DE10030079A1 - Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/magnetorheologischer Flüssigkeiten - Google Patents

Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/magnetorheologischer Flüssigkeiten

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Abstract

Eine Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/magnetorheologischer Flüssigkeiten, soll derart verbessert werden, daß sie vielseitig einsetzbar und einfach aufgebaut ist. Hierzu ist die Zylinder-Kolben-Anordnung derart aufgebaut, daß ein in einem Zylindergehäuse (2) geführter erster Kolben (3) vorgesehen ist, der mit dem Zylindergehäuse mindestens eine erste volumenveränderliche Arbeitskammer (9) bildet, wobei die erste Arbeitskammer mit elektrorheologischer/magnetorheologischer Flüssigkeit gefüllt ist und eine Ein- und Auslaßbohrung (10, 11) für die Flüssigkeit aufweist und wobei mindestens eine Druckmittelquelle (13) vorgesehen ist, die mit ihrer Druckseite mit der Einlaßbohrung (11) der ersten Arbeitskammer (9) verbunden ist und die Auslaßbohrung (10) mit einem Ventil (14) aus Basis elektrorheologischer/magnetorheologischer Flüssigkeiten verbunden ist und wobei ein eine Vorspannkraft erzeugendes Element (19, 22, 32, 33) vorgesehen ist, das entgegen der durch das Druckmittel in der ersten Arbeitskammer (9) erzeugten Beaufschlagungsrichtung wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolben-Anordnung auf Ba­ sis elektrorheologischer/magnetorheologischer Flüssigkeiten.
Zylinder-Kolben-Anordnungen können zur Aufnahme von Lasten, zur Speicherung und Dämpfung von Schwingungsenergie, zur Kom­ pensation von Massenstößen sowie zur aktiven Schwingungskom­ pensation bei Fahrzeugen und Maschinen allgemein eingesetzt werden. Zylinder-Kolben-Anordnungen können beispielsweise als Linearzylinder ausgebildet sein, wobei es Gleichlaufzylinder und Differentialzylinder-Anordnungen gibt. Dabei können Kräfte und Geschwindigkeiten über den gesamten Hub konstant gehalten oder beliebig variiert werden.
Aus der Druckschrift AA practical high speed ER-acutuator@, D. A. Brooks, Advanced fluid systems ltd., London, UK, Seite 110 bis 114 ist auf Seite 111 zur Fig. 3 eine Ansteuerung ei­ nes Gleichlaufzylinders beschrieben. Aus der vorgenannten Be­ schreibung geht hervor, daß der abgebildete Zylinder über eine 4-Ventil-Vollbrückenschaltung als Gleichlaufzylinder betrieben werden kann.
Das System ist hierbei nur schematisch dargestellt. Die vier Ventile sind als elektrorheologische Ventile ausgebildet. Der Aufbau eines solchen Ventils ist ebenfalls schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die Elektroden des Ventils sind als konzentri­ sche Ringe angeordnet. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den Kondensatorplatten läßt sich das Viskositätsverhalten der elektrorheologischen Flüssigkeit in einem weiten Bereich nahezu verzögerungsfrei steuern.
Weitere Einsatzgebiete für elektrorheologische Flüssigkeiten sind in dem Sonderdruck aus o + p AÖlhydraulik und Pneumatik@, 41 (1997) Nr. 11-12, AInnovative Fluidtechnik - Hochdynami­ scher Servoantrieb mit elektrorheologischen Flüssigkeiten@, Wolfgang Backe, Gerald Fees, Hubertus Murrenhoff aufgezeigt. Dieser Aufsatz erläutert neben dem Stand der Forschung und den Grundlagen des elektrorheologischen Effektes unter anderem die Entwicklung eines kompakten Gleichlaufzylinders mit vier in das Zylindergehäuse integrierten elektrorheologischen Flüssig­ keitsventilen, die zu einer Vollbrücke geschaltet sind.
