DE102004009725A1 - Clutch mechanism for steering column adjustment device, comprises rotor and stator separated by space containing rheological fluid with adjustable viscosity - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Kupplungsmechanismus zwischen zwei relativ zueinander rotierbaren Bauteilen, vorzugsweise zur Verwendung in einer Lenksäulenverstelleinrichtung.The The invention relates to a coupling mechanism between two relatively rotatable components, preferably for use in a steering column adjustment.
Solche Kupplungen dienen im allgemeinen zum Weiterleiten von Drehmomenten zwischen fluchtenden und nichtfluchtenden Wellen, beispielsweise als Verbindung zwischen einem Abtriebsstrang eines Motors und einem nachfolgenden Antriebsstrang einer Maschine oder auch als Verbindung zwischen einer Verstellspindel einer Lenksäulenverstelleinrichtung und dem Antriebsmotor. Beispiele solche Kupplungen sind die Gruppen der mechanischen, hydraulischen oder auch elektromagnetische Kupplungen.Such Couplings are generally used to pass on torques between aligned and non-aligned waves, for example as Connection between a power train of an engine and a subsequent drive train of a machine or as a connection between an adjusting spindle of a steering column adjustment and the drive motor. Examples of such couplings are the groups mechanical, hydraulic or electromagnetic couplings.
Die hydraulischen Kupplungen haben den Vorteil, dass die Kraftübertragung, aufgrund des flüssigen Mediums, welches die Kräfte zwischen Antriebs- und Abtriebsstrang überträgt, relativ variabel sind. Solche hydraulischen Kupplungen sind beispielsweise als Drehmomentwandler bei Automatikgetrieben in Kraftfahrzeugen bekannt. Leider entsteht bei solchen Kupplungen ohne direkte mechanische Überbrückung ein gewisser Schlupf zwischen Antriebs- und Abtriebsseite und ihr Aufbau ist relativ aufwendig. Bei mechanischen Kupplungen ist es von Vorteil, dass ein formschlüssiger Kraftschluss zwischen dem Antriebs- und Abtriebsstrang erreicht wird, so dass eine nahezu verlustlose Kraftübertragung möglich ist. Allerdings ist ein Koppeln beziehungsweise Entkoppeln solcher mechanischen Kupplungen nur mit relativ hohem konstruktiven Aufwand realisierbar, auch ergeben sich bei den bekannten variablen Kupplungen Verschleißprobleme.The hydraulic couplings have the advantage that the power transmission, due to the liquid Medium, which the forces transmits between the drive and output line, are relatively variable. Such hydraulic clutches are for example as a torque converter known in automatic transmissions in motor vehicles. Unfortunately arises in such couplings without direct mechanical bridging a certain slip between drive and driven side and their construction is relatively expensive. For mechanical couplings, it is advantageous that a form-fitting adhesion between the drive and Output train is achieved, allowing a nearly lossless power transmission is possible. However, a coupling or decoupling of such mechanical couplings only feasible with relatively high design effort, also result wear problems in the known variable couplings.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kupplungsmechanismus zu finden, der einerseits die Variabilität einer hydraulischen Kupplung aufweist und andererseits jedoch eine einfache Möglichkeit der vollständig kraftschlüssigen Drehmomentübertragung bietet. Insbesondere soll diese Erfindung für den Einsatz in Lenksäulenverstelleinrichtungen verwendbar sein.It The object of the invention is to find a coupling mechanism on the one hand the variability a hydraulic clutch and on the other hand, however easy way the complete frictional torque transmission offers. In particular, this invention is intended for use in steering column adjustment be usable.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.These The object is solved by the features of the independent claims. advantageous Embodiments are set forth in the subclaims.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Anwendung einer magneto- oder elektro-rheologischen Flüssigkeit in einem Kupplungsmechanismus es ermöglicht, auf einfache Weise, nämlich durch einfaches An- und Abschalten eines magnetischen oder elektrischen Feldes, die Kraftübertragung zwischen zwei Wellen zu beeinflussen, indem ein Kupplungsmechanismus gebildet wird, welcher als einziges Verbindungselement zwischen einem Rotor und einem Stator eine rheologisch aktive Flüssigkeit verwendet. Hierbei kann durch An- und Abschalten eines magnetischen oder elektrischen Feldes, die Viskosität dieser rheologischen Flüssigkeit drastisch verändert werden, so dass bei gewählter niedriger Viskosität nur eine minimale Kraftübertragung stattfindet, während bei Einstellung einer hohen Viskosität, die im Extremfall auch zu einer Zustandsänderung von flüssig zu fest führt, nahezu eine formschlüssige Verbindung zwischen Antrieb- und Abtriebsseite ermöglicht wird.The Inventors have recognized that the use of a magneto or electro-rheological fluid in a clutch mechanism it allows, in a simple way, namely by simply turning on and off a magnetic or electrical Feldes, the power transmission to influence between two shafts by a clutch mechanism is formed, which is the only connecting element between a rotor and a stator a rheologically active liquid used. This can be done by turning on and off a magnetic or electric field, the viscosity of this rheological fluid drastically changed be chosen so that when low viscosity only a minimal power transmission takes place while when setting a high viscosity, which in extreme cases too a change of state from liquid too tight, almost a form-fitting Connection between drive and output side is made possible.
