Einrichtung zum mindestens teilweisen mechanischen Kuppeln mindestens zweier beweglicher Glieder Bekannte Einrichtungen zum mechanischen Kup peln zweier beweglicher Glieder, wie beispielsweise Bremsen, Kupplungen, Spannwerkzeuge, Flüs.sig- keitsübertragungs,systeme und dergleichen, verwenden den sogenannten Winslow-Effekt, d. h. eine Ver steifung oder die Zunahme des Scherwiderstands einer dünnen Schicht oder eines Filmes einer vis kosen Flüssigkeit, wenn diese Schicht oder dieser Film einem elektrischen Feld unterworfen wird.
In solchen Vorrichtungen ist die Flüssigkeitsschicht zwi schen Oberflächen eingeschlossen, denen ein elek trisches Potential aufgedrückt wird, um so die Flüs sigkeit zu versteifen oder zu verfestigen und sie mit den Begrenzungsoberflächen zu verbinden, wodurch der Flüssigkeitsstrom oder die übertragene Kraft bzw. das übertragene Drehmoment eingestellt und gesteuert werden kann.
Die Erfindung bezieht sich nun auf eine Ein richtung zum mindestens teilweisen mechanischen Kuppeln von mindestens zwei relativ zueinander beweglichen Gliedern und ist dadurch gekennzeich net, dass die Teile mindestens je einen elektrischen Leiter aufweisen, die einander gegenüberliegen und gegeneinander isoliert sind, und dass zwischen den Leitern eine Lage aus nichtleitendem dielektrischem Material und ferner zwischen der letzteren Lage und einem Leiter in Berührung mit beiden eine Schicht aus einer elektroviskosen Flüssigkeit angeordnet ist, derart, dass bei Anlegen einer sich ändernden Span nung an die Leiter mindestens eines Gliedes die elektroviskose Schicht sich verfestigt und die beiden Glieder kuppelt.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt; es zeigen: Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel in Form eines elektrischen Spannwerkzeugs, das gemäss der Er findung gebaut ist, wobei gleichzeitig das Schalt diagramm dargestellt ist, Fig. 2 einen Teilschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1 in grösserem Massstab als diese, Fig. 3 einen Schnitt entsprechend Fig. 2 durch eine Variante der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2,
Fig. 4 einen Schnitt nach Linie 4-4 der Fig. 1 in grösserem Massstab als diese, .zig. 5 eine schematische Darstellung der Aus bildung des elektrischen Feldes, Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein zweites Aus führungsbeispiel in Form einer elektrischen Bremse, Fig. 7 einen Schnitt nach Linie 7-7 der Fig. 6, Fig.8 eine schaubildliche Ansicht von Teilen der Bremse, Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Flüs- sigkeitsübergabesystems mit einem Ventil,
das ge mäss einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfin dung gebaut ist, Fig.10 einen Schnitt nach Linie 10-10 der Fig. 9, Fig.ll einen Schnitt nach Linie 11-11 der Fig. 10, Fig.12 einen Schnitt nach Linie 12-12 der Fig. 10, Fig. 13 eine schematische Ansicht der Wellen form des Erregerstromes.
In den bekannten Vorrichtungen, bei denen der Winslow-Effekt verwendet wird, war der Film einer elektroviskosen Flüssigkeit halbleitend, und das elek trische Erregerpotential wurde unmittelbar an die entgegengesetzten Oberflächen des Filmes angelegt, so dass die Versteifung der Flüssigkeit durch einen tatsächlichen Stromfluss durch den Film erzielt wurde. Dieses Verfahren kann nur bei dünnen Filmen von üblicherweise 0,025-0,50 mm verwendet werden, und ferner muss die Spannung auf einen Wert be grenzt werden, der keinen Durchbruch oder ein ungünstiges Erwärmen der Flüssigkeit ergibt.
Diese Erfordernisse haben bisher die praktische Verwen dung derartiger Vorrichtungen begrenzt.
Es wurde nun gefunden, dass die tatsächliche Stromführung zum Erzielen der Versteifung dtr Flüssigkeit durch die elektroviskose Flüssigkeit nicht notwendig ist und dass die Flüssigkeit auch auf die sogenannten Verschiebungsströme ansprechen kann, wie sie beispielsweise im Dielektrikum eines elek trischen Kondensators erzeugt werden, wenn dieser durch eine Wechselspannung erregt wird.
Gemäss der Erfindung ist daher vorgesehen, eine Schicht aus einem festen dielektrischen Material zwischen mindestens einer Elektrode und dem elektroviskosen Film derart anzuordnen, dass die sich ergebende Zwischenschicht der Flüssigkeit zusammen mit den festen Schichten einen mehrteiligen, elektrischen Kondensator bildet, der auch extrem hohe Span nungen aushalten kann.
Die so charakterisierte Erfindung kann in vielen unterschiedlichen Vorrichtungen und Flüssigkeits systemen verwendet werden, wie beispielsweise einem Spannfutter gemäss den Fig. 1-4 der Zeichnung, um ein Werkstück während der Bearbeitung oder einer sonstigen Operation festzuhalten, ferner in einer Bremse gemäss den Fig. 5-7, um ein Verzögerungs drehmoment auszuüben, und ferner in einem Ventil gemäss den Fig. 8-10, um den Flüssigkeitsstrom in einem Flüssigkeitsübertragungssystem zu steuern.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele be schränkt, sondern umfasst auch alle sonstigen Kon struktionen, Abwandlungen und Verwendungen, wie sie unter den Schutzbereich der Ansprüche fallen.
Viele unterschiedliche Flüssigkeiten sind elek troviskos und werden erheblich versteift und wirksam mit den Begrenzungsflächen verbunden, wenn ein elektrisches Potential an den entgegengesetzten Seiten einer solchen Flüssigkeitsschicht so aufgedrückt wird, dafss innerhalb der Schicht ein elektrisches Feld er zeugt wird. Unter den so verwendbaren Flüssigkeiten gemäss der Erfindung sei auf die Beispiele C und D des USA-Patents Nr. 2<B>661825</B> verwiesen.
In a11 den zuletzt genannten Beispielen ist eine Mischung von vier Klassen von Bestandteilen vorhanden, näm lich: (1) ein elektrisch stabiler, niedrig dielektrischer öl- artiger Träger von geeigneter Viskosität, (2) fein verteilte und nicht leitende Festbestandteile von einem durchschnittlichen Durchmesser zwi schen 0,1 bis 5 Mikron, die die Fähigkeit be sitzen, eine beträchtliche Menge einer Substanz, wie beispielsweise Wasser oder Alkohol, zu ab sorbieren, (3) ein organisches, oberflächenaktives, dispergieren- des Agens und (4)
Wasser oder eine Mischung von Wasser und so einem wassermischbaren Alkohol oder eine an dere Hydroxydverbindung.
