im unbelasteten Zustand eine neutrale Mittelposition ergibt. Schon bei geringen Belastungen lenkt die Aufnahmekomponente bzw. das Das Koppelungsteil bis zu dem Freihub aus. Über entsprechende Sensoren kann die Bewegung erfasst und ausgewertet werden. In einfachen Ausgestaltungen kann das Kopplungsteil als Stange oder Kolbenstange ausgebildet sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung;
Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung;
Fig. 3 A eine weitere perspektivisch im Halbschnitt dargestellte Kopplungseinrichtung;
Fig. 3B eine Variante der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung nach Fig. 3B im Schnitt;
Fig. 3C einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung nach Fig. 3B oder 3C;
Fig. 4 die innere Komponente der Kopplungseinrichtung gemäß Fig. 3C in einer
perspektivischen Darstellung;
Fig. 5 schematisch eingezeichnete Magnetfeldlinien in die Kopplungseinrichtung gemäß
Fig. 3C;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer mit einer erfindungsgemäßen
Kopplungseinrichtung ausgerüsteten Waschmaschine; und
Fig. 7 eine Prothese mit einer erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung.
Fig. 1 zeigt eine stark schematisch dargestellte Übertragungsvorrichtung 1 mit einer zentralen Achse 4 und zwei koppelbaren Komponenten 2 und 3, die in Richtung des durchgezogenen Pfeils 10 bzw. des gestrichelt gezeichneten Pfeils relativ zueinander bewegbar angeordnet sind.
Zwischen den Komponenten 2 und 3 ist ein Koppelungsspalt 6 vorgesehen, der mit einem magnetorheologischen Medium 5 gefüllt ist. Die Komponenten 2 und 3 sind hier platten- förmig ausgebildet und in Richtung der zentralen Achse 4 gegeneinander translatorisch bewegbar. Die hier linear gegeneinander beweglichen Komponenten 2 und 3 können über den steuerbaren Reibbelag 9 miteinander gekoppelt werden, um eine Relativbewegung zu dämpfen.
In dem magnetorheologischen Medium 5, welches beispielsweise wenigstens ein
magnetorheologisches Fluid (MRF) umfasst, sind homogen verteilt magnetorheologische Partikel enthalten, die sich bei einem einwirkenden Magnetfeld entlang der Magnetfeldlinien verketten. Bevorzugt können die Oberflächen, mit welchen die Kettenenden des magnetorheologischen Mediums Kontakt haben, rau ausgebildet sein, Zick-Zack- oder Sägezahn- Muster aufweisen oder eine andere kontakt- bzw. koppelkrafterhöhende Strukturen haben. Besonders bevorzugt werden derartige Oberflächen nur in Teilbereichen verwendet, über die im Betrieb keine Dichtung gleitet. Das magnetorheologische Medium 5 kann aber
beispielsweise auch als Trägermedium Fett aufweisen, in dem verteilt angeordnet
magnetorheologische Partikel enthalten sind.
Das magnetorheologische Medium 5 in dem Kopplungsspalt 6 dient insgesamt als steuerbarer Reibbelag 9, der durch Anlegen bzw. durch Erzeugen eines Magnetfeldes 8 einschaltbar bzw. steuerbar ist.
Nach Einwirken eines Magnetfeldes 8 bewirken die in Feldrichtung verketteten magnetorheologischen Partikel eine Kopplung der beiden Komponenten 2 und 3. Um beispielsweise die Komponente 2 oder 3 gegenüber der anderen Komponente zu verschieben, muss eine Scherkraft aufgewendet werden, die die wirkende Kraft der magnetorheologischen Partikel überwindet. Das magnetorheologische Medium 5 bleibt dabei innerhalb des Kopplungsspalts 6 im Wesentlichen ruhend und wird nicht durch einen Spalt gedrückt, um eine Bewegung zu dämpfen. Das magnetorheologische Medium bleibt während der Relativbewegung der beiden Komponenten zueinander verdrängungsfrei in dem nach außen abgedichteten Kopplungsspalt 6. Dadurch wird ein besonders schnelles Reaktionsvermögen des magnetorheologischen Fluids sichergestellt, da nach einem erstmaligen Verketten der magnetorheologischen Partikel miteinander keine weitere Reaktionszeit benötigt wird, um die Scherkraft auf die beiden
Komponenten 2, 3 aufzubringen.
