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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines durch Ändern der
Viskosität eines
rheologischen Fluids schaltbaren Schaltelementes, wobei die Viskosität des rheologischen
Fluids in einem Aufnahmeraum durch Variieren der Feldstärke eines
auf das rheologische Fluid beziehungsweise den Aufnahmeraum aufgebrachten
elektrischen Feldes wahlweise geändert
wird.
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Schaltelemente,
die mit rheologischen Fluiden arbeiten, sind bekannt. Beispielsweise
können solche
Schaltelemente eine Ventilfunktion oder die Funktion einer Fluidkupplung
mit einstellbarem Schlupf zwischen den beiden Kupplungshälften aufweisen.
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Herkömmlich weisen
solche Schaltelemente einen Aufnahmeraum auf, der stets mit rheologischem
Fluid befüllt
ist. Um das elektrische Feld mit einer gewünschten Feldstärke auf
das rheologische Fluid im Aufnahmeraum aufzubringen, werden Begrenzungsflächen des
Aufnahmeraums mit zueinander verschiedener elektrischer Ladung aufgeladen. Beispielsweise
wird eine erste Begrenzungsfläche mit
einer positiven Ladung aufgeladen, und eine zweite, der ersten Begrenzungsfläche gegenüberstehende
Begrenzungsfläche
wird mit einer zweiten negativen elektrischen Ladung. Je größer der
Unterschied der Ladung zwischen diesen beiden sich gegenüberstehenden
Begrenzungsflächen
des Aufnahmeraums ist, desto größer ist
die Feldstärke
des elektrischen Feldes und desto höher die Viskosität des Fluides
im Aufnahmeraum zwischen diesen beiden Begrenzungsflächen. In
bestimmten Betriebszuständen
soll die Feldstärke
nun soweit erhöht
werden, dass sich das rheologische Fluid weitgehend verfestigt und
mehr oder minder pastös
beziehungsweise starr wird. Beispielsweise werden hierzu Feldstärken von
6 kV pro mm Abstand zwischen den sich gegenüberstehenden Begrenzungsflächen erzeugt. Selbstverständlich sind
auch größere oder
kleinere Feldstärken
möglich,
je nach Eigenschaften des Fluids.
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Auf
dem Gebiet der Schaltelemente, die mit rheologischen Fluiden arbeiten,
konnten in jüngerer Zeit
große
technische und funktionelle Fortschritte besonders durch die Entwicklung
verbesserter Fluide erreicht werden, wobei ein großer Vorteil
in der Möglichkeit
der exakten Steuerung des Übertragungsverhaltens
des rheologischen Fluids in Fluidkupplungen und des exakten Schaltverhaltens
des rheologischen Fluids in durch das Schaltelement ausgebildeten Schaltventilen
liegt. Hierzu ist eine wichtige Voraussetzung die Reversierbarkeit
bei der Verfestigung und der Verflüssigung des rheologischen Fluids durch
Verstärken
und Reduzieren der Feldstärke
des aufgebrachten elektrischen Feldes. In jüngerer Zeit haben sich in Versuchen
jedoch überraschend
Anwendungsfälle
ergeben, in denen die vollständige Reversierbarkeit
zum Teil aufgehoben wurde und sich die charakteristischen Eigenschaften
des rheologischen Fluids im Laufe des Betriebs des Schaltelements
bleibend geändert
haben, so dass die exakte Steuerung des Ansprechverhaltens von mit
rheologischem Fluid arbeitenden Fluidkupplungen und mit rheologischem
Fluid arbeitenden Ventilen gestört wurde.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Steuern eines durch Ändern
der Viskosität
eines rheologischen Fluids schaltbaren Schaltelementes anzugeben,
bei welchem die beschriebene Veränderung
der charakteristischen Eigenschaften des rheologischen Fluids verhindert
wird.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
beschreiben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
die Viskosität
eines rheologischen Fluids in einem Aufnahmeraum eines Schaltelementes
variiert, um entweder das Schaltelement von einem ersten Betriebszustand
in einen zweiten Betriebszustand, beispielsweise zur Ausbildung
einer Ventilfunktion, zu schalten oder bei Ausbilden einer Fluidkupplung mit
dem Schaltelement das Übertragungsverhalten des
rheologischen Fluids zu variieren. Selbstverständlich sind andere Anwendungsfälle denkbar.
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Die
Viskosität
des Fluids wird durch Aufbringen eines elektrischen Feldes auf das
Fluid verändert.
Insbesondere nimmt die Viskosität
mit zunehmender Feldstärke
zu, so dass in einem feldfreien Zustand oder einem Zustand mit einem
vergleichsweise schwachen Feld das Fluid flüssig ist beziehungsweise sich
wie ein Newton-Fluid verhält,
und in einem Zustand mit einer vergleichsweise großen Feldstärke zäh und pastös wird beziehungsweise
die Eigenschaften eines Bingham-Fluids aufweist. Man könnte auch
sagen, das Fluid weist im nicht durch ein Feld beaufschlagten Zustand
die Konsistenz einer Flüssigkeit
auf, wohingegen es im feldbeaufschlagten Zustand in der Lage ist,
zwei Oberflächen
aneinander zu binden oder miteinander zu verkleben.