Als typisch für eine dieser geeigneten Flüssig keiten sei auf folgende hingewiesen:
EMI0002.0022
Gewichts
<tb> Alkaterge <SEP> T <SEP> (1) <SEP> 7,80
<tb> Technisch <SEP> weisses <SEP> Mineralöl <SEP> (2) <SEP> 26,30
<tb> Sorbitansesquioleat <SEP> 4,04
<tb> Natriumstearat <SEP> 0,25
<tb> Silicagel <SEP> (3) <SEP> 50,60
<tb> Natriumhydroxyd <SEP> (1 <SEP> n <SEP> Lösung) <SEP> 4,70
<tb> Amin <SEP> 220 <SEP> (4) <SEP> 1,29
<tb> Coolanol <SEP> 45 <SEP> (5) <SEP> <U>5,02</U>
<tb> 100 (1) Ein Gemisch im Verhältnis von 2:1 von 4,4-Bis-hydroxymethyl y 2=:
heptadecenyl-2-oxazo- lin und Oleylamido triäthanolmethan - ein Pro dukt der Commercial Solvents Co.
(2) Viskosität von 40-50 Saybolt-Sek. bei einer Temperatur von 38 C.
(3) Besonderer Entwässerungsgrad - durchschnitt licher Durchmesser ungefähr 1 Mikron. David- son Chemical Co. SMR-55-6826.
(4) Vorwiegend (etwa 90 %) 1-Hydroxyäthyl-2-hepta- decenyl-imidazolin. Die restlichen 10 % enthalten Ölsäureamid und N-Aminoäthyl Äthanolamin. Ein Produkt, das von der Union Carbide ver trieben wird.
(5) Ein Kieselsäureester auf der Basis einer dielek- trischen Kühlflüssigkeit, der durch Monsanto Chemical Co. zu beziehen ist.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein elektroviskoses Gemisch, das Wasser nicht als Bestandteil einschliesst, zu verwenden.
Nachfolgend ist ein Beispiel für eine solche Flüssizkeit angeführt:
EMI0002.0049
Gewichts
<tb> Neutrales <SEP> Motorenöl <SEP> (Viskosität <SEP> 90) <SEP> 30,5
<tb> Glycerinmonooleat <SEP> 5,5
<tb> Amin <SEP> 220 <SEP> 10,0
<tb> Äthylenglykol <SEP> 4,0
<tb> Silicagel <SEP> (Grösse <SEP> 1 <SEP> Mikron) <SEP> 50,0 Es hat sich gezeigt, dass in der erfindungsgemässen Vorrichtung bestimmte einzelne Flüssigkeitskompo nente den elektroviskosen Film bilden können. Ein Beispiel für solch eine Flüssigkeit ist 11-BIS, das die Cow Chemical Company herstellt und das X- Chlorphenyläthan enthält.
In dem Futter gemäss Fig. 1-5 ist ein Werkstück 10 mit einer im wesentlichen ebenen Bodenfläche 11 aus leitendem Material auf einer festen Halterfläche 12 eines geeigneten Halters 13 mit Hilfe einer Lage oder eines relativ dünnen Filmes 14 einer geeigneten, elektroviskosen Flüssigkeit der oben erwähnten Art gehalten. Der Halter kann auf einen Arbeitstisch oder einen sonstigen Träger 9 beispielsweise mit Hilfe von Schrauben befestigt werden, die an den Vor sprüngen 15 des Futters angebracht sind.
Falls das Werkstück aus nichtleitendem Material, wie bei spielsweise aus keramischem Material, Kunststoff, Glas, Holz usw., mit einer relativ niedrigen dielek- trischen Konstante besteht, so wird die Oberfläche 11 mit Metall bedampft oder sonstwie mit einem leitenden Film überzogen, beispielsweise durch Auf bringen einer metallischen Farbe. Werkstücke, die aus nichtmetallischem Material mit einer hohen dielektrischen Konstante bestehen, d. h. mit einer solchen, die höher als 10 ist, können auch ohne vorheriges Überziehen gehalten werden.
Das zur Erzeugung des elektrischen Feldes im Flüssigkeitsfilm 14 erforderliche Potential wird an die Elektroden 16, 17 und 18 angelegt, die im Halter 13 in gleichmässigem Abstand, üblicherweise un gefähr 2,5 mm unterhalb der oberen Halterfläche 12, eingebettet sind. Im vorliegenden Beispiel weisen die einzelnen Elektroden jeweils einen dünnen Me tallstreifen, wie beispielsweise eine Silberfolie, auf, der gegen eine relativ dünne Schicht 19 aus nicht leitendem oder halbleitendem Material anliegt und vorzugsweise mit diesem verbunden ist. Dieses Mate rial ist in den Halter eingesetzt, und seine Ober fläche bildet einen Teil der Halterfläche 12.
In den Fig. 1 und 2 ist die Schicht 19 aus getrennten Leisten gebildet, die in seitlichem Abstand von einander angeordnet sind, wobei die Elektroden streifen die Bodenflächen dieser Leisten abdecken und während die oberen Stirnflächen bündig mit einander sind und in der Halterfläche 12 liegen. Dieser Zustand wird durch einen starren Körper aus nichtleitendem Material, wie beispielsweise Kunst stoff 20, vorzugsweise durch Eingiessen und Um giessen der Elektrodenleisten aufrechtgehalten, nach dem an den letzteren Leiter 21, 22 und 23 befestigt sind, wobei die Leisten in der gewünschten Lage innerhalb des umschliessenden Gehäuses 24 gehal ten werden.
Das letztere kann aus Stahl bestehen, an das Vorsprünge 15 angeschweisst oder sonstwie befestigt sind. Der Kunststoff 20 ist vorzugsweise eine sogenannte Giessmasse, wie beispielsweise ein Epoxyharz, das in kaltem Zustand gegossen werden kann. In der Ausführungsform nach Fig. 3 kann die Schicht 19 eine ununterbrochene Platte sein, mit deren Boden die Elektroden 16, 17 und 18 in richtigem Abstand durch an sich bekannte Verfahren verbunden sind, wie sie beispielsweise bei gedruckten Schaltungen verwendet werden. Auch hier wird die Platte durch den gegossenen Körper 20 eines starren Kunststoffes von rückwärts gehalten.
In beiden Bei spielen ist der Kunststoff unterhalb der Elektroden und der Leiter 21-23 von einer ausreichenden Stärke, um diese Teile genügend gegenüber einem Werkstücktisch oder einem anderen. metallischen Träger zu isolieren, an dem das Spannfutter bei Gebrauch befestigt werden kann.
Die Elektroden entsprechen in ihrer Grösse der Grösse der einzuspannenden Werkstücke, und ihre Zahl ist vorzugsweise so, dass eine Fläche ge schaffen wird, die grösser als der Boden des Werk stückes ist. Für bestimmte Werkstückformen können die Elektroden auch eine andere Gestalt, wie bei spielsweise die Gestalt von konzentrischen Ringen, annehmen.
