DE10108533A1 - Drehmomentwandler auf Basis elektrorheologischer und/oder magnetorheologischer Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentwandler auf Basis elek­ trorheologischer und/oder magnetorheologischer Flüssigkeiten.

Hydraulische Drehmomentwandler, die auch als Hydrogetriebe bezeichnet werden, bestehen aus einer hydraulischen Pumpe als Primärteil, die die von einer Energiequelle aufgenommene Lei­ stung hydraulisch an einen oder mehrere hydraulische Motoren als Sekundärteil überträgt.

Diese geben die hydraulische Energie wieder als mechanische Leistung meist in Form einer Drehbewegung ab.

Zur stufenlosen Einstellung der Abtriebsdrehzahl kann das För­ dervolumen der Pumpe oder das Schluckvolumen der Motoren ver­ ändert werden. Hierbei ist eine feinfühlige Drehzahlverände­ rung erwünscht.

Eine nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Flüssigkeitspumpe oder Flüssigkeitsmotor ist aus der DE 40 03 298 bekannt. Diese hydraulische Verdrängermaschine weist einen Rotor auf, der in einem Gehäuse gelagert ist. Ein mit dem Rotor verbundener Flü­ gel läuft in einer Kammer des Gehäuses um. An den Stirnflächen der Kammer sind Kondensatorplattensegmente angeordnet, die einzeln elektrisch ansteuerbar sind. Die Kammer ist mit elek­ trorheologischer Flüssigkeit gefüllt. Durch Anlegen elektri­ scher Spannung an die Kondensatorplattensegmente wird inner­ halb der Kammer eine Absperrung gebildet, so daß zwischen dem Flügel und der Absperrung die Saug- und die Druckseite der Pumpe gebildet wird. Um die Pump- und Saugwirkung aufrecht­ zuerhalten, läuft die elektrische Erregung der Kondensator­ plattensegmente entsprechend der Drehbewegung des Flügels um.

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 elek­ trorheologischen Flüssigkeiten bzw. magnetorheologischen Flüs­ sigkeiten um Suspensionen, d. h. in einem Trägermedium suspen­ dierte Festpartikel, die über das elektrische bzw. magnetische Feld polarisierbar sind. Durch die Verwendung elektrorheologi­ scher Flüssigkeiten bzw. magnetorheologischer Flüssigkeiten ist es möglich geworden, Aktoren ohne bewegte Teile auszufüh­ ren bzw. die Anzahl der bewegten Teile erheblich zu verrin­ gern. Weiterhin bekannt ist der Einsatz bei Hydraulikventilen, Hydraulikzylindern, Vibratoren, Viskositätskupplungen, Stoß­ dämpfern oder Motorlagern (Übersichtsartikel "Applications of the electrorheological Effect in Engineering practice", Fluid Mechanics Soviet Research, Vol. B, No. 4, July-August 1979).

Der Einsatz von elektrorheologischen Flüssigkeiten zur Steue­ rung und Regelung ist aus der DE-OS 36 09 861 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Drehmomentwand­ ler zu schaffen, der eine hohe Dynamik besitzt, leicht regel­ bar und einfach aufgebaut ist.

Die Erfindung wird durch die in dem Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Verwendung einer elektrorheologischen Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit des erfindungsgemäßen Drehmomentwand­ lers wird es ermöglicht, bei der Relativdrehung zwischen Rotor und Kammer innerhalb der Kammer allein durch Anlegen einer elektrischen Spannung an bestimmte Kondensatorplattenelemente eine Abtrennung eines Teils der Kammer gegenüber dem übrigen Kammervolumen nach Art einer Trennwand zu erreichen. Da diese Abtrennung auf elektrischem Wege sehr rasch verändert werden kann, ist es möglich, während der Relativdrehung zwischen Ro­ tor und Kammer eine ständige Volumenänderung der vor bzw. hin­ ter der Trennwand befindlichen Räume zu erreichen. Auf diese Weise läßt sich ohne weitere bewegte Teile ein Drehmomentwand­ ler verwirklichen, der leicht regelbar ist und eine hohe Dyna­ mik besitzt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den Zeichnungen dargestellt ist, wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen hydraulischen Drehmomentwandler in Schnittdarstellung,

Fig. 2a einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1b,

Fig. 2c einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 1b,

Fig. 2b einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1b,

Fig. 3a bis 3d und 4a, 4b einen Querschnitt durch die Verdränger­ pumpe in unterschiedlichen Betriebszustän­ den.