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Das
Verbinden beziehungsweise Verkleben kann durch Teilchen in dem Fluid
erreicht werden, die durch die elektrische Ladung beziehungsweise
durch Beaufschlagen mit dem elektrischen Feld Ketten bilden, die
sich parallel zu dem elektrischen Feld ausrichten. Die Kraft der
Verbindung beziehungsweise Verklebung der beiden Oberflächen aneinander
mittels dem rheologischen Fluid hängt von der Feldstärke des
aufgebrachten Feldes ab.
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Die Änderung
in der Viskosität
des Fluids kann in wenigen Millisekunden stattfinden, und der Vorgang
der Verfestigung des Fluids ist reversibel.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der Aufnahmeraum für
das rheologische Fluid des Schaltelementes nicht stets im befüllten Zustand
gehalten, sondern in vorgegebenen Betriebszuständen wird der Aufnahmeraum
im Wesentlichen oder vollständig
von dem rheologischen Fluid entleert. Bei Ausbilden einer Fluidkupplung
mit dem Schaltelement kann dies beispielsweise dazu dienen, die
Antriebsleistungsübertragung
von einem Primärrad
auf ein Sekundärrad,
welche gemeinsam den Aufnahmeraum – dann auch Arbeitsraum genannt – ausbilden, zu
unterbrechen, um beispielsweise eine von einer Antriebsmaschine über die
Fluidkupplung angetriebene Arbeitsmaschine oder von einer Antriebsmaschine über die
Fluidkupplung angetriebene Antriebsräder eines Fahrzeugs nicht weiter
anzutreiben. Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde,
dass das rheologische Fluid, welches, wenn der Aufnahmeraum des
Schaltelementes im Wesentlichen vollständig mit diesem befüllt ist,
als ein elektrischer Isolator wirkt, der einen Funkenschlag zwischen
den verschiedenen elektrisch geladenen, den Aufnahmeraum begrenzenden
Flächen verhindert,
jedoch die Isolationswirkung beim Entleeren des Aufnahmeraums so
stark abgebaut wird, dass dann bei anliegendem elektrischen Feld
ein Funkenschlag stattfinden kann, welcher wiederum jenen Teil des
noch nicht aus dem Aufnahmeraum entleerten Fluids dauerhaft schädigen kann
und so die rheologischen Eigenschaften des Fluids bleibend ändert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht daher vor, dass vor einer Entleerung des Aufnahmeraums, um
diesen in den entleerten Zustand zu überführen, wenigstens der Unterschied
in der elektrischen Ladung der den Aufnahmeraum begrenzenden Flächen, der
zu einer elektrischen Spannung zwischen diesen Flächen führt, bis
auf eine vorgegebene Restspannung oder vollständig abgebaut wird und so lange
abgebaut gehalten wird, bis der Aufnahmeraum erneut im Wesentlichen
oder vollständig
mit rheologischem Fluid befüllt
ist, so dass die Isolatorwirkung des Fluids einen Funkenschlag wieder
verhindert.
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Besonders
einfach kann die elektrische Ladung der den Aufnahmeraum begrenzenden
Flächen bis
auf eine vorgegebene Restladung oder vollständig abgebaut werden und dementsprechend
so lange abgebaut gehalten werden, bis der Aufnahmeraum erneut im
Wesentlichen oder vollständig
mit rheologischem Fluid befüllt
ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist demnach bei solchen Schaltelementen vorteilhaft, bei welchen
der Aufnahmeraum durch einen Entleervorgang desselben vorübergehend
gleichzeitig teilweise mit Luft oder einem anderen Gas befüllt oder
evakuiert und teilweise mit rheologischem Fluid befüllt ist, da
die dann, ohne die erfindungsgemäß vorgesehene
vorzeitige Abschaltung des elektrischen Feldes, stattfindende elektrische
Entladung durch Funkenschlag von einer den Aufnahmeraum begrenzenden Fläche auf
eine andere, den Aufnahmeraum begrenzenden Fläche durch den Aufnahmeraum
hindurch das noch nicht aus dem Aufnahmeraum entwichene rheologische
Fluid schädigen
könnte.
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Wenn
das erfindungsgemäße schaltbare Schaltelement
als rheologisches Ventil ausgeführt ist,
das heißt
als ein Schaltventil, bei welchem in einem ersten Zustand der Strömungsquerschnitt
freigegeben wird, und in einem zweiten Schaltzustand der Strömungsquerschnitt
durch das Ventil verschlossen wird, indem dieser durch erstarrtes
rheologisches Fluid gesperrt wird, so weist das Schaltelement einen
Einlass in den Aufnahmeraum und einen Auslass aus dem Aufnahmeraum
auf, wobei der Aufnahmeraum den genannten Strömungsquerschnitt durch das
Ventil ausbildet. Über
den Einlass kann rheologisches Fluid durch den Aufnahmeraum hindurch
und aus dem Auslass wieder herausströmen, solange das rheologische
Fluid ausreichend flüssig ist,
das heißt
kein oder nur ein schwaches elektrisches Feld auf den Aufnahmeraum
aufgebracht wird. Durch Beaufschlagen des Aufnahmeraums mit einem
stärkeren,
insbesondere maximalen elektrischen Feld, das heißt die am
Aufnahmeraum angrenzenden Bauteile, welche die begrenzenden Flächen des
Aufnahmeraums ausbilden, werden mit maximal möglicher Ladung beziehungsweise
Ladungsdifferenz relativ zueinander geladen, wird das rheologische
Fluid in dem Aufnahmeraum starr und sperrt somit die Strömungsverbindung
zwischen dem Einlass und dem Auslass.