Der Einsatz von elektroviskosen Flüssigkeiten zur Steuerung und Regelung ist aus der DE-OS 36 09 861 prinzipiell bekannt. Elektrorheologische Flüssigkeiten bzw. magnetorheologische Flüssigkeiten sind Flüssigkeiten, bei denen die rheologischen Eigenschaften stufenlos über das elektrische bzw. magnetische Feld steuerbar sind. In der Regel handelt es sich bei diesen Flüssigkeiten um Suspensionen, d. h. in einem Trägermedium suspendierte Festpartikel, die über das elektrische bzw. ma­ gnetische Feld polarisierbar sind. Durch die Verwendung elek­ troviskoser Flüssigkeiten bzw. magnetorheologischer Flüssig­ keiten ist es möglich geworden, hydraulische Systeme ohne be­ wegte Teile auszuführen, bzw. die Anzahl der bewegten Teile erheblich zu verringern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zylinder- Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten und/oder magnetorheologischer Flüssigkeiten derart zu verbes­ sern, daß sie vielseitig einsetzbar und einfach aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein eine Vorspannkraft erzeugendes Element vorgesehen ist, das entgegen der durch das Druckmittel in einer ersten Arbeitskammer erzeugten Beauf­ schlagungsrichtung wirkt, wobei die erste Arbeitskammer mit einer elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssig­ keit gefüllt ist und die Einlaßbohrung der Arbeitskammer mit einer Druckmittelquelle und die Auslaßbohrung der Arbeitskam­ mer mit einem Ventil auf Basis elektrorheologische Flüssig­ keiten und/oder magnetorheologischer Flüssigkeiten verbunden ist.
Bei der erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Anordnung ist es möglich, die Vorspannung auf einfache Art und Weise innerhalb weniger Millisekunden einzustellen, indem das Ventil elek­ trisch angesteuert und somit eine Veränderung der Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit und/oder magnetorheologi­ scher Flüssigkeit erreicht wird. Hierzu ist nur ein Ventil vorgesehen, das je nach baulichen Gegebenheiten auch inte­ griert in das Zylindergehäuse angeordnet sein kann.
Bei dem eine Vorspannung erzeugenden Element, das beispiels­ weise eine mit Gas befüllte Kammer sein kann, können Feder­ steifigkeit, Dämpfungskraft und Position des Kolbens durch Ansteuerung des Ventils auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten und/oder magnetorheologischer Flüssigkeiten eingestellt und verändert werden. Die erfindungsgemäße Zylinder-Kolben-Anordnung ist somit vielseitig einsetzbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len, die in den Figuren Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt sind, näher erläutert.
Die in Fig. 1 dargestellte Zylinder-Kolben-Anordnung 1 weist ein als Hohlzylinder ausgebildetes Zylindergehäuse 2 mit obe­ rem und unterem Deckelteil 2', 2" auf. In dem Zylindergehäuse 2 ist ein erster Kolben 3 längsverschiebbar gelagert. Der Kol­ ben 3 teilt das nach außen abgedichtete Zylindergehäuse 2 in zwei volumenveränderliche Kammern 4 und 5 auf. Der Kolben 3 weist eine zylindrische Kolbenstange 6 auf, die abgedichtet aus dem Deckelteil 2' nach außen geführt ist. Auf dem nach außen geführten Ende der Kolbenstange 6 ist stirnseitig eine Masse 7 angeordnet, die in Richtung des Doppelpfeils 8 wirkt. Diese Masse 7 kann entsprechend der gekoppelten Nutzmasse variiert werden.