Der in Fig. 1 dargestellte hydraulische Drehmomentwandler 1 besteht auf der Antriebsseite aus einer elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Verdrängerpumpe 2 und auf der Abtriebsseite aus einem elektrorheologischen und/oder magne­ torheologischen Verdrängermotor 3, die in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse 4 angeordnet sind. In dem Gehäuse 4 sind ein erster Rotor 5 und ein zweiter Rotor 6 um eine gemeinsame Achse 7 drehbar gelagert. Der erste Rotor 5 ist auf der An­ triebsseite angeordnet und wird von einem nicht dargestellten Motor angetrieben. Der Rotor 5 ist mit einem ersten Drehkol­ benflügel 5' verbunden, der bei Rotation des Rotors 5 in einer im Gehäuse 4 ausgebildeten ersten Ringkammer 8 umläuft. Die Drehrichtung ist in den Fig. 2a, 2c durch den Pfeil 32 darge­ stellt.

In der ersten Ringkammer 8 sind die einander axial gegenüber­ liegenden Stirnwände 9 mit mehreren gleichmäßig über den Um­ fang verteilten Kondensatorplattensegmenten 10, 10', 10", 10''' versehen (Fig. 2a). Bei dem Ausführungsbeispiel trägt jede Stirnwand vier gegeneinander und gegen das Gehäuse 4 elektrisch isolierte Kondensatorplattensegmente 10, 10', 10", 10''', die über elektrische Leitungen 11 mit einer elektrischen Steuereinrichtung 12 verbunden sind. Eine Saug­ leitung 13 führt von einem Flüssigkeitsvorratsbehälter durch das Gehäuse 4 zu einer Ringnut 14, aus der ein Kanal 15 im Rotor 5 zu einer Mündung 16 an der Rückseite des Drehkolben­ flügels 5' führt. Von der Vorderseite (in Drehrichtung gesehen) des Drehkolbenflügels 5' führt ein Kanal 17 durch den Rotor 5 und mündet in einer längs der Achse 7 sich erstreckenden zu der Abtriebsseite hin offenen Bohrung 18. Vorzugsweise wird die Bohrung 18 mit einem nur schematisch dargestellten Spei­ cher 19 verbunden.

Der zweite Rotor 6 (Fig. 1) ist auf der Abtriebsseite (Hydro­ motor) angeordnet. Der Rotor 6 ist mit einem zweiten Drehkol­ benflügel 6' verbunden, der in einer im Gehäuse 4 ausgebilde­ ten zweiten Ringkammer 20 bei Druckbeaufschlagung der wirk­ samen Drehkolbenflügelfläche umläuft und somit eine Drehbewegung des Rotors 6 erzeugt.

In der zweiten Ringkammer 20 sind die einander gegenüberlie­ genden Stirnwände 21 mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Kondensatorplattensegmenten 22, 22', 22", 22''' versehen (Fig. 2c). Bei dem Ausführungsbeispiel trägt jede Stirnwand vier gegeneinander und gegen das Gehäuse 4 elek­ trisch isolierte Kondensatorenplattensegmente 22, 22', 22", 22''', die über elektrische Leitungen 23 mit der elektrischen Steuereinrichtung 12 verbunden sind.

Eine Bohrung 24 führt von der der Antriebsseite des Rotors 6 zugewandten Stirnfläche längs der Achse 7, erstreckt sich dann radial nach außen hin und führt zu einer Mündung 25 an der Rückseite des Drehkolbenflügels 6'(in Drehrichtung gesehen). Von der Vorderseite des Drehkolbenflügels führt ein Kanal 26 durch den Rotor 6 zu einer Ringnut 27 im Gehäuse 4. Von der Ringnut 27 führt eine Leitung 28 durch das Gehäuse 4 zurück zu dem Flüssigkeitsvorratsbehälter.

Die Bohrung 18, die auf der Antriebsseite im Rotor 5 angeord­ net ist, steht mit der Bohrung 24, die auf der Abtriebsseite in dem Rotor 6 angeordnet ist, in Verbindung, so daß die Druckseite der Verdrängerpumpe direkt zu der Flüssigkeitszu­ leitung (Bohrung 24, Mündung 25) des Verdrängermotors führt.

Der erste Rotor 5 und der zweite Rotor 6 sind in dem Gehäuse 4 derart angeordnet, daß sich zwischen den einander zugewandten Stirnflächen ein Spalt 29 befindet. Die einander zugewandten Stirnflächen sind jeweils mit mindestens einem Kondensator­ plattensegment 30 versehen, die gegeneinander und gegen den ersten bzw. zweiten Rotor 5/6 elektrisch isoliert sind und über elektrische Leitungen 31 mit der Steuereinrichtung 12 verbunden sind. Das Kondensatorplattensegment 30 ist in der Fig. 2b dargestellt.