Bei konventionellen magnetorheologischen Dämpfern wird hingegen ein magnetorheolo- gisches Fluid durch einen Dämpfungsspalt gedrückt. Bei der Fließbewegung der magnetorheologischen Partikel müssen diese jeweils beim Eintreten in den Dämpfungsspalt zueinander ausgerichtet und miteinander verkettet werden. Vor allem bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten können die Partikel einen Bereich oder den gesamten Dämpfungsspalt durchqueren bevor die Kettenbildung und somit die volle Kraftentfaltung abgeschlossen ist. Im Unterschied dazu wirkt der Kopplungsspalt gemäß der vorliegenden Erfindung praktisch sofort und auf seiner gesamten Länge. Der Kopplungsspalt 6 bleibt insgesamt frei von Störkörpern und insbesondere frei von Wälzkörpern, auch um ein schnelles Ansprechen und Lösen der koppelbaren Komponenten miteinander zu gewährleisten.
Ein Querschnitt 1 1 des Kopplungsspalts 6 bleibt in Bewegungsrichtung im Wesentlichen konstant, kann aber auch anders ausgeformt sein.
Der Kopplungsspalt 6 erstreckt sich von einem ersten axialen Ende 22 zu einem zweiten axialen Ende 23 und ist nach außen über Dichtungen 33 abgedichtet. Mögliche
Dichtungstypen sind, ohne darauf beschränkt zu sein: O-Ringe, Quadringdichtungen, Waveseal, Abstreifer oder Dichtungen mit einem reibungsoptimierten Dichtlippen-Design. Diese können auch mit reibungsmindernden Beschichtungen versehen sein, wie z. B. mit PTFE oder Füllstoffe aus Graphit, Glasfaser usw. aufweisen. Dichtungen aus einem
Permanentmagnetwerkstoff sind ebenfalls möglich.
Zusätzlich kann ein Abstreif- oder Filterelement der eigentlichen Dichtung 33 vorgeschaltet sein, um die ferromagnetischen Partikel des magnetorheologischen Mediums 5 zumindest zu einem Großteil vor der Dichtung fernzuhalten.
Zur Erzeugung eines Magnetfeldes 8 dient wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 7. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 7 kann beispielsweise einen Dauermagneten 27 umfassen, kann aber auch ein Magnetfeld über eine elektrische Spule 17 erzeugen.
Die Kopplungskraft zwischen den beiden Komponenten 2 und 3 wird durch die Fläche des Kopplungsspalts 6, das Medium 5 und durch das angelegte Magnetfeld 8 beeinflusst. Zur Vergrößerung der Kopplungskraft kann deshalb die Fläche des Kopplungsspalts 6, auf die ein Magnetfeld einwirkt, vergrößert werden.
Außerhalb des Kopplungsspalts 6 ist hier Umgebung 26 vorgesehen, sodass die Abdichtung der Dichtungen 33 des Kopplungsspalts 6 gegenüber der Umgebung 26 erfolgt. Eine
Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Komponente 3 muss nicht vorliegen.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Übertragungseinrichtung 1, die hier im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut ist.
Die innere Komponente 3 ist innerhalb der äußeren Komponente 2 translatorisch und hier axial in translatorische Richtung 30 verschiebbar angeordnet. Hier ist an der inneren
Komponente 3 der Kopplungsspalt 6 vorgesehen, der an die innere Umfangsoberfläche der äußeren Komponente 2 grenzt.
Durch Anlegen oder Erzeugen eines Magnetfeldes 8 in dem Kopplungsspalt 6 wird der Reibbelag 9 aktiviert und koppelt die beiden Komponenten 2 und 3 aneinander.
Dadurch, dass das magnetorheologische Medium 5 in dem Kopplungsspalt 6 verdrängungsfrei und hier im Wesentlichen bewegungsfrei relativ zur inneren Komponente 3 angeordnet ist, wirkt das magnetorheologisches Medium als Reibbelag 9, wenn ein Magnetfeld 8 angelegt ist. Dabei ist Kopplungsstärke der beiden Komponenten 2 und 3 abhängig von der Magnetfeldstärke und von der Fläche des Kopplungsspalts 6, auf den das Magnetfeld 8 einwirkt. Die Kopplungsstärke ist im Vergleich zu einem Aufbau nach dem Stand der Technik praktisch unabhängig von einer Geschwindigkeit, mit der die Komponenten 2 und 3 sich zueinander bewegen. Eine zunehmende Kopplung oder Dämpfung, dadurch, dass ein Hydrauliköl durch einen Spalt durchtreten muss, findet bei der Übertragungsvorrichtung 1 nicht statt.