Wie oben erwähnt, ist die Verwendung einer hohen Spannung, beispielsweise von 2000 Volt, zur Erzeugung eines starken, elektrischen Feldes im flüs sigen Film 14 dadurch möglich, dass eine Lage aus starrem, dielektrischem Material zwischen minde stens einer Seite des Filmes und den Elektroden eingefügt wird, so dass nun zusammen mit dem Film ein mehrteiliger, elektrischer Kondensator ge schaffen wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden die Leisten 19 (Fig. 1 und 2) oder die Platte 19 (Fig.3) die dielektrische Lage.
Zwar können verschiedenartige, dielektrische Materialien verwen det werden, doch ergibt sich eine optimale Span nung an dem Film durch Verwendung eines Mate rials mit einer hohen dielektrischen Konstante, d. h. einer Konstante von mehr als 10 (bei<B>25'</B> C gemes sen), relativ zu der dielektrischen Konstante der elektroviskosen Flüssigkeit, die üblicherweise un gefähr 5 oder kleiner ist.
Unter den besten zurzeit verfügbaren Materialien befindet sich ein gebrannter, keramischer Körper, der unter dem Handelsnamen BT-15 von dem Her steller, nämlich der Fa. Arnold Engineering Com- pany of Marengo/Illinois, USA, auf den Markt ge bracht wird und nach dessen Angaben aus einer polykristallinen Form von Bariumtitanat mit unter- schiedlichen Mengen von Blei und Kalziumtitanat und Kobaltoxyd hergestellt wird.
Ein ähnliches Mate rial, das unter dem Handelsnamen D-51 bekannt ist und von der Firma Central Lab Company of Milwaukee geliefert wird, besteht aus Bariumtitanat mit Strontiumtitanat und Ferritoxyd-Zusätzen. Dieses Material hat eine dielektrische Konstante von 5500 bis 6500 und eine geschätzte dielektrische Stärke von 35-40 Volt pro 0,025 mm Stärke.
Zusätzlich zu ihrer hohen dielektrischen Kon stante sollte die dielektrische Stärke der Schicht 19 so hoch als möglich sein, um so der aus Flüssigkeit und Festkörpern bestehenden Mehrschichtenordnung den gewünschten hohen Widerstand gegen einen Durchschlag bei der angelegten Spannung auch dann zu geben, wenn die Schicht verhältnismässig dünn ist. Zufriedenstellende Ergebnisse wurden bei den oben beschriebenen Materialien erzielt, wenn die Schicht 2,5 mm dick ist.
Der Flüssigkeitsfilm 14 und die diel'ektrische Schicht 19, die, wie oben beschrieben, zwischen den Elektroden und der leitenden Bodenfläche 11 des Werkstückes eingeschlossen ist, bilden in Wirklich- keit zwei Kondensatoren, die in Reihe miteinander verbunden sind. In dieser Anordnung sind die so genannten Verschiebungsströme im Film für einen bestimmten Wert der angelegten Wechselspannung direkt proportional der Frequenz dieser Spannung und der Kapazität des Systems. Es ist deshalb er wünscht, eine elektroviskose Flüssigkeit auszuwäh len, die die höchste verfügbare dielektrische Kon stante und eine minimale Stärke aufweist.
Die letztere wird im Falle eines Spannfutters durch das Mass der Flachheit der Bodenfläche 11 des Werkstückes bestimmt, um so ein vollständiges Abdecken der Werkstücke und der Halterflächen an allen Punkten dieser gegenüberliegenden Flächen sicherzustellen.
Wenn, wie in dem oben beschriebenen Spann futter, alle Elektroden in einem der durch die vis kosen Flüssigkeit zu kuppelnden Glieder angeordnet sind, so bilden der Flüssigkeitsfilm und die dielek- trische Schicht zwei Gruppen von in Reihe an geordneten Kondensatoren, und zwar eine Gruppe zwischen der leitenden Bodenfläche 11 des Werk stückes und einer Elektrode der einen Polarität und die andere Gruppe zwischen dieser Bodenfläche und einer Elektrode der entgegengesetzten Polarität.
Die Arbeitsstückoberfläche dient daher nicht nur als die eine Platte eines der Kondensatoren jeder Gruppe, sondern auch als ein Leiter, um die Gruppen von Kondensatoren in Reihe miteinander zu verbinden.
Das elektrische Feld, das durch entgegengesetzte Polarisierung von benachbarten Elektroden erzeugt wird, ist dann, wie in Fig. 5 dargestellt, räumlich ver teilt. Dies bedeutet, dass die durch die angelegte Wechselspannung erzeugten Verschiebungsströme im ganzen Bereich der Elektroden und der benachbarten, fluchtenden Bereiche der dielektrischen Schicht 19 und des Filmes 14 vorhanden sind, wobei die zuletzt genannten Bereiche durch die Arbeitsstückoberfläche, wie durch die Linien 26 dargestellt, überbrückt wer den.
Ein Nebenschluss des elektrischen Feldes zwi schen den Leistenkanten ohne Durchdringen des Flüssigkeitsfilms kann dadurch herabgesetzt werden, dass die Leisten, wie in Fig. 2 dargestellt, im Abstand voneinander angeordnet werden.
Um die Änderung der Kraft oder des über tragenen Drehmoments während des Wechsels der Erregerspannung herabzusetzen, wird gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung der Film 14 durch eine Mehrphasenspannung erregt, deren Phasen, und zwar in dem vorliegenden Beispiel drei, an die drei Elektroden 16, 17 und 18 angelegt werden, die, wie in Fig. 2 dargestellt, in Gruppen entsprechend den jeweiligen Bezeichnungen der verschiedenen Elektroden angeordnet sind, wobei die aufeinander folgenden Gruppen entlang der Halterfläche 12 im Abstand voneinander vorgesehen sind.
Das an den betreffenden Elektroden liegende Potential ändert sich damit gemäss den üblichen Wellenformen <I>a, b</I> und c, wie sie in Fig. 13 dargestellt sind. Diese Kur ven schneiden einander an aufeinanderfolgenden Punkten 27 von positivem Potential und an Punkten 28 von negativem Potential. Hierdurch kann der Potentialgradient beispielsweise zwischen den beiden Elektroden 16 und 17 an einem ihrer Punkte auf Null abfallen, jedoch ist dann der Gradient zwischen den anderen Paaren von Elektroden 16, 18 und 17, 18 gleich mit 30. Damit wirkt das elektrische Feld so, dass die Flüssigkeit des Filmes 14 ständig erregt und versteift wird, obwohl eine Wechsel spannung angelegt wird und sich die Spannung in jeder Phase ändert.