Vorteilhaft ist hierbei auch, dass die Veränderung der Kraftübertragungssituation ohne jegliche mechanische Verstellung möglich ist und dadurch auf mechanische Verschleißteile weitgehend verzichtet werden kann.Advantageous Here is also that change the power transmission situation without any mechanical adjustment is possible and thus on mechanical wear parts can largely be dispensed with.
Entsprechend diesem der Erfindung zu Grunde liegenden Gedanken, schlagen die Erfinder einen Kupplungsmechanismus zur variabel kraftschlüssigen Verbindung zwischen zwei relativ zueinander rotierbaren Bauteilen vor, bestehend aus einem Stator und einem relativ zum Stator rotierbaren Rotor, wobei Stator und Rotor mindestens einen Zwischenraum bilden, in dem sich eine rheologisch aktive Substanz befindet, wobei weiterhin Mittel zum Erzeugen eines magnetischen und/oder elektrischen Feldes in dem mindestens einen Zwischenraum zwischen Stator und Rotor angeordnet sind, welche die Viskosität der rheologisch aktiven Substanz und damit den Kraftschluss zwischen Rotor und Stator je nach Feldzustand verändern. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass unter einer rheologisch aktiven Flüssigkeit im Sinne der Erfindung ausschließlich Flüssigkeiten zu verstehen sind, die ihre Viskosität aufgrund eines angelegten elektrischen oder magnetischen Feldes signifikant verändern. Nicht darunter zu verstehen sind Substanzen, deren Viskosität ausschließlich aufgrund veränderlichen Druckes und veränderlicher Temperatur variiert. Zu den in Betracht zu ziehenden magneto- und elektro-rheologischen Substanzen gehören auch Substanzmischungen und Suspensionen, die beispielsweise durch den Einsatz von sogenannten Nano-Partikeln die gewünschte elektro- beziehungsweise magneto-rheologischen Eigenschaften erhalten.Corresponding this idea underlying the invention, beat the Inventor a coupling mechanism for variable positive connection between two relatively rotatable components before, consisting a stator and a rotatable rotor relative to the stator, wherein stator and rotor form at least one space, in which is a rheologically active substance, wherein further Means for generating a magnetic and / or electric field arranged in the at least one intermediate space between the stator and the rotor are what the viscosity the rheologically active substance and thus the adhesion between Change rotor and stator depending on field condition. In this context It should be noted that under a rheologically active liquid For the purposes of the invention, only liquids are to be understood, their viscosity due to an applied electric or magnetic field change significantly. Not Under it are to be understood substances, whose viscosity exclusively due to variable pressure and changeable Temperature varies. To be taken into account magneto and Electro-rheological substances also include substance mixtures and suspensions, for example, by the use of so-called Nano-particles the desired electro- or magneto-rheological Get properties.