Ein weiterer erheblicher Vorteil ist, dass das Volumen des Kopplungsspalts 6 insgesamt gering im Vergleich zu dem Volumen der Komponente 2 oder der Komponente 3 ist. Dadurch wird nur wenig magnetorheologisches Medium benötigt, was die Herstellungskosten senkt.
Falls magnetorheologisches Medium 5 im Betrieb durch die Dichtungen 33 austreten sollte, kann über ein Reservoir 24 ein Volumenausgleieh des magnetorheologischen Mediums 5 erfolgen. Ein solcher Volumenausgleich 24 kann für die Lebensdauer der Übertragungsvorrichtung 1 vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Volumenausgleich 24 so bemessen sein, dass für eine Lebensdauer von einem oder zwei oder fünf, zehn oder zwanzig Jahren ausreichend magnetorheologisches Medium zur Verfügung steht. Damit eine Nachschmierung jederzeit gewährleistet wird, kann das Reservoir 24 federbeaufschlagt oder mit einem leichten Überdruck beaufschlagt werden, sodass nach einem Austritt von magnetorheologischem Medium 5 aus dem Kopplungsspalt 6 nach außen direkt eine entsprechende Menge an magnetorheologischem Medium 5 in den Kopplungsspalt 6 befördert wird.
Hier ist eine Stange 36 entlang der zentralen Achse 4 vorgesehen und mit der inneren
Komponente 3 verbunden. Gemäß einem Aufbau nach dem Stand der Technik entsprechen die zueinander bewegbaren Komponenten 2 und 3 dem Zylinder bzw. Kolben und die Stange 36 der Kolbenstange.
Das Magnetfeld 8 wird durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung 7 erzeugt, die
beispielsweise über Permanentmagneten 37 verfügt: Das durch den Kopplungsspalt 6 durchtretende Magnetfeld wird durch die magnetisch leitende Komponente 2 geleitet, tritt durch den Kopplungsspalt 6 erneut hindurch und wird im Inneren der Komponente 3 durch einen ferromagnetischen Kern 38 zurückgeführt und geschlossen. Die Komponente 2 kann insgesamt magnetisch leitend ausgebildet sein oder weist einen magnetisch leitenden Ring 39 zur Schließung des Feldes auf.
Anstatt des dargestellten Permanentmagneten 37 kann das Magnetfeld auch durch zumindest eine elektrische Spule 17 erzeugt werden. Vorteilhaft ist, wenn die Spule um die zentrale Rotationsachse 4 auf den Kern 38 gewickelt wird, wobei in diesem Schnitt seitlich von der Spule ferromagnetische Polstücke das erzeugte Magnetfeld 8 radial nach außen zum
Kopplungsspalt 6 leiten.
Die Übertragungseinrichtung 1 kann über einen Freihub 45 verfügen, wenn die eingezeichneten Anschläge 41 und 42 vorgesehen sind und die Achse 36 nicht fest mit der Komponente 3 verbunden ist, sondern über die Federeinrichtungen 43 und 44 um den Freihub 45 bzw. maximal den doppelten Freihub 45 entkoppelt von der Komponente 3 ist. Dadurch wird eine niedere Grundkraft ermöglicht, die z. B. bei der Ladungserkennung von
Waschmaschinen von erheblichem Vorteil ist. Es ergibt sich weiterhin ein großer schaltbarer Arbeitsbereich und geringe Kosten. Durch solch einen Freihub wird im stromlosen Zustand die Kolbenstange 36 von der Komponente 3 entkoppelt und kann gegen die einstellbare Federkraft der Federeinrichtung 43 bzw. 44 auch bei geringen einwirkenden Kräften ausgelenkt werden. Somit kann die Dämpfung von einer Ladungserkennung entkoppelt werden. Im normalen Betriebszustand wiederum wird zur Dämpfung die Spule bestromt, sodass durch das wirkende Magnetfeld bedingt die Kolbenstange 36 mit der Komponente 3 reib- oder formschlüssig gekoppelt wird. Dann werden Relativbewegungen zwischen den Komponenten 2 und 3 gedämpft.Fig. 3A, 3B und 3C zeigen bevorzugte Ausführungsformen einer Übertragungsvorrichtung 1 jeweils in einem Schnitt. Die Übertragungsvorrichtung 1 weist hier jeweils zylindrisch ausgebildete äußere und innere Komponenten 2 und 3 auf. Die innere Komponente 3 ist um die zentrale Achse 4 vorgesehen und weist etwa sternförmig nach außen abstehen Arme 14, 15 und 16 auf. An dem Ende 19 der Arme 14 bis 16 sind im Querschnitt jeweils etwa T-förmige Verbreiterungen vorgesehen, die als Pole einer
Magnetfelderzeugungseinrichtung 7 insgesamt bzw. als Vielzahl von Polen verschiedener Magnetfelderzeugungseinrichtungen 7 dienen.