Dadurch wird die gewünschte Haltekraft :ständig auf das Werkstück ausgeübt. Die verschiedenen Phasen der Mehrphasenspannung wer den den drei Gruppen von Elektroden 16, 17 und 18 über isolierte Leiter 21 bis 23 zugeführt, die sich bis in das Spannfutter, d. h. den Halter, über geeig nete wasserdichte Anschlüsse hinein erstrecken.
Zwar kann der gewünschte Mehrphasenstrom von irgendeiner geeigneten Stromquelle, beispiels weise einem normalen Wechselstromerzeuger, erhal ten werden, doch kann eine geeignetere Stromquelle zur Verwendung bei einem Spannfutter in einer normalen Werkstatt in günstigerer Weise mit Hilfe einer üblichen, einphasigen Zufuhrleitung 30 durch einen Konverter der in Fig. 1 angedeuteten Art er halten werden.
Die Einphasenspannung eines Auto- Transformators 31 ist in ihrer Grösse durch einen Schieber 32 einstellbar und wird einem die Span nung erhöhenden Transformator 33 zugeführt, wenn der Schalter S geschlossen wird. Die Ausgangs leistung wird parallelen RC-Phasenverschiebungs- Stromkreisen aufgedrückt, die einen ersten Wider stand 34, einen Kondensator 35, einen zweiten Widerstand 36 und einen Kondensator 37 aufweisen, die beide umgekehrt miteinander verbunden sind, um so eine voreilende und eine zweite nacheilende Phase an den Ausgangsleitungen 21, 22 und 23 zu schaffen.
Diese einfache Art eines Konverters kann im vorliegenden Beispiel deswegen verwendet wer den, weil die Erzeugung des gewünschten elektrischen Feldes innerhalb des elektroviskosen Filmes keinen tatsächlichen Stromfluss oder eine Stromführung durch den elektroviskosen Film 14 erfordert, son dern lediglich die sogenannten Verschiebungsströme verwendet werden, die durch das Wechselstrom potential, wie oben beschrieben, erzeugt werden.
Mit dem oben beschriebenen und entsprechend dimensionierten Spannfutter ist es nun möglich, den Scherwiderstand der Filmmischung auf ungefähr 20 Pfund pro Quadratzoll zu erhöhen. Zusätzlich sind alle Elektroden wirksam gegen das Arbeitsstück und gegen den Arbeitstisch isoliert.
Die Elektroden 16, 17 und 18 sind im gleichen Abstand von der leitenden Bodenfläche 11 des Arbeitsstückes angeordnet und sind bei Gebrauch auch im gleichen Abstand vom Träger 9 auf dem Spannfutter montiert. Damit ergibt sich zwischen der Bodenfläche 11 und den einzelnen Paaren der Elektroden eine gleiche kapazitive Kopplung. Eine ähnliche ausgeglichene Kopplung besteht zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren und einem tragenden metallischen Gestell. Diese vier Kopplungen bilden einen symmetrischen Brückenkreis für jede Phase des Erregerpotentials. Das Maschinengestell und das Werkstück 10 sind daher immer auf dem gleichen Potential und auf einem Null-Potential relativ zu einander.
Hierdurch ergibt sich eine absolute Sicher heit für die Bedienungsperson trotz der hohen Erre gerspannungen, wie ,sie hier verwendet werden.
Die dielektrische Schicht 19, die mit dem elek troviskosen Film wie oben beschrieben zusammen wirkt, kann auch mit Vorteil in Drehmomentüber- tragungskupplungen verschiedener Art verwendet werden, und in den Fig. 6-8 ist ein typisches Beispiel in Form einer Bremse dargestellt. Hier sind die Elektroden 41, 42 und 43 in Form von dünnen Metallscheiben in Scheiben 44, 45 und 46 aus ge branntem, keramischem Material wie oben beschrie ben eingebettet, wobei jede einzelne mehrteilige Scheibe ein Paar von radialen, vorstehenden, mit parallelen Flanken versehenen Zähnen 47 hat, die genau in nach innen sich öffnende Nuten 48 einer zylindrischen Hülse 49 aus starrem Isoliermaterial passen.
Die Hülse ist durch Schrauben 53 zwischen im axialen Abstand angeordneten Kopfstücken 50 festgespannt, die ebenfalls aus Isoliermaterial be stehen und mit einem stationären Träger 57 ver schraubt sind, der die Lager 51a trägt, in denen eine Welle 58 drehbar gelagert ist.
Ferner sind in der Hülse 49 zwei zusätzliche Nutenpaare 51 und 52 im Winkelabstand von den Nuten 48 angeordnet, die zur Aufnahme von ähn lichen Zähnen 47 der Scheiben 45 und 46 dienen. Gegen die äusseren Enden von Zähnen 44a, 45a und 46a der Metallscheiben, die innerhalb der Zähne 47 angeordnet sind, liegen metallische Kontaktstreifen 54 55 und 56 an, die am Boden der Nuten 48, 51 und 52 angeordnet sind. Die betreffenden Kontaktstrei fen 54, 55 und 56 sind mit den drei Leitungen 21, 22 und 23 verbunden, die zu einer Dreiphasen-Wechsel- stromquelle der oben erwähnten Art führen.
Zwischen benachbarten Scheiben 44, 45 und 46 sind Metallscheiben 60, 61 und 62 angeordnet, die in Keilkonstruktion mit der Welle 58 gekuppelt sind und entlang der letzteren durch Ringe 63 im Abstand gehalten und so voneinander getrennt sind, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die End- scheiben gegen die Kopfstücke 50 anliegen. Die schmalen, zwischen den rotierenden und festen Schei ben vorhandenen axialen Zwischenräume 65, übli cherweise von der Grössenordnung von 0,010 Zoll, werden mit einer elektroviskosen Flüssigkeit der oben beschriebenen Art gefüllt.
Bei dieser Anordnung wirkt die an beiden Seiten der stationären Scheiben 44-46 angebrachte Schicht eines hochdielektrischen Materials mit dem benach barten Flüssigkeitsfilm 65 zusammen, um so einen mehrteiligen Kondensator zu bilden, der zwischen benachbarten, leitenden Metallscheiben 60-62 und den Scheiben 41-43 gebildet wird, und zwar in ähnlicher Weise, wie dies in Zusammenhang mit dem Spannfutter beschrieben wurde.
Die Scheiben 41-43, die die drei Elektroden bilden, sind mit den ver schiedenen Phasen der Wechselstromquelle verbun den und werden damit entsprechend den in Fig. 13 angegebenen Wellenformen unterschiedlich polari siert. Als Ergebnis wird der Scherwiderstand der scheibenartigen, im Abstand auf der Welle angeord neten Flüssigkeitsfilme erhöht, so dass ein viskoser Zug und ein Verzögerungsdrehmoment auf die Me tallscheiben 60-62 ausgeübt und die Welle angehal ten wird, wenn die Kondensatoren durch Schliessen eines Schalters S erregt werden.