Die volumenveränderliche Kammer 4 ist als erste Arbeitskammer 9 mit einem Druckmittel gefüllt, wobei als Druckmittel eine elektrorheologische und/oder eine magnetorheologische Flüssig­ keit eingesetzt werden kann und weist einen ringförmigen Quer­ schnitt auf. Die erste Arbeitskammer 9 steht mit einer Ein- und Auslaßbohrung 11, 10 für die elektrorheologische Flüssig­ keit und/oder magnetorheologische Flüssigkeit in Verbindung, die in das Zylindergehäuse eingebracht ist. Elektrorheologi­ sche und/oder magnetorheologische Flüssigkeit wird aus einem Vorratsbehälter 12 von einer Hydraulikpumpe 13 angesaugt. Die Druckseite der Hydraulikpumpe 13 fördert die elektrorheologi­ sche und/oder magnetorheologische Flüssigkeit direkt über die Einlaßbohrung 11 in die ringförmige erste Arbeitskammer 9. Die Auslaßbohrung 10 der ersten ringförmigen Arbeitskammer steht direkt mit einem Ventil 14 auf Basis elektrorheologischer und/oder magnetorheologischer Flüssigkeiten in Verbindung. Das Ventil 14 ist bei diesem Ausführungsbeispiel direkt in das Zylindergehäuse integriert. Der Auslaß des Ventils 14 steht mit dem Vorratsbehälter 12 in Verbindung, so daß ein offener Hydraulikkreislauf realisiert ist. Ein geschlossener Hydraulikkreislauf wird erreicht, wenn der Auslaß des Ventils 14 direkt mit der Saugseite der Hydraulikpumpe 13 verbunden ist (dargestellt in Fig. 2). Hierbei wird der Rücklauf zwischen Ventil-Auslaß und Saugseite der Hydraulikpumpe 13 aus einem elastischen Material, zum Beispiel einem sich dehnenden Gummi­ schlauch, ausgebildet. Hierdurch können Volumenveränderungen durch Temperaturschwankungen des elektrorheologischen Flüssigkeits-Kreislaufes ausgeglichen werden.
Ausgehend von der der Kolbenstange 6 abgewandten Seite des ersten Kolbens 3 ist in den Kolben 3 und die Kolbenstange 6 mittig eine Sacklochbohrung 15 eingebracht. In dieser Bohrung 15 ist ein zweiter Kolben 16 dichtend längsbeweglich gelagert, der eine nach unten weisende Kolbenstange 17 aufweist. Die Kolbenstange 17 steht mit einem unteren Deckelteil 2" des Zylindergehäuses in Verbindung.
Der zweite Kolben 16 begrenzt in der Sacklochbohrung 15 eine weitere volumenveränderliche Kammer 19, die im Querschnitt kreisförmig und mit einem Gas gefüllt ist. Die wirksame Kol­ benfläche der ersten Arbeitskammer 9 ist gleich der wirksamen Kolbenfläche der Kammer 19. Bei einer anderen Ausführungsform der Zylinder-Kolben-Anordnung können auch unterschiedliche Kolbenflächen ausgebildet sein. Hierdurch wird ein eine Vor­ spannkraft erzeugendes Element als Gasdruckfeder ausgebildet. Die Gasdruckfeder, deren Vorspannung durch das in der Kammer 19 befüllte Gas erzeugt wird, kann durch elektrische Ansteue­ rung des Ventils 14 eingestellt werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Zylinder-Kolben-Anordnung 20 unter­ scheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Zylinder-Kolben- Anordnung, indem die Kammer 19 als zweite Arbeitskammer mit einem Hydraulikfluid, welches auch eine elektrorheologische Flüssigkeit sein kann, gefällt ist und die Arbeitskammer 19 über eine in Kolben 16, Kolbenstange 17 und Zylinderdeckelteil 2" des Zylindergehäuses eingebrachte Bohrung 21 mit einem Blasenspeicher 22 in Verbindung steht. Dadurch kann die Vor­ spannung, die durch die mit Hydraulikfluid gefüllte zweite Arbeitskammer 19 erzeugt werden kann, durch einen externen Druckspeicher 22 eingestellt werden.