Während in Fig. 3A eine perspektivische teilgeschnittene Darstellung einer Übertragungsvorrichtung 1 wiedergegeben ist, zeigt Fig. 3B einen Querschnitt. Grundsätzlich sind die Ausgestaltungen gemäß Fig. 3A und Fig. 3B identisch aufgebaut. Ein Unterschied besteht
aber darin, dass die Übertragungsvorrichtung 1 in Fig. 3B einen Freihub 45 aufweist, so wie es mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde. Ein solcher Freihub ermöglicht eine zuverlässige Funktion, insbesondere, wenn eine geringe Grundreibung gefordert wird.
In Fig. 3B ist außerdem auch ein Reservoir 24 eingezeichnet, um magnetorheologisches Medium 5 auszugleichen, welches im Betrieb auf Dauer durch die Dichtungen 33 austreten sollte.
Für die Verwendung an Vorrichtungen, die eine Belastungserkennung durchführen, wie z. B. eine Beladungserkennung bei einer Waschmaschine, wird eine sehr geringe Grundkraft benötigt, um die Beladungserkennung realisieren zu können. Für die Beladungserkennung muss sich bei einer Waschmaschine die mittels Federn aufgehängte Trommel - abhängig von der Beladungsmasse - bewegen, wobei ein Sensor den Verfahrweg misst. Zuviel Reibung in den Dämpfern verhindert ein Verfahren der Trommel und damit die Messung. Es ist gelungen, die Grundkraft durch einen Freihub gering zu halten. Dabei wird die Kolbenstange relativ zum Kolben mittels relativ schwacher Feder-/Dämpferelements 42, 43 in der Mitte gehalten. Die Kraft zum Bewegen der Stange 36 ist gering und beträgt kleiner 20N, wenn beide
Komponenten 2 und 3 relativ zueinander stehen. Beim Einschalten eines Magnetfeldes zieht das Magnetfeld die Stange 36 an und fixiert diese, wodurch anschließend die Dämpfung über den MRF Scherspalt adaptiv erzeugt wird.
Ebenfalls kann die Fixierung der Kolbenstange relativ zum Kolben durch einen mechanischen Bolzen, Raste, Tauchspule etc. erfolgen, welche durch die vorhandene Magneteinheit betätigt wird oder über eine eigene Stelleinheit/Magneteinheit verfügt.
Die Kolbenstange 36b besteht vorzugsweise aus einem magnetisch nicht leitendem Material.
Der Teil 36a der Kolbenstange 36 besteht vorzugsweise aus einem magnetisch leitenden Material, kann aber auch aus abwechselnd magnetisch leitendem und magnetisch nicht leitendem Material sein.
Als Feder/Dämpferelement kann eine Feder, eine Gummiteil oder auch ein MRE
(Magnetorheologische Elastomere) eingesetzt werden. Das Feder/Dämpfelement kann auch um einen Sensor erweitert werden (Kraftsensor, Wegsensor).
Die einzelnen Arme 14 bis 16 werden jeweils von Wicklungen 18 elektrischer Spulen 17 umgeben. Dabei sind die elektrischen Spulen 17 derart gewickelt und werden derart angesteuert, dass die Enden 19 benachbarter Arme 14, 15, 16 jeweils alternierend als Nordoder Südpol wirken. Hier im Ausführungsbeispiel ist an dem Ende 19 des Arms 14 ein Nordpol 20 vorgesehen, während an dem benachbarten Arm 15 das Ende als Südpol 21 dient. Zwischen den Enden 19 der Arme 14 und 15 ist hier eine Trenneinheit 35 vorgesehen, die
beispielsweise magnetisch nicht oder nur schlecht leitfähig ist, um einen magnetischen Kurzschluss zwischen den Armen 14 und 15 zu verhindern.