Durch die Anwendung der Erfindung ist es ferner möglich, ein Steuerventil zu bilden, das keine beweglichen Teile aufweist und das den Flüssig keitsstrom in einem Flüssigkeitsübertragungssystem regulieren und unterbrechen kann. Eine solche An wendung der Erfindung ist in den Fig. 9-12 dar gestellt, wo eine Flüssigkeit 70 durch eine motor angetriebene Pumpe 71 unter Druck gesetzt wird. Der Fluss zu einem Kolben- und Zylinder-Servo- aggregat 72 und von diesem weg wird dabei durch ein Ventil 73 gesteuert, das in der Druckleitung 74 angeordnet ist, die zum Servoaggregat führt.
Die Flüssigkeit 70, die das System füllt, kann irgendeine der oben angegebenen elektroviskosen Mischungen sein.
Wie in Fig. 10 dargestellt, weist das Ventil 73 ein rohrförmiges Gehäuse 75 auf, das aus Isolier material besteht und eine zylindrische Innenfläche 76 hat, die konzentrisch mit der äusseren ist und die zylindrische Aussenfläche einer Stange 78 um gibt. Die beiden Oberflächen definieren zwischen sich einen rohrförmigen Raum, üblicherweise von einer Stärke von 0,010 Zoll radialer Dicke, durch den die Flüssigkeit in nicht aktiviertem Zustand frei hindurchfliessen kann.
In dem Beispiel ist die Stange 78, die aus einem leitenden Metall oder aus einem nichtleitenden Mate rial mit einem elektrisch leitenden Mantel oder einem Mantel mit hoher Dielektrizitätskonstante be stehen kann, an ihren entgegengesetzten Enden, den Scheiben 79, gehalten, die in hohlen Anschluss- stücken 74a gehalten sind, die auf die entgegen gesetzten Enden des Ventilgehäuses 75 und die benachbarten Teile der Flüssigkeitsleitung 74 auf geschraubt isind:
Die in den Scheiben angeordneten Durchbrüche 80 gestatten einen freien Durchfluss der Flüssigkeit durch das Ventilgehäuse, wenn die Flüssigkeit keinem elektrischen Feld unterworfen wird.
Die Elektroden, die zur Übermittlung des drei- phasigen Erregerpotentials auf den Flüssigkeitsfilm dienen, haben die Form von Metallringen 81, 82 und 83, die in Nuten 84 sitzen, die axial entlang der Innenfläche des Gehäuses 75 ringförmig an geordnet sind. Innerhalb der Elektrodenringe und in enger Berührung mit diesen sind zylindrische Ringe 85 angeordnet, die aus einem gebrannten, keramischen Material bestehen, das eine hohe dielek- trische Konstante hat. Diese Ringe haben eine radiale Stärke von ungefähr 0,100 Zoll, und ihre Innenflächen sind im wesentlichen bündig mit dem Gehäuseinnern.
Ferner können eine oder mehrere Gruppen von Elektroden 81-83 verwendet werden und die ent sprechenden und hintereinander im Abstand ange ordneten Elektroden der einzelnen Gruppen haben Anschlussstücke, die sich bis nach ausserhalb des Gehäuses erstrecken und an die Leitungen 21-23 einer Dreiphasenstromquelle angeschlossen sind.
Es ergibt sich hieraus, dass die hochdielektrischen Ringe 85 und das aus einer elektroviskosen Flüssigkeit bestehende, durch sie umschlossene Rohr mehrtei lige, elektrische Kondensatoren bilden, in denen ein elektrisches Feld und die gewünschten Verschie bunsströme in der Flüssigkeit erzeugt werden, wenn das' dreiphasige Potential an die Elektroden an gelegt wird. Ähnlich wie bei dem oben erwähnten Spannfutter und der oben erwähnten Bremse wird die Flüssigkeit versteift und praktisch verfestigt, wo durch der Fluss durch das Servoaggregat 72 unter brochen wird.
Durch Einstellen des Schiebers 32 (siehe Fig. 1) und damit des angelegten Potentials kann der Durchfluss reguliert und die Geschwindig keit des Servokolbens in der gewünschten Weise gesteuert werden.
Aus sämtlichen oben beschriebenen Einrichtun gen geht hervor, dass eine Lage einer elektroviskosen Flüssigkeit in Berührung mit einer Materialschicht gebracht wird, die eine hohe dielektrische Konstante besitzt und mit der Flüssigkeit so zusammenwirkt, dass ein elektrischer Kondensator gebildet wird, an den eine Wechselspannung von erheblicher Grösse angelegt werden kann, um so die gewünschten Ver schiebungsströme und ein Versteifen der Flüssigkeits schicht zu erreichen, ohne dass ein leitender Strom fluss eintritt,
der einen Durchschlag oder ein Karbo- lisieren der Flüssigkeit nach sich ziehen könnte. Aus diesem Grund kann ein elektrisches Feld von er heblich grösserer Intensität bei einer bestimmten Stärke des elektroviskosen Filmes erzeugt und dickere oder dünnere Filme verwendet werden, wie dies bei den betreffenden Anwendungen erwünscht ist.
Die Trennung des elektroviskosen Filmes von den Elek troden durch die dielektrische Isolierschicht 19 ver meidet die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden, wie beispielsweise durch ein. leiten des Kühlmittel, das auf das Werkstück fliesst. Aus dem gleichen Grund wird die Haltekraft des Filmes durch Schmutz oder andere Verunreinigungen nicht reduziert, die gegebenenfalls anwesend sein oder in die Flüssigkeit bei Gebrauch eintreten können.
In den verschiedenen auf elektrisches Potential ansprechenden Vorrichtungen, wie sie oben beschrie ben sind, können die Elektroden und die dielektrischen Schichten verschiedene Formen entsprechend der Anwendung und im Hinblick auf eine günstige Her stellung aufweisen. Ferner kann die Zahl der Gruppen der vielphasigen Elektroden wie gewünscht verän dert werden, um den gewünschten Gesamtscher- widerstand oder Flusswiderstand zu erzielen, wenn die Elektroviskoseschicht aktiviert wird.
Ferner sei noch erwähnt, dass der Ausdruck elektroviskose Flüssigkeit irgendeine fliessfähige Flüs sigkeit einschliesst, die sich versteift und .sich mit den begrenzenden Flächen verbindet, wenn ein elektri sches Potential an diese Flüssigkeit angelegt wird. Ein hochdielektrisches Material bzw. ein Material mit einer hohen dielektrischen Konstante bedeutet ein Material mit einem Wert von mehr als 10.
Device for at least partial mechanical coupling of at least two movable members. Known devices for mechanical coupling of two movable members, such as brakes, clutches, clamping tools, fluidsig- sig- transmission systems and the like, use the so-called Winslow effect, d. H. a stiffening or increase in the shear resistance of a thin layer or film of a viscous liquid when this layer or film is subjected to an electric field.