Das
bevorzugte Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Kupplungsmechanismus befindet sich
hierbei im Bereich der Fahrzeugtechnik, insbesondere im Bereich
der Lenktechnik. So kann der erfindungsgemäße Kupplungsmechanismus besonders
vorteilhaft für
eine Lenksäulenverstelleinrichtung
verwendet werden. Eine solche Lenksäulenverstelleinrichtung ist
beispielsweise aus der vom Anmelder eingereichten Patentanmeldung
Bei solchen Lenksäulenverstelleinrichtungen ist es also notwendig, eine möglichst variable Kupplung zwischen einem Verstellmotor und einer oder mehreren Antriebsspindeln zur Verstellung der Lenksäule zu erreichen, wobei möglichst weitgehend auf mechanisch bewegliche Teile innerhalb des Kupplungsmechanismus verzichtet werden soll. Durch die erfindungsgemäße Ausführung eines solchen Kupplungsmechanismus, der seine Kraftübertragungswirkung lediglich durch das Ein- und Ausschalten eines elektrischen oder magnetischen Feldes und die dadurch bedingte Viskositätsänderung einer in der Kupplungsvorrichtung befindlichen rheologisch aktiven Substanz verändert, lässt sich eine derartige Kupplungseinheit zwischen dem Antriebsmotor einer Lenksäulenverstelleinrichtung und der dort angebrachten Verstellspindel, die eine Längsverstellung beziehungsweise auch eine Neigungsverstellung erreicht, besonders gut einsetzen.at Such steering column adjustment is it is therefore necessary, as possible variable coupling between an adjusting motor and one or more To achieve drive spindles for adjusting the steering column, where possible largely to mechanically moving parts within the clutch mechanism should be waived. Due to the inventive design of such a coupling mechanism, the power transmission effect only by switching on and off an electrical or magnetic field and the consequent change in viscosity a rheologically active in the coupling device Substance changes, let yourself Such a coupling unit between the drive motor of a steering column adjustment and the adjusting spindle attached there, the longitudinal adjustment or also achieved a tilt adjustment, use particularly well.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kupplungsmechanismus kann Stator und Rotor derart ausgebildet werden, dass zwischen ihnen mindestens ein Ringspalt entsteht, der bevorzugt auch mit Ein- und Ausbuchtungen ausgestattet ist. Ein solcher Ringspalt entsteht beispielsweise durch das Ineinanderfügen zweier im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Stator- und Rotoreinheiten. Werden zusätzlich auf den Oberflächen der zylindrischen Bauteile Ein- und Ausbuchtungen ausgebildet, so entsteht bei hoher Viskosität der rheologisch aktiven Substanz ein besonders guter Kraftschluss zwischen Rotor und Stator. Selbstverständlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, wenn zwischen Rotor und Stator nicht nur ein einziger sondern mehrere ineinander verschachtelte Ringspalte entstehen, so dass insgesamt die durch die rheologisch aktive Flüssigkeit benetzte Oberfläche und dadurch auch die Kraftübertragungen vergrößert werden.In an embodiment variant the coupling mechanism according to the invention Stator and rotor can be designed such that between them at least one annular gap is formed, which preferably also with on and Bulges is equipped. Such an annular gap arises, for example through the meshing two substantially cylindrical stator and rotor units. Become additional on the surfaces the cylindrical components formed indentations and bulges, so arises at high viscosity the rheologically active substance is a particularly good adhesion between rotor and stator. Of course it is also in the frame of the invention, when between rotor and stator not just a single but several nested annular gaps arise, so that the total through the rheologically active liquid wetted surface and thus also the power transmissions be enlarged.
Neben der Ausgestaltung des Zwischenraums zwischen Stator und Rotor als Ringspalt, besteht auch die Möglichkeit, Stator und Rotor derart auszuführen, dass der Zwischenraum zwischen ihnen scheibenförmig ausgebildet ist, wobei auch in dieser Ausbildungsform auf den begrenzenden Flächen des Zwischenraums Ein- und Ausbuchtungen angebracht sein können, um eine bessere Friktion zwischen Stator und Rotor zu erreichen.Next the design of the gap between the stator and the rotor as Annular gap, there is also the possibility Perform stator and rotor in such a way that the space between them is disc-shaped, wherein also in this form of training on the delimiting areas of the Interspaces bulges and bulges may be appropriate to to achieve a better friction between stator and rotor.
In einer besonderen Ausführungsform kann der mindestens eine Innenraum zwischen Rotor und Stator durch ein Gehäuse nach außen abgedichtet sein, so dass die rheologisch aktive Substanz nicht nach außen gelangen kann.In a particular embodiment can the at least one interior space between the rotor and stator a housing outward be sealed, so that the rheologically active substance is not after Outside can get.