Die in Fig. 3 dargestellte Zylinder-Kolben-Anordnung 30 unter­ scheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Zylinder-Kolben- Anordnung dadurch, daß die Kammer 19, die mit einem Druckmit­ tel gefüllt ist, über eine in die Kolbenstange 6 eingebrachte Ein-/Auslaßbohrung 31 mit einer externen Pumpe 32 und einem Druckspeicher 33 in Verbindung steht. Durch diese Ausbildung kann der Druck in der Kammer 19 eingestellt und verändert wer­ den.
Zylinder-Kolben-Anordnungen wie in den Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 näher beschrieben, können zur Aufnahme von Lasten, zur Spei­ cherung und Dämpfung von Schwingungsenergie, zur Kompensation von Massenstößen sowie zur aktiven Schwingungskompensation bei Fahrzeugen und Maschinen allgemein eingesetzt werden. Sie kön­ nen weiterhin als hochdynamischer Rüttel- und Belastungsmotor zur Bauteilbelastung sowie als Verstell- und Aretierzylinder betrieben werden.

Claims (7)

1. Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/­ magnetorheologischer Flüssigkeiten, bei der ein in einem Zylindergehäuse (2) geführter erster Kolben (3) vorgese­ hen ist, der mit dem Zylindergehäuse mindestens eine er­ ste volumenveränderliche Arbeitskammer (9) bildet, wobei die erste Arbeitskammer mit elektrorheologischer/magnet­ orheologischer Flüssigkeit gefüllt ist und eine Ein- und Auslaßbohrung (10, 11) für die Flüssigkeit aufweist und wobei mindestens eine Druckmittelquelle (13) vorgesehen ist, die mit ihrer Druckseite mit der Einlaßbohrung (11) der ersten Arbeitskammer (9) verbunden ist und die Aus­ laßbohrung (10) mit einem Ventil (14) auf Basis elektror­ heologischer/magnetorheologischer Flüssigkeiten verbunden ist und wobei ein eine Vorspannkraft erzeugendes Element (19, 22, 32, 33) vorgesehen ist, das entgegen der durch das Druckmittel in der ersten Arbeitskammer (9) erzeugten Beaufschlagungsrichtung wirkt.
2. Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/­ magnetorheologischer Flüssigkeiten nach Patentanspruch 1, wobei das eine Vorspannkraft erzeugende Element einen mit dem Zylindergehäuse (2) verbundenen zweiten Kolben (16) umfaßt, der in eine zylindrische Bohrung (15) des ersten Kolbens (3) mittig eingreift und dichtend geführt ist und eine zweite Arbeitskammer (19) bildet, die mit einem Druckmittel gefüllt ist.
3. Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/­ magnetorheologischer Flüssigkeiten nach Patentanspruch 2, wobei das in der zweiten Kammer (19) enthaltene Druck­ mittel ein Gas ist.
4. Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/­ magnetorheologischer Flüssigkeiten nach Patentanspruch 2, wobei das in der zweiten Kammer (19) enthaltene Druck­ mittel eine Hydraulikflüssigkeit ist und eine Ein- bzw. Auslaßbohrung (21/31) der zweiten Arbeitskammer mit einem Druckspeicherelement (22/33) verbunden ist.
5. Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/­ magnetorheologischer Flüssigkeiten nach Patentanspruch 4, wobei die Hydraulikflüssigkeit eine elektrorheologische/­ magnetorheologische Flüssigkeit ist.
6. Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/­ magnetorheologischer Flüssigkeiten nach Patentanspruch 4, wobei das Druckspeicherelement (33) mit einer Druckmit­ telquelle (32) in Verbindung steht.
7. Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/­ magnetorheologischer Flüssigkeiten nach Patentanspruch 2, wobei das in der zweiten Kammer enthaltene Druckmittel eine elektrorheologische/magnetorheologische Flüssigkeit ist und die zweite Kammer eine Ein- und Auslaßbohrung aufweist und zwischen Ein- und Auslaßbohrung ein Druck­ übersetzer, ein Druckspeicherelement und ein Ventil auf Basis elektrorheologischer/magnetorheologischer Flüssig­ keiten geschaltet sind.
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