In such devices, the liquid layer is enclosed between surfaces to which an electric potential is applied in order to stiffen or solidify the liquid and connect it to the boundary surfaces, whereby the liquid flow or the transmitted force or the transmitted torque is set and can be controlled.
The invention now relates to a device for at least partial mechanical coupling of at least two members that are movable relative to one another and is characterized in that the parts each have at least one electrical conductor that is opposite one another and insulated from one another, and that between the conductors a layer of non-conductive dielectric material and further between the latter layer and a conductor in contact with both a layer of an electroviscous liquid is arranged such that when a changing voltage voltage is applied to the conductors of at least one member, the electroviscous layer solidifies and couples the two links.
In the drawing, exemplary embodiments of the invention are shown; 1 shows a partially broken plan view of a first exemplary embodiment in the form of an electrical clamping tool which is built according to the invention, the circuit diagram being shown at the same time, FIG. 2 shows a partial section along line 2-2 of FIG on a larger scale than this, FIG. 3 shows a section corresponding to FIG. 2 through a variant of the embodiment according to FIGS. 1 and 2,
Fig. 4 shows a section along line 4-4 of FIG. 1 on a larger scale than this .zig. 5 shows a schematic representation of the formation of the electric field, FIG. 6 shows a longitudinal section through a second exemplary embodiment in the form of an electric brake, FIG. 7 shows a section along line 7-7 of FIG. 6, FIG. 8 shows a perspective view of parts the brake, FIG. 9 a schematic representation of a liquid transfer system with a valve,
which is built according to a third embodiment of the invention, FIG. 10 a section along line 10-10 of FIG. 9, FIG. 11 a section along line 11-11 of FIG. 10, FIG. 12 a section along line 12 -12 of Fig. 10, Fig. 13 is a schematic view of the wave form of the excitation current.
In the known devices in which the Winslow effect is used, the film of an electroviscous liquid was semiconducting, and the elec tric excitation potential was applied directly to the opposite surfaces of the film, so that the stiffening of the liquid by an actual flow of current through the film was achieved. This method can only be used with thin films, usually 0.025-0.50 mm, and furthermore, the voltage must be limited to a value which does not result in breakthrough or unfavorable heating of the liquid.
These requirements have heretofore limited the practical use of such devices.
It has now been found that the actual current flow to achieve the stiffening of the liquid by the electroviscous liquid is not necessary and that the liquid can also respond to the so-called displacement currents, such as those generated in the dielectric of an electrical capacitor when this is through a AC voltage is excited.
According to the invention it is therefore provided to arrange a layer of a solid dielectric material between at least one electrode and the electroviscous film in such a way that the resulting intermediate layer of the liquid together with the solid layers forms a multi-part, electrical capacitor which also has extremely high voltages can withstand.
The invention characterized in this way can be used in many different devices and fluid systems, such as a chuck according to FIGS. 1-4 of the drawing to hold a workpiece during machining or other operation, and also in a brake according to FIG. 5 -7, in order to exert a delay torque, and also in a valve according to FIGS. 8-10, in order to control the flow of liquid in a liquid transfer system.
However, the invention is not restricted to these examples, but also includes all other constructions, modifications and uses as they fall under the scope of protection of the claims.
Many different liquids are electroviscous and are considerably stiffened and effectively connected to the boundary surfaces when an electric potential is applied to the opposite sides of such a liquid layer in such a way that an electric field is generated within the layer. Among the liquids according to the invention that can be used in this way, reference is made to Examples C and D of US Pat. No. 2 661825.
In a11 of the last-mentioned examples, a mixture of four classes of components is present, namely: (1) an electrically stable, low dielectric oil-like carrier of suitable viscosity, (2) finely divided and non-conductive solid components with an average diameter between 0.1 to 5 microns, which have the ability to absorb a significant amount of a substance such as water or alcohol, (3) an organic, surface-active, dispersing agent and (4)
Water or a mixture of water and such a water-miscible alcohol or another hydroxide compound.
The following should be noted as typical of one of these suitable liquids:
EMI0002.0022
Weight
<tb> Alkaterge <SEP> T <SEP> (1) <SEP> 7.80
<tb> Technical <SEP> white <SEP> mineral oil <SEP> (2) <SEP> 26.30
<tb> Sorbitan sesquioleate <SEP> 4.04
<tb> sodium stearate <SEP> 0.25
<tb> silica gel <SEP> (3) <SEP> 50.60
<tb> Sodium hydroxide <SEP> (1 <SEP> n <SEP> solution) <SEP> 4.70
<tb> Amin <SEP> 220 <SEP> (4) <SEP> 1.29
<tb> Coolanol <SEP> 45 <SEP> (5) <SEP> <U> 5.02 </U>
<tb> 100 (1) A mixture in the ratio of 2: 1 of 4,4-bis-hydroxymethyl y 2 =:
heptadecenyl-2-oxazoline and oleylamido triethanol methane - a product of the Commercial Solvents Co.
(2) Viscosity of 40-50 Saybolt sec. at a temperature of 38 C.
(3) Special degree of drainage - average diameter approximately 1 micron. David'son Chemical Co. SMR-55-6826.
(4) Predominantly (about 90%) 1-hydroxyethyl-2-heptadecenyl-imidazoline. The remaining 10% contain oleic acid amide and N-aminoethyl ethanolamine. A product that is sold by Union Carbide.
(5) A dielectric coolant-based silicic acid ester available from Monsanto Chemical Co.
In the present invention, it is possible to use an electroviscous mixture not including water as a component.
Below is an example of such a liquid:
EMI0002.0049
Weight
<tb> Neutral <SEP> engine oil <SEP> (viscosity <SEP> 90) <SEP> 30.5
<tb> glycerol monooleate <SEP> 5.5
<tb> amine <SEP> 220 <SEP> 10.0
<tb> ethylene glycol <SEP> 4.0
<tb> Silica gel <SEP> (size <SEP> 1 <SEP> micron) <SEP> 50.0 It has been shown that certain individual liquid components can form the electroviscous film in the device according to the invention. An example of such a liquid is 11-BIS, manufactured by Cow Chemical Company, which contains X-chlorophenylethane.
1-5 is a workpiece 10 with a substantially flat bottom surface 11 of conductive material on a solid support surface 12 of a suitable holder 13 by means of a layer or a relatively thin film 14 of a suitable, electroviscous liquid of the above mentioned Kind of kept. The holder can be attached to a work table or other support 9, for example by means of screws that are attached to the jumps 15 before the chuck.
If the workpiece is made of non-conductive material, such as ceramic material, plastic, glass, wood, etc., with a relatively low dielectric constant, then the surface 11 is vaporized with metal or otherwise covered with a conductive film, for example by Apply a metallic color. Workpieces made of non-metallic material with a high dielectric constant, i.e. H. those higher than 10 can also be held without prior covering.