Erfindungsgemäß kann der Kupplungsmechanismus so gestaltet sein, dass die rheologisch aktive Substanz direkten Kontakt mit den Oberflächen von Rotor und Stator erhält und somit auch die Hafteigenschaften zwischen den Oberflächen von Rotor und Stator einerseits und der rheologisch aktiven Substanz andererseits bei der Kraftübertragung mitspielen. Der erfindungsgemäße Kupplungsmechanismus kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass die rheologisch aktive Substanz keinen unmittelbaren Kontakt zu den Oberflächen von Rotor und Stator erhält und sich in einem flexiblen Mantel oder flexiblen Schlauch im Zwischenraum von Rotor und Stator befindet. Dabei wird Rotor und Stator mit zusätzlichen Ein- und Ausbuchtungen versehen, so dass bei hoher Viskosität, gegebenenfalls sogar einem Übergang in den festen Zustand der rheologisch aktiven Substanz, eine formschlüssige Verbindung zwischen Rotor und Stator erreicht wird. Grundsätzlich entspricht diese Ausführungsform einer Art in sich geschlossenen Peristaltikpumpe. In dieser Pumpe wird die rheologisch aktive Substanz in einem geschlossenen Schlauch umlaufend gepumpt. Durch das Anlegen eines Feldes erhöht sich die Viskosität gegebenenfalls bis zur Änderung des Aggregatszustandes und erhöht damit den Widerstand zwischen Rotor und Stator.According to the invention of Clutch mechanism be designed so that the rheologically active Substance receives direct contact with the surfaces of rotor and stator and thus also the adhesive properties between the surfaces of rotor and stator on the one hand and the rheologically active substance, on the other hand, in power transmission play. The coupling mechanism according to the invention However, it can also be designed so that the rheologically active Substance no direct contact with the surfaces of Rotor and stator receives and in a flexible sheath or flexible hose in the space located by rotor and stator. It is rotor and stator with additional Indentations and bulges provided so that at high viscosity, if necessary even a transition in the solid state of rheologically active substance, a positive connection between rotor and stator is achieved. Basically, this embodiment corresponds a kind of self-contained peristaltic pump. In this pump becomes the rheologically active substance in a closed tube pumped all around. By creating a field increases the viscosity if necessary until the change of the state of aggregation and increased thus the resistance between rotor and stator.
Bei dieser Ausführungsform mit einem Peristaltikschlauch kann es vorteilhaft sein, wenn die Ausbuchtungen von Rotor oder Stator zusätzliche Wälzkörper aufweisen, so dass mög lichst geringe Friktion zwischen den Ausbuchtungen und der Wandung des Schlauches beziehungsweise flexiblen Mantels entsteht. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Innenraum zwischen Rotor und Stator nicht speziell abgedichtet werden muss und trotzdem die rheologisch aktive Substanz nicht nach außen dringen kann.at this embodiment with a peristaltic tube, it may be advantageous if the Bulges of the rotor or stator have additional rolling elements, AS POSSIBLE low friction between the bulges and the wall of the tube or flexible sheath arises. Such a design has the advantage that the interior space between the rotor and stator is not special must be sealed and still the rheologically active substance not outward can penetrate.
Zur Erzeugung des magnetischen Feldes kann beispielsweise ein schaltbarer Elektromagnet dienen oder es können auch zwei gegeneinander verdrehbare oder verschiebbare Permanentmagnete vorgesehen werden, die je nach ihrer Ausrichtung das Feld in der rheologischen Flüssigkeit verstärken oder abschwächen und somit die Viskosität der rheologisch aktiven Substanz verändern.For generating the magnetic field, for example, serve a switchable electromagnet or it can also be provided two mutually rotatable or displaceable permanent magnets, depending on their orientation, the field in the rheological fluid amplify or weaken and thus the viscosity of the rheo change logically active substance.