Der Kopplungsspalt 6 kann über seinen Umfang durch Trennelemente 34 in mehrere
Segmente aufgeteilt werden. Das Segment zwischen dem Arm 15 und dem Arm 16 weist hier ebenfalls einen etwa T-förmigen Querschnitt auf, denn eine Nut 28 erstreckt sich in einem zentralen Bereich nach innen hin. Die Nut 28 kann als Druckausgleichseinrichtung 25 dienen. Wenn die beiden Komponenten 2 und 3 relativ zueinander axial gegeneinander bewegt werden, während das Magnetfeld 8 die beiden Komponenten 2 und 3 miteinander koppelt, so wird der Reibbelag 9 bzw. das in dem Kopplungsspalt 6 vorgesehene magnetorheologische Medium 5 insgesamt in Richtung der Relativbewegung mit einer Kraft belastet, die sich auch auf die Dichtung 33 an diesem axialen Ende auswirken kann.
Zur Entlastung kann eine Druckausgleichseinrichtung 25 wie beispielsweise die Nut 28 vorgesehen sein. Möglich ist aber auch eine Druckausgleichseinrichtung 25 in Form eines Kanals 29, der beispielsweise als Bohrung ausgeführt ist und sich parallel zu dem
Kopplungsspalt 6 erstreckt. Der Kanal 29 verbindet ein axiales Ende des Kopplungsspalts 6 mit einem davon beabstandeten Bereich, um somit einen Druckausgleich zu ermöglichen. Die Druckausgleichseinrichtungen 25 führen aber nicht zu einem tatsächlichen Fließen des magnetorheologischen Mediums, sondern im Wesentlichen nur zu einem Druckausgleich, um die Belastung der Dichtungen an den Enden zu verringern oder zu verhindern.
Auf dem Umfang des Kopplungsspalts 6 können verschiedene Trennelemente 34 zur
Unterteilung in verschiedene Umfangssegmente vorgesehen sein. Vorzugsweise werden solche Trennelemente 34 zentral über den Polen eingesetzt, um dort in den Bereichen eines schwachen Magnetfeldes die Kopplung nicht negativ zu beeinflussen.
Der Aufbau ist auch ohne vergossene Spule und somit ohne Nuten 28 oder Kanäle 29 und insbesondere ohne Trennelemente 34 möglich. Das dadurch freiwerdende Volumen kann zumindest zum Teil mit dem magnetorheologischen Medium 5 gefüllt werden.
Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung der inneren Komponente 3 der Kopplungseinrichtung 1 gemäß Fig. 3B oder Fig. 3C. Die Arme 14, 15 und 16 der
Komponente 3 erstrecken sich hier über der vollständigen Länge der Komponente 3. Die Länge 31 der Arme ist bevorzugt größer als ein Durchmesser 32 der Komponente 3.
Insbesondere kann die Länge 31 auch mehr als das Doppelte des Durchmessers 32 der Komponente 3 betragen. Hier sind insgesamt achte Arme 14, 15 und 16 regelmäßig über dem Umfang verteilt angeordnet, wobei die Enden jeweils T-förmig geformt sind. Der Abstand zwischen den seitlichen Enden benachbarter Arme 14, 15 und 16 ist vorzugsweise so bemessen, dass ein Draht einer Wicklung 18 durch den Spalt nach innen einführbar ist.
Möglich ist es, dass die elektrischen Spulen 17 jeweils einzeln angesteuert werden. Möglich ist es auch, dass die Wicklungen 18 an den Armen 14, 15 und 16insgesamt zu einer einzigen elektrischen Spule 17 verschaltet werden. Dabei werden die Pole so miteinander verbunden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wodurch sich eine alternierende Polarität ergibt. Das hat den Vorteil, dass die aus einem Pol austretenden Feldlinien nicht über die Hälfte des Umfangs der äußeren Komponente 2 geleitet werden müssen, sondern eng benachbart wieder durch den Kopplungsspalt nach innen in den nächsten Pol des benachbarten Arms eintreten.
Durch eine solche Gestaltung wird bewerkstelligt, dass der insgesamt sich über den Umfang erstreckende Kopplungsspalt über die Mehrzahl der elektrischen Spulen 17 in verschiedene Segmente aufgeteilt wird.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Kopplungseinrichtung 1 gemäß Fig. 3B oder Fig. 3C, wobei Magnetfeldlinien beispielhaft eingezeichnet sind.