The potential required to generate the electric field in the liquid film 14 is applied to the electrodes 16, 17 and 18, which are embedded in the holder 13 at an even distance, usually about 2.5 mm below the upper holder surface 12. In the present example, the individual electrodes each have a thin metal strip, such as a silver foil, which rests against a relatively thin layer 19 of non-conductive or semiconductive material and is preferably connected to it. This material is inserted into the holder, and its upper surface forms part of the holder surface 12.
In FIGS. 1 and 2, the layer 19 is formed from separate strips which are laterally spaced from one another, the electrodes strip covering the bottom surfaces of these strips and while the upper end surfaces are flush with one another and lie in the holder surface 12. This state is maintained by a rigid body made of non-conductive material, such as plastic 20, preferably by pouring and casting around the electrode strips, after which conductors 21, 22 and 23 are attached to the latter, the strips in the desired position within the enclosing housing 24 are held th.
The latter can consist of steel to which the projections 15 are welded or otherwise attached. The plastic 20 is preferably a so-called casting compound, such as, for example, an epoxy resin, which can be cast in the cold state. In the embodiment of FIG. 3, the layer 19 can be an uninterrupted plate, to the bottom of which the electrodes 16, 17 and 18 are connected at the correct spacing by methods known per se, such as those used for example in printed circuits. Here, too, the plate is held from the rear by the molded body 20 of a rigid plastic.
In both cases, the plastic below the electrodes and the conductors 21-23 are of sufficient strength to make these parts enough against a workpiece table or another. to insulate metallic support to which the chuck can be attached when in use.
The size of the electrodes corresponds to the size of the workpieces to be clamped, and their number is preferably such that an area is created that is larger than the bottom of the workpiece. For certain workpiece shapes, the electrodes can also have a different shape, such as the shape of concentric rings, for example.
As mentioned above, the use of a high voltage, for example 2000 volts, to generate a strong electrical field in the liquid film 14 is possible by inserting a layer of rigid dielectric material between at least one side of the film and the electrodes so that, together with the film, a multi-part electrical capacitor is created. In the present exemplary embodiment, the strips 19 (FIGS. 1 and 2) or the plate 19 (FIG. 3) form the dielectric layer.
While a variety of dielectric materials can be used, optimum stress on the film is obtained by using a material having a high dielectric constant, i.e., a material having a high dielectric constant. H. a constant of more than 10 (measured at <B> 25 '</B> C), relative to the dielectric constant of the electroviscous fluid, which is usually about 5 or less.
Among the best currently available materials is a fired, ceramic body which is brought onto the market under the trade name BT-15 by the manufacturer, namely the Arnold Engineering Company of Marengo / Illinois, USA, and after whose information is made from a polycrystalline form of barium titanate with varying amounts of lead and calcium titanate and cobalt oxide.
A similar Mate rial, known under the trade name D-51 and supplied by the Central Lab Company of Milwaukee, consists of barium titanate with strontium titanate and ferrite oxide additives. This material has a dielectric constant of 5500 to 6500 and an estimated dielectric strength of 35-40 volts per 0.025 mm thickness.
In addition to its high dielectric constant, the dielectric strength of the layer 19 should be as high as possible in order to give the multilayer order consisting of liquid and solids the desired high resistance to breakdown at the applied voltage even if the layer is relatively thin is. Satisfactory results have been obtained with the materials described above when the layer is 2.5 mm thick.
The liquid film 14 and the dielectric layer 19, which, as described above, is enclosed between the electrodes and the conductive bottom surface 11 of the workpiece, actually form two capacitors which are connected to one another in series. In this arrangement the so-called displacement currents in the film for a given value of the applied alternating voltage are directly proportional to the frequency of this voltage and the capacitance of the system. It is therefore he desires to select an electroviscous fluid that has the highest available dielectric constant and a minimum strength.
In the case of a chuck, the latter is determined by the degree of flatness of the bottom surface 11 of the workpiece, so as to ensure complete coverage of the workpieces and the holder surfaces at all points on these opposing surfaces.
If, as in the chuck described above, all electrodes are arranged in one of the members to be coupled by the viscous liquid, then the liquid film and the dielectric layer form two groups of capacitors arranged in series, namely a group between the conductive bottom surface 11 of the work piece and an electrode of one polarity and the other group between this bottom surface and an electrode of the opposite polarity.
The workpiece surface therefore serves not only as the one plate of one of the capacitors of each group, but also as a conductor to connect the groups of capacitors in series.
The electric field that is generated by opposing polarization of adjacent electrodes is then, as shown in Fig. 5, spatially divided ver. This means that the displacement currents generated by the applied alternating voltage are present in the entire area of the electrodes and the adjacent, aligned areas of the dielectric layer 19 and the film 14, the latter areas being bridged by the workpiece surface, as shown by the lines 26 will.
A shunt of the electric field between the strip edges without penetrating the liquid film can be reduced by arranging the strips at a distance from one another, as shown in FIG. 2.
In order to reduce the change in the force or the transmitted torque during the change in the excitation voltage, according to a further feature of the invention, the film 14 is excited by a multi-phase voltage, the phases of which, namely three in the present example, are applied to the three electrodes 16, 17 and 18, which, as shown in FIG. 2, are arranged in groups corresponding to the respective designations of the various electrodes, the successive groups being provided along the holder surface 12 at a distance from one another.
The potential applied to the electrodes in question thus changes according to the usual waveforms <I> a, b </I> and c, as shown in FIG. These curves intersect at successive points 27 of positive potential and at points 28 of negative potential. As a result, the potential gradient between the two electrodes 16 and 17 can drop to zero at one of their points, for example, but the gradient between the other pairs of electrodes 16, 18 and 17, 18 is then equal to 30. The electric field thus acts so that the liquid of the film 14 is constantly excited and stiffened, although an alternating voltage is applied and the voltage changes in each phase.
This creates the desired holding force: Constantly exerted on the workpiece. The different phases of the multiphase voltage are fed to the three groups of electrodes 16, 17 and 18 via insulated conductors 21 to 23, which extend into the chuck, i. H. the holder, extend into it over suitable waterproof connections.
While the desired multiphase power can be obtained from any suitable power source, such as a normal alternator, a more suitable power source for use with a chuck in a normal workshop can be more conveniently provided by a conventional single-phase supply line 30 through a converter of the in Fig. 1 indicated type he will keep.
The single-phase voltage of an auto-transformer 31 is adjustable in size by a slide 32 and is fed to a voltage-increasing transformer 33 when the switch S is closed. The output power is imposed on parallel RC phase shifting circuits, which had a first counterpart 34, a capacitor 35, a second resistor 36 and a capacitor 37, both of which are reversely connected to each other so as to have a leading and a second lagging phase the output lines 21, 22 and 23 to create.
This simple type of converter can be used in the present example because the generation of the desired electrical field within the electroviscous film does not require an actual flow of current or a current conduction through the electroviscous film 14, but only the so-called displacement currents are used that are generated by the Alternating current potential, as described above, can be generated.