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Bei
Ausführung
des schaltbaren Schaltelementes als Fluidkupplung, insbesondere
als hydrodynamische Kupplung oder als Viskokupplung, wird mittels
dem rheologischen Fluid in einem Arbeitsraum (dem Aufnahmeraum)
zwischen einem Primärrad
und einem Sekundärrad
der Kupplung Antriebsleistung vom Primärrad auf das Sekundärrad übertragen,
wobei die Leistungsübertragung
durch Variieren der Viskosität
des rheologischen Fluids durch Ändern der
elektrischen Spannung beziehungsweise der elektrischen Feldstärke, die
auf den Arbeitsraum und das in diesem enthaltene Fluid aufgebracht
wird, wahlweise gesteuert oder geregelt wird. Bei einem Erstarren
des rheologischen Fluids im Arbeitsraum aufgrund eines ausreichend
starken elektrischen Feldes wird der Schlupf zwischen dem Primärrad und dem
Sekundärrad
im Wesentlichen oder vollständig auf
Null reduziert, so dass das Primärrad
und das Sekundärrad
mit derselben Drehzahl umlaufen. Vorteilhaft kann bei einer solchen
Fluidkupplung der Arbeitsraum in bestimmten Betriebszuständen vollständig von
dem rheologischen Fluid entleert werden, um die Antriebsleistungsübertragung
vom Primärrad
auf das Sekundärrad
vollständig
zu unterbinden.
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Eine
solche Fluidkupplung als schaltbares Schaltelement kann beispielsweise
in einem Antriebsstrang zwischen einer Antriebsmaschine und einer
Arbeitsmaschine eingesetzt werden. Die Antriebsmaschine kann beispielsweise
ein Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs sein, die Arbeitsmaschine
ein Kompressor, eine Pumpe oder ein Lüfterrad. Der Kompressor kann
beispielsweise ein Luftkompressor, insbesondere Kolbenkompressor,
sein, um ein Druckluftsystem eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen,
in welchem der Kompressor mit optimalem Wirkungsgrad angetrieben
werden kann, wenn ein Fördern
von Luft in das Druckluftsystem notwendig ist, und abgeschaltet
werden kann, wenn keine Luftförderung
notwendig ist, da ein ausreichender Luftdruck im Druckluftsystem
vorherrscht.
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Selbstverständlich sind
weitere Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Anwendungsbespielen und
den Figuren exemplarisch erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
in Form eines schaltbaren Ventils zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
in Form einer Fluidkupplung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
der 1 erkennt man ein Ventil mit einem Einlass 3 und
einem Auslass 4 für
rheologisches Fluid, siehe die durch die Pfeile dargestellte Strömungsrichtung.
Das Ventil weist einen Durchgang in Form einer hier zylinderförmigen oder
auch mit einem anderen Querschnitt versehenen Leitung auf, die den Aufnahmeraum 1 für rheologisches
Fluid ausbildet. Die an den Aufnahmeraum 1 angrenzenden
Wände beziehungsweise
Bauteile sind elektrisch geladen, wobei ein erster Bereich positiv
und ein zweiter, dem ersten Bereich gegenüberstehender Bereich negativ geladen
ist. Somit ergibt sich ein elektrisches Feld 2, dessen
Feldlinien vom Bereich der positiven Ladung zum Bereich der negativen
Ladung gerichtet sind.
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Wenn
das elektrische Feld im Aufnahmeraum 1 ausreichend stark
ist, wird der Durchgang durch das Ventil durch erstarrtes rheologisches
Fluid verschlossen. Bei einem kleinen elektrischen Feld beziehungsweise
einem ausgeschalteten elektrischen Feld hingegen ist das rheologische
Fluid flüssig,
so dass der Durchgang durch das Ventil frei ist.
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Bei
der in der 2 dargestellten Ausführungsform
wird der Aufnahmeraum 1 zwischen einem Primärrad 10 und
einem Sekundärrad 11 gebildet.
Das Primärrad 10 ist über eine
Antriebswelle 12 antreibbar. Das Sekundärrad 11 treibt eine
Abtriebswelle 13 an. Je verfestigter das rheologische Fluid
im Aufnahmeraum 1 ist, desto geringer ist der Schlupf zwischen
dem Primärrad 10 und
dem Sekundärrad 11 und
damit der Antriebswelle 12 und der Abtriebswelle 13.
Durch Entleeren des Aufnahmeraums 1 kann die Antriebsleistungsübertragung
vom Primärrad 10 auf
das Sekundärrad 11 unterbrochen
werden.