In der ersten und zweiten Ringkammer 8, 20 und in dem Spalt 29 befindet sich eine elektrorheologische Flüssigkeit. Wenn über die Steuereinrichtung 12 eines der Paare von einander gegen­ überliegenden Kondensatorplattensegmente 10, 10', 10", 10''' auf der Antriebsseite eine elektrische Spannung erhält, erstarrt die elektrorheologische Flüssigkeit zwischen diesem Paar gegenüberliegender Kondensatorplattensegmente, so daß die Ringkammer 8 der Verdrängerpumpe 2 in diesem Umfangsbereich abgedichtet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden bei einer Drehung des Drehkolbenflügels 5' in Richtung des Pfeils 32 beispielsweise die einander gegenüberliegenden Kondensatorenplattensegmente 10" mit Spannung versorgt, so daß die Ringkammer 8 in diesem Bereich abgedichtet wird. Der sich bewegende Drehkolbenflügel 5' saugt somit an seiner Rück­ seite Flüssigkeit aus der Flüssigkeitszuleitung an und ver­ dichtet an seiner Vorderseite die Flüssigkeit, die daher durch den Kanal 17 und die Bohrung 18 in die Bohrung 24 des Verdrän­ germotors 3 gedrückt wird.

Die Fig. 3a bis 3d zeigen die verschiedenen Betriebszustän­ de der Verdrängerpumpe während der Drehung des Drehkolbenflü­ gels 5'. Entsprechend der Drehrichtung des Drehkolbenflügels 5' werden die Paare der gegenüberliegenden Kondensatorplatten­ segmente 10, 10', 10", 10''' derart angesteuert, daß eine kontinuierliche Pump- (Kanal 17) bzw. Saug- (Kanal 16) wirkung entsteht.

Der Flüssigkeitsdruck in dem Druckmittelraum vor dem Drehkol­ benflügel 5' wird bestimmt durch die Höhe der Schubspannung der erstarrten Flüssigkeit, die der Feldstärke zwischen den Kon­ densatorplattensegmenten proportional ist.

Wird die Grenzschubspannung überschritten, so wird der zwi­ schen den beaufschlagten Kondensatorplattensegmenten erzeugte Pfropfen weitergedrückt. Dadurch ergibt sich eine feldabhängige Druckbegrenzung und Druckregelung. Entsprechend der ange­ legten Spannung kann der Arbeitsdruck der Pumpe geregelt wer­ den (Momentanregelung). Soll der Durchfluß geregelt werden, so kann dies durch eine Pulsmodulation der angelegten Spannung geschehen. Der erzielte mittlere Durchfluß kann über die Puls­ zeit und/oder die Pulsfrequenz bestimmt werden (Drehzahlrege­ lung).

Die Fig. 4a und 4b zeigen zwei weitere mögliche Betriebs­ zustände der Verdrängerpumpe 2. Bei Fig. 4a sind alle Konden­ satorplattensegmente 10, 10', 10", 10''' mit Spannung ver­ sorgt, so daß die gesamte in der Ringkammer 8 befindliche elektrorheologische Flüssigkeit erstarrt ist und der Drehkol­ benflügel 5' in seiner Position festgehalten wird. Bei Fig. 2f ist keine der Kondensatorplattensegmente angesteuert, so daß der Drehkolbenflügel 5' frei umlaufen kann, ohne daß eine nen­ nenswerte Pump- und Saugwirkung erzielt wird.

Beim Pumpenbetrieb wird, wie bereits vorstehend erläutert, die elektrorheologische Flüssigkeit über die Bohrung 18 in die Bohrung 24 des Rotors 6 gedrückt, welche zu der Mündung 25 an der Rückseite des Drehkolbenflügels 6' führt. Wenn nun über die Steuereinrichtung 12 eines der Paare von einander gegen­ überliegenden Kondensatorplattensegmenten 22, 22', 22", 22''', des Verdrängermotors elektrische Spannung erhält, er­ starrt die elektrorheologische Flüssigkeit zwischen den beiden Kondensatorplattensegmenten, so daß die Ringkammer 20 des Ver­ drängermotors 3 in diesem Umfangsbereich abgedichtete wird und ein Drehmoment auf den Rotor 6 ausgeübt wird. Die Ansteuerung der Kondensatorplattensegmente kann entsprechend der Beschrei­ bung zur Verdrängerpumpe erfolgen. Dies ist in den Figuren nicht näher dargestellt. Durch wahlweißes Regeln der Pumpe und/oder des Motors kann die Abtriebszahlund/oder des Ab­ triebsmomentes stufenlos geregelt werden.