Deutlich erkennbar ist, dass die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes 8 an den einzelnen Armen 14, 15 jeweils radial austreten. Die Feldlinien auf einer Seite eines T-förmigen Pols werden zu dem benachbarten Arm geleitet, während die Feldlinie auf der anderen Seite des T-förmigen Pols zu dem Arm auf der anderen Seite weitergeleitet werden. Dadurch, dass an den Enden benachbarter Arme 14, 15 jeweils alternierend ein Nord- oder ein Südpol 20, 21 vorgesehen ist, verlaufen die Feldlinien immer nur ein relativ kurzes Stück durch den Ring 39 der äußeren Komponente 2. Dadurch kann abhängig von der Polzahl eine relativ dünne Wandstärke der äußeren Komponente 2 ermöglicht werden, da der maximale Magnetfluss relativ gering bleibt. Es ist beispielsweise nicht nötig, das Magnetfeld um die halbe innere Komponente 3 herumzuleiten. In den Bereichen mit geringer Magnetfelddichte können Trennelemente 34 vorgesehen sein.
Fig. 6 zeigt eine stark schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Waschmaschine 50, die über eine Steuerungseinrichtung 51 verfügt und mit einer Bedieneinheit 52 bedient wird.
Die Waschtrommel 53 ist so aufgehängt, dass sie Schwingungen ausüben kann. Zur
Dämpfung der Schwingungen sind hier zwei Übertragungsvorrichtungen 1 und zwei
Federeinrichtungen 12 vorgesehen, ohne auf diese Anzahlen beschränkt zu sein. Durch die erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtungen 1 ist eine einfache, effektive und kostengünstige Dämpfung von Schwingungen der Waschtrommel 53 möglich.
In ähnlicher Weise kann auch eine Prothese 60 mit einer Übertragungseinrichtung 1 versehen sein, die als Dämpfer 40 wirkt, wie in Figur 7 dargestellt. Dabei ist es möglich, dass sowohl das Kniegelenk mit einer Übertragungsvorrichtung 1 als auch das Fußgelenk mit einer als Dämpfer 40 wirkenden Übertragungsvorrichtung 1 ausgerüstet ist.
Ein weiterer Anwendungsbereich einer erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung liegt in der Robotik, wo die Erweiterung von bewegten Systemen durch ein steuerbares dämpfendes Element besonders vorteilhaft ist. Beispielsweise erlaubt eine Übertragungsvorrichtung 1 seriell oder parallel zum Antrieb eine höhere Geschwindigkeit, da auftretende Lastspitzen verringert werden und der Antriebsstrang leichter ausgelegt werden kann. So kann zum Beispiel die Kraft auf ein Bein eines Laufroboters beim Auftreten deutlich reduziert werden und die Dämpfung gezielt auf die jeweilige Situation (Geschwindigkeit, Untergrund ...) ange- passt werden. Gegenüber klassischen Feder-Dämpfer Systemen wird aber nicht mehr „Weichheit" und Instabilität in den Antrieb gebracht als die jeweilige Situation erfordert.
In allen Fällen ist es möglich, dass wenigstens ein Sensor vorgesehen ist, um die
Übertragungsvorrichtung mit Sensorsignalen einer Sensoreinrichtung über eine
Steuereinrichtung zu steuern oder zu regeln. Mögliche Sensoren sind, ohne darauf beschränkt zu sein: Wegsensor, Kraftsensor, Beschleunigungssensor, 3D Sensor.
Wenigstens ein Kern kann mehrlagig ausgeführt sein oder als laminierter Schichtenaufbau ausgeführt sein, um Wirbelstromeffekte in dem Kern zu reduzieren.
Insbesondere bei einer Übertragungsvorrichtung 1 mit einem Aufbau wie in Fig. 3A, 3B oder 3C wird eine vorteilhafte Ausgestaltung erzielt. Der Magnetfluss, der dort an einem Pol austritt, wird über den Außenring 39 in beide Richtungen weitergeleitet und tritt an den benachbarten Polen der benachbarten Arme wieder ein. Ein erheblicher Vorteil bei diesen Ausgestaltungen ist, dass der Pol praktisch beliebig lang ausgeführt sein kann. Die Länge eines Pols ist nicht auf die Länge 31 der abgebildeten Arme 14, 15 beschränkt, sondern kann mit den Armen 14, 15 zusammen grundsätzlich beliebig lang ausgeführt sein.
Dadurch, dass der gesamte magnetische Fluss nicht durch einen zentralen Bereich
durchgeleitet werden muss, kann die Fläche eines Kopplungsspalts 6 über dessen Länge beliebig skaliert werden.