With the chuck described above and appropriately sized, it is now possible to increase the shear resistance of the film compound to approximately 20 pounds per square inch. In addition, all electrodes are effectively isolated from the work piece and from the work table.
The electrodes 16, 17 and 18 are arranged at the same distance from the conductive bottom surface 11 of the workpiece and, in use, are also mounted on the chuck at the same distance from the carrier 9. This results in the same capacitive coupling between the bottom surface 11 and the individual pairs of electrodes. A similar balanced coupling exists between the individual pairs of electrodes and a supporting metal frame. These four couplings form a symmetrical bridge circuit for each phase of the excitation potential. The machine frame and the workpiece 10 are therefore always at the same potential and at a zero potential relative to one another.
This results in absolute security for the operator despite the high excitation voltages, as they are used here.
The dielectric layer 19, which interacts with the electroviscous film as described above, can also be used to advantage in various types of torque transmission clutches, and FIGS. 6-8 show a typical example in the form of a brake. Here the electrodes 41, 42 and 43 are embedded in the form of thin metal disks in disks 44, 45 and 46 made of burnt ceramic material as described above, each individual multi-part disk having a pair of radial, protruding teeth provided with parallel flanks 47 which fit exactly into inwardly opening grooves 48 of a cylindrical sleeve 49 made of rigid insulating material.
The sleeve is clamped by screws 53 between axially spaced head pieces 50, which are also made of insulating material and are screwed ver to a stationary carrier 57 which carries the bearings 51a in which a shaft 58 is rotatably mounted.
Furthermore, two additional pairs of grooves 51 and 52 are arranged in the sleeve 49 at an angular distance from the grooves 48, which serve to receive similar union teeth 47 of the discs 45 and 46. Metallic contact strips 54, 55 and 56, which are arranged at the bottom of the grooves 48, 51 and 52, rest against the outer ends of teeth 44a, 45a and 46a of the metal disks, which are arranged inside the teeth 47. The relevant contact strips 54, 55 and 56 are connected to the three lines 21, 22 and 23 which lead to a three-phase alternating current source of the type mentioned above.
Metal disks 60, 61 and 62 are arranged between adjacent disks 44, 45 and 46, which are coupled in a wedge construction to shaft 58 and are held at a distance along the latter by rings 63 and are thus separated from one another, the end disks in the present embodiment against the head pieces 50. The narrow axial spaces 65 between the rotating and fixed disks, usually on the order of 0.010 inches, are filled with an electroviscous fluid of the type described above.
In this arrangement, the layer of high dielectric material attached to both sides of the stationary disks 44-46 cooperates with the adjacent liquid film 65 to form a multi-part capacitor between adjacent conductive metal disks 60-62 and disks 41-43 is formed, in a manner similar to that described in connection with the chuck.
The disks 41-43, which form the three electrodes, are connected to the different phases of the AC power source and are thus polarized differently in accordance with the waveforms shown in FIG. As a result, when the capacitors are energized by closing a switch S, the shear resistance of the disk-like liquid films spaced on the shaft is increased, so that a viscous tension and a retarding torque are exerted on the metal disks 60-62 and the shaft is stopped will.
By using the invention it is also possible to form a control valve which has no moving parts and which can regulate and interrupt the flow of liquid in a liquid transfer system. Such an application of the invention is shown in FIGS. 9-12, where a liquid 70 is pressurized by a motor-driven pump 71. The flow to a piston and cylinder servo unit 72 and away from it is controlled by a valve 73 which is arranged in the pressure line 74 which leads to the servo unit.
The liquid 70 filling the system can be any of the electroviscous mixtures noted above.
As shown in Fig. 10, the valve 73 has a tubular housing 75 which is made of insulating material and has a cylindrical inner surface 76 which is concentric with the outer and the cylindrical outer surface of a rod 78 is around. The two surfaces define a tubular space therebetween, typically 0.010 inches in radial thickness, through which the liquid can freely flow in the non-activated state.
In the example, the rod 78, which can be made of a conductive metal or a non-conductive mate rial with an electrically conductive sheath or a sheath with a high dielectric constant, is held at its opposite ends, the discs 79, which are in hollow connection Pieces 74a are held which are screwed onto the opposite ends of the valve housing 75 and the adjacent parts of the liquid line 74:
The openings 80 arranged in the disks allow the liquid to flow freely through the valve housing when the liquid is not subjected to an electric field.
The electrodes, which are used to transmit the three-phase excitation potential to the liquid film, are in the form of metal rings 81, 82 and 83 which sit in grooves 84 which are axially arranged in a ring along the inner surface of the housing 75. Arranged within the electrode rings and in close contact with them are cylindrical rings 85 made of a fired ceramic material which has a high dielectric constant. These rings have a radial thickness of about 0.100 inches and their inner surfaces are substantially flush with the interior of the housing.
Furthermore, one or more groups of electrodes 81-83 can be used and the corresponding electrodes of the individual groups, which are arranged one behind the other at a distance, have connectors that extend outside the housing and are connected to lines 21-23 of a three-phase power source.
It follows from this that the highly dielectric rings 85 and the tube enclosed by an electroviscous fluid form multipart electrical capacitors in which an electrical field and the desired displacement currents are generated in the fluid when the 'three-phase potential is applied to the electrodes. Similar to the above-mentioned chuck and the above-mentioned brake, the liquid is stiffened and practically solidified, where the flow through the servo unit 72 is interrupted.
By adjusting the slide 32 (see FIG. 1) and thus the applied potential, the flow rate can be regulated and the speed of the servo piston controlled in the desired manner.
All of the above-described devices show that a layer of an electroviscous liquid is brought into contact with a material layer which has a high dielectric constant and which interacts with the liquid in such a way that an electrical capacitor is formed to which an alternating voltage of considerable magnitude is applied can be applied in order to achieve the desired displacement currents and a stiffening of the liquid layer without a conductive current flow occurring,
which could cause a breakdown or carbonization of the liquid. For this reason, an electric field of considerably greater intensity can be generated for a certain thickness of the electroviscous film and thicker or thinner films can be used, as is desired in the relevant applications.
The separation of the electroviscous film from the electrodes by the dielectric insulating layer 19 avoids the risk of a short circuit between the electrodes, for example by a. guide the coolant that flows onto the workpiece. For the same reason, the holding power of the film is not reduced by dirt or other contaminants that may be present or enter the liquid during use.
In the various electrical potential responsive devices as described above, the electrodes and the dielectric layers may have various shapes according to the application and for ease of manufacture. Furthermore, the number of groups of the polyphase electrodes can be varied as desired to achieve the desired total shear resistance or flow resistance when the electroviscous layer is activated.
It should also be mentioned that the term electroviscous liquid includes any flowable liquid that stiffens and connects to the delimiting surfaces when an electrical potential is applied to this liquid. A high dielectric material or a material with a high dielectric constant means a material with a value of more than 10.