Bei wahlweise zusätzlicher Ansteuerung der Kondensatorplatten­ segmente 30, erstarrt die im Spalt 29 zwischen den Kondensa­ torplattensegmenten 30 befindliche Flüssigkeit und die An­ triebsseite kann mit der Abtriebsseite direkt gekoppelt wer­ den. Die bei dem hydraulischen Drehmomentwandler 1 auftreten­ den Drehschwingungen können durch geeignete Ansteuerung der Kondensatorplattensegmente 30 geglättet werden. Der zunächst unbekannten Störfrequenz wird eine regelbare Dämpfungsfrequenz entgegengesetzt. Über eine zeitliche Impulsschaltung wird der Phasenwinkel der Dämpfung bestimmt. Über die an den Kondensa­ torplattensegmenten angelegten Spannung wird das Dämpfungs­ moment bestimmt.

Der hydraulische Drehmomentwandler 1 kann auch nur als Kupp­ lung wirken. Wenn bei der Verdrängerpumpe 2 und dem Verdrän­ germotor 3 keine Kondensatorplattensegmente angesteuert sind, können der Rotor 5 und der Rotor 6 über Ansteuerung der Kon­ densatorplattensegmente 30 zu jedem Phasenwinkel miteinander gekoppelt werden.

Anstelle der Verwendung einer elektrorheologischen Flüssigkeit kann auch eine magnetorheologische Flüssigkeit oder ein Ge­ misch beider Flüssigkeiten eingesetzt werden.

Bei der Verwendung von magnetorheologischen Flüssigkeiten wer­ den anstelle der Kondensatorplattensegmente 9 elektrisch an­ steuerbare Spulenanordnungen vorgesehen.

Claims (3)

1. Drehmomentwandler auf Basis elektrorheologischer und/oder magnetorheologischer Flüssigkeiten, mit einer antriebs­ seitig angeordneten hydraulischen Verdrängerpumpe mit einem in einem Gehäuse gelagerten ersten Rotor, der min­ destens einen in einer mit elektrorheologischer Flüssig­ keit gefüllten Kammer des Gehäuses ragenden Drehkolben aufweist, mit über den Umfang der beiden Stirnwände ver­ teilten einzeln elektrisch ansteuerbaren Kondensatorplat­ tensegmente und/oder Spulenanordnungen, wobei durch deren Spannungsbeaufschlagung und der Beeinflussung der dazwi­ schen befindlichen elektrorheologischen/magnetorheolo­ gischen Flüssigkeit gebildeten Trennabschnitte einerseits und durch den mindestens einen Drehkolbenflügel anderer­ seits die Saug- und Druckseite gebildet wird, und mit einem abtriebsseitig angeordneten hydraulischen Verdrän­ germotor mit in einem Gehäuse gelagerten zweiten Rotor, der mindestens einen in einer mit elektrorheologischer/­ magnetorheologischer Flüssigkeit gefüllten Kammer des Gehäuses ragenden Drehkolben aufweist, wobei der Drehkolben mindestens einen Drehkolbenflügel aufweist, mit über den Umfang der beiden Stirnwände verteilten einzeln elektrisch ansteuerbaren Kondensatorplat­ tensegmente und/oder Spulenanordnungen, wobei durch deren Spannungsbeaufschlagung und der Beeinflussung der dazwi­ schen befindlichen elektrorheologischen/magnetorheolo­ gischen Flüssigkeit gebildeten Trennabschnitte einerseits und durch den mindestens einen Drehkolbenflügel andererseits die Ein- und Auslaßseite gebildet wird, wobei die Druckseite der Verdrängerpumpe mit der Einlaßseite des Verdrängermotors verbunden ist.

2. Drehmomentwandler auf Basis elektrorheologischer und/oder magnetorheologsicher Flüssigkeiten, nach PA1 wobei der erste Rotor (5) und der zweite Rotor (6) in einem gemein­ samen Gehäuse (4) axial beabstandet angeordnet sind und der zwischen den Rotoren (5, 6) gebildete Spalt mit einer elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Flüs­ sigkeit gefüllt ist und den den gegenüberliegenden Stirn­ flächen der Rotoren (5, 6) mindestens ein Paar elektrisch ansteuerbare Kondensatorplattensegmente und/oder Spulen­ anordnungen (30) angeordnet ist.

3. Drehmomentwandler auf Basis elektrorheologischer und/oder magnetorheologischer Flüssigkeiten, nach PA1 oder PA2 wobei die Druckseite der hydraulischen Verdrängerpumpe (2) mit einem Speicher (19) verbunden ist.