Der magnetische Kreis wird vorzugsweise in der Querschnittsfläche geschlossen und damit senkrecht zu der Bewegungsrichtung der beiden Komponenten zueinander. Durch den Einsatz von mehreren Armen mit alternierend ausgerichteten Polen kann jeweils ein kurzer magnetischer Kreis realisiert werden. Dadurch wird das System besser skalierbar und kann auch miniaturisiert werden.
Zentral kann der Kern eine Bohrung haben, um beispielsweise eine Stange oder Kolbenstange anzuschließen. Da das Magnetfeld vorzugsweise in radial äußeren Bereichen wirkt, stört die Stange das Magnetfeld wenig.
Es ist ein einfacher Aufbau aus Stanzblechen oder dergleichen möglich, bei denen immer
gleiche Teile verwendet werden. Dadurch können Wirbelströme bei schnellen Feldänderungen verringert werden, was zu schnelleren Schaltzeiten und geringeren Verlusten fuhrt. Es ist möglich, bei bestimmten Polen Sonderfunktionen vorzusehen. So kann beispielsweise bei jedem zweiten Pol ein Dauermagnet vorgesehen sein, um eine gewisse Grundkopplung zur Verfügung zu stellen. Möglich ist es auch, mehrere kleinere magnetische Abschnitte entlang der Bewegungsrichtung hintereinander anzuordnen. In allen Ausgestaltungen kann
beispielsweise bei zylindrischen Ausbildungen das Äußenrohr dünner ausgestaltet werden, als das im Stand der Technik der Fall war. Möglich ist es aber auch, dass beispielsweise die Magnetfelderzeugungseinrichtungen 7 an der äußeren Komponente 2 vorgesehen sind. Dann ist es beispielsweise möglich, dass einzelne elektrische Spulen 17 an radial nach innen stehenden Armen 14, 15 vorgesehen sind.
Eine magnetorheologische Übertragungsvorrichtung kann auch für den Einsatz einer magnetorheologischen Flüssigkeit vorgesehen sein, wie beispielsweise das Produkt „Basonetic" der Firma BASF.
Die rheologische Flüssigkeit kann aus verschiedensten Bestandteilen bestehen, welche einzeln oder in Kombination sein können: Fe, Kohlenstoffstahl, NdFeB (Neodymium), Alnico, Samarium, Cobalt, Silizium, Kohlefaser, rostfreier Stahl, Polymere, Sodalime glass,
Kalknatronglas, Keramic und nicht magnetische Metalle und dergleichen mehr. Dimorphische magnetorheologische Flüssigkeiten mit Nanotubes oder/und Nanowires sind auch möglich.
Die Trägerflüssigkeit kann insbesondere aus den folgenden Bestandteilen oder einer
Kombination daraus bestehen: Öle und vorzugsweise synthetische oder nicht synthetische Öle, Hydrauliköl, Glycol, Wasser, Fette und dergleichen mehr.
Bezugszeichenliste:
1 Übertragungsvorrichtung 36a magnetisch leitender Teil
2 Komponente 36b magnetisch nicht leitender Teil
3 Komponente 37 Permanentmagnet
4 zentrale Achse 38 Kern
5 magnetorheologisches Medium 39 Ring
6 Kopplungsspalt 40 Dämpfer
7 Magnetfelderzeugungseinrichtung 41 Anschlag
8 Magnetfeld 42 Anschlag
9 Reibbelag 43 Federelement
10 Bewegungsrichtung 44 Federelement
1 1 Querschnitt 45 Freihub
12 Federeinrichtung 46 Sensor
13 Auslenkung 50 Waschmaschine
14 Arm 51 Steuerung
15 Arm 52 Bedieneinheit
16 Arm 53 Waschtrommel
17 elektrische Spule 60 Beinprothese
18 Wicklung
19 Ende
20 Pol
21 Pol
22 axiales Ende
23 axiales Ende
24 Reservoir
25 Druckausgleichseinrichtung
26 Umgebung
27 Dauermagnet
28 Nut
29 Kanal
30 translatorische Richtung
31 Länge
32 Durchmesser
33 Dichtung
34 Trennelement
35 Trenneinheit
36 Stange
Claims
1. Übertragungsvorrichtung (1) mit wenigstens zwei koppelbaren Komponenten (2, 3), die sich zueinander translatorisch bewegen, wobei sich zwischen den Komponenten (2, 3) wenigstens ein Kopplungsspalt (5) zwischen einem ersten und einem zweiten Ende (22, 23) erstreckt, wobei der Kopplungsspalt (6) mit einem magnetorheologischen Medium
(5) versehen ist, wobei wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (7) zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfeldes (8) in wenigstens einem Teil des