Ist es notwendig zur Veränderung der Viskosität der rheologisch aktiven Substanz ein elektrisches Feld aufzubauen, so kann beispielsweise dieses elektrische Feld mit Hilfe eines Kondensators, beispielsweise durch einen Plattenkondensator, erzeugt werden, wobei die rheologisch aktive Substanz dann im Zwischenbereich zwischen den Kondensatorplatten angeordnet sein sollte.is it is necessary for change the viscosity the rheologically active substance to build up an electric field, For example, this electric field with the help of a capacitor, for example by a plate capacitor, the rheological active substance then in the intermediate area between the capacitor plates should be arranged.
Um eine möglichst hohe Wirksamkeit des erzeugten magnetischen Feldes zu erreichen, kann auf vorteilhafte Weise der Stator und/oder der Rotor und/oder das Gehäuse aus nichtmagnetisierbarem Material hergestellt sein. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Kunststoff handeln.Around one possible to achieve high efficiency of the generated magnetic field, can advantageously the stator and / or the rotor and / or the housing be made of non-magnetizable material. Preferably this may be plastic.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Begriffe Rotor und Stator lediglich beschreiben, dass im Bezugssystem des Stators, in dem dieser naturgemäß statisch ist, der Rotor relativ hierzu rotiert. Wird ein anderes Bezugssystem gewählt, so können sowohl Rotor als auch Stator in rotierender Bewegung sein.It It should be noted that the terms rotor and stator only describe that in the frame of reference of the stator in which this naturally static is, the rotor is rotated relative thereto. Becomes another frame of reference selected so can both rotor and stator are in rotating motion.
Es ist weiterhin darauf hinzuweisen, dass unter einer rheologisch aktiven Substanz ein Medium verstanden wird, welches durch das Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes seine Viskosität im Bereich mehrerer Millipascalsekunden [mPa s] verändern kann. Nicht darunter zu verstehen sind Substanzen, deren Viskosität sich im wesentlichen nur aufgrund von variablen Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Druck, ändert.It is further noted that under a rheologically active Substance is understood as a medium which by applying a magnetic or electric field its viscosity in the range of several millipascal seconds Change [mPa s] can. Not to be understood by it are substances whose viscosity is in the essential only due to variable environmental conditions, such as Temperature and pressure, changes.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.additional Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of preferred embodiments with reference to the drawings.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es stellen dar:The Invention will be explained in more detail with reference to the drawings. They show:
Die
Zur
Steuerung der rheologisch aktiven Flüssigkeit dient ein am Kupplungsgehäuse angebrachter Schaltmagnet
Eine ähnliche
Ausführung
eines Kupplungsmechanismus
Obwohl
der erfindungsgemäße Kupplungsmechanismus
in vielerlei Anwendungsbeispielen Verwendung finden kann, ist jedoch
ein besonders bevorzugtes Anwendungsbeispiel in der
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in den jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Erfindung zu bewirken.It it is understood that the above features of the invention not only in the specified combination, but also in others Combinations or alone, without the frame to leave the invention. Likewise, it is within the scope of the invention mechanical reversal of the functions of the individual mechanical elements to effect the invention.
Insgesamt wird also durch die Erfindung ein, bezüglich seiner Drehmomentübertragung variabel einstellbarer, Kupplungsmechanismus zwischen zwei relativ zueinander rotierbaren Bauteilen vorgeschlagen, in dem die Stärke der Kopplung zwischen den rotierenden Bauteilen durch Verwendung einer rheologisch aktiven Substanz und einem veränderlichem Feld bestimmt wird.All in all So is by the invention, with respect to its torque transmission variably adjustable, coupling mechanism between two relative proposed to each other rotatable components, in which the strength of the Coupling between the rotating components by using a rheological active substance and a variable Field is determined.
- 11
- Kupplungsmechanismusclutch mechanism
- 22
- Stator/KupplungsgehäuseStator / clutch housing
- 33
- Rotor/SpindelmutterRotor / spindle nut
- 44
- Zwischenraum mit rheologischer Flüssigkeitgap with rheological fluid
- 55
- Schlauch mit rheologisch aktiver Flüssigkeit im Zwischenraumtube with rheologically active liquid in the space
- 66
- Spindel/AchseSpindle / axle
- 77
- Schaltmagnet mit Spuleswitching magnet with coil
- 88th
- Rollerole
- 99
- Ein-/AusbuchtungenInput / convexities
Claims (9)
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