Kopplungsspalts (6) vorgesehen ist, um eine Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten (2, 3) zu beeinflussen, wobei der Kopplungsspalt (6) derart ausgestaltet und in translatorischer Richtung (30) an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende (22, 23) nach außen abgedichtet ist, dass das magnetorheologische Medium (5) unabhängig von einer Kopplung zwischen den koppelbaren Komponenten (2, 3) als eine Art steuerbarer Reibbelag (9) in dem Kopplungsspalt (6) verbleibt, um entsprechend dem in dem Kopplungsspalt (6) anliegenden Magnetfeld (8) die Kopplung über Scherkräfte zwischen den koppelbaren Komponenten (2, 3) zu beeinflussen,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an wenigstens teilweise radial
verlaufenden Armen (14, 15, 16) an wenigstens einer der Komponenten (2, 3) vorgesehen ist, von denen wenigstens ein Teil der Arme (14, 15) mit jeweils wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (7) ausgerüstet ist, wobei jede
Magnetfelderzeugungseinrichtung (7) wenigstens eine elektrische Spule (17) mit wenigstens einer Wicklung (18) umfasst, und sich die Wicklung (18) jeweils vollständig neben der zentralen Achse (4) und beabstandet von der zentralen Achse (4) erstreckt, wobei an den benachbarten Enden (19) benachbarter Arme (14, 15) wenigstens einer Komponente (2, 3) unterschiedliche Pole (20, 21) der
Magnetfelderzeugungseinrichtungen (7) vorgesehen sind, und dass der Kopplungsspalt
(6) mit wenigstens einem Reservoir (24) an magnetorheologischen Medium (5) verbunden ist.
2. Übertragungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei von den koppelbaren
Komponenten (2, 3) wenigstens eine Komponente (3) als äußere Komponente (3) und eine andere Komponente (2) als innere Komponente (2) wenigstens teilweise umgibt.
3. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Federeinrichtung (12) vorgesehen ist, um eine Gegenkraft aufzubauen, wenn eine Auslenkung (13) der beiden Komponenten in wenigstens eine Richtung erfolgt.
4. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine
Komponente (3) an einem Koppelungsteil (36) aufgenommen ist und mit einem Freihub (45) gegenüber dem Koppelungsteil (36) bewegbar ist.
5. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine
Mehrzahl an Kopplungsspalten (6) vorgesehen ist, welche über dem Umfang der Komponente verteilt angeordnet sind.
6. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
magnetorheologische Medium (5) in dem Kopplungsspalt (6) in einem Ruhezustand im Wesentlichen unter Umgebungsdruck oder leichtem Überdruck steht.
7. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Kopplungsspalt (6) wenigstens eine Druckausgleichseinrichtung (25) aufweist.
8. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Druckausgleichseinrichtung (25) wenigstens eine Nut (28) entlang des Kopplungsspalts (6) aufweist.
9. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Druckausgleichseinrichtung (25) wenigstens einen Kanal (29) aufweist, der eine Ende (22) des Kopplungsspalts (6) mit dem anderen Ende (23) des Kopplungsspalts (6) verbindet.
10. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (7) einen Dauermagneten (27) aufweist.
11. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Magnetfeld des Dauermagneten (27) über die zugeordnete elektrische Spule (1) beeinflusst wird und insbesondere kontinuierlich variiert und/oder über kurze Impulse
der elektrischen Spule (17) dauerhaft verändert wird.
12. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Länge (31) der inneren Komponente größer als ihr Durchmesser (32) ist.
13. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzliche Dichtungen, Abstreifringe und Führungen die lineare Relativbewegung zweier
Komponenten (2, 3) ermöglichen.
14. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
magnetorheologische Medium (6) eine Suspension von ferromagnetischen Partikeln in einem Medium (6) wie beispielsweise Öl, Glykol oder Fett ist und/oder wobei das Medium (6) Stabilisatoren beinhaltet.
15. Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen
Dämpfer (40) für eine Waschmaschine (50), einen Wäschetrockner, eine Prothese (60), ein Exoskelett, einen Robotor, ein motorbetriebenes Zweirad.
16. Vorrichtung und insbesondere Waschmaschine (50) mit wenigstens einer
Übertragungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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