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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine magnetorheologische Kupplung.
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Bei
einer magnetorheologischen Kupplung wird der Grad der Kopplung zwischen
einem Primärteil der Kupplung und einem Sekundärteil
der Kupplung durch ein Magnetfeld (magnetische Induktion) gesteuert.
Der die Kopplung regulierende Parameter ist dabei die magnetfeldabhängige
Viskosität eines magnetorheologischen Mediums, welches
zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil der
Kupplung angeordnet ist. Bei dem magnetorheologischen Medium kann
es sich beispielsweise um ein magnetorheologisches Pulver, Gel oder
Fluid handeln.
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Grundsätzlich
sind magnetorheologische Lamellenkupplungen bekannt, deren Primärteil
und Sekundärteil drehfest mit Lamellen verbunden sind.
Die mit dem Primärteil verbundenen Lamellen sind im Wechsel
mit den mit dem Sekundärteil verbundenen Lamellen angeordnet.
Die Spalte zwischen den Lamellen sind mit einem magnetorheologischen
Medium gefüllt, das eine mit steigender Magnetfeldstärke zunehmende
Viskosität aufweist. Werden die Spalte mit einem Magnetfeld
beaufschlagt, dann nimmt somit die Viskosität des magnetorheologischen
Mediums zu und es wird durch die dadurch steigende Reibung eine
mechanische Kopplung zwischen den Lamellen des Primärteils
und den Lamellen des Sekundärteils hergestellt, wodurch
ein Drehmomentübertrag von dem Primärteil auf
den Sekundärteil – oder umgekehrt – stattfinden
kann.
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Allerdings
besitzen die Lamellen – sofern sie aus magnetisierbarem
Material bestehen – eine das Magnetfeld abschirmende Wirkung.
Um den Effekt der Abschirmung zu minimieren und ein ausreichend starkes
Magnetfeld zur effektiven Magnetisierung des magnetorheologischen
Fluids in den mehreren in Magnetfeldrichtung hintereinander liegenden
Kopplungsspalten zur Verfügung stellen zu können,
werden die Lamellen üblicherweise mit Durchbrechungen versehen
(z. B. offene oder mit Kunststoffeinsätzen versehene Schlitze).
Mit anderen Worten weisen die Lamellen der bekannten magnetorheologischen Kupplungen
Zonen geringerer magnetischer Permeabilität auf, um die
magnetische Abschirmwirkung der Lamellen zu verringern.
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Zwar
wird durch diese Maßnahme sichergestellt, dass die Kopplungsspalte
mit einem ausreichend starken Magnetfeld beaufschlagt werden, um die
gewünschten Viskositätsänderungen des
magnetorheologischen Fluids hervorzurufen. Allerdings reduzieren
die Durchbrechungen die mechanische Stabilität der Lamellen
und damit die Belastbarkeit der Kupplung. Außerdem erfordert
die Herstellung der Durchbrechungen einen zusätzlichen
Fertigungsschritt, der sich nachteilig bei den Herstellungskosten der
bekannten Kupplungen niederschlägt.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine magnetorheologische
Kupplung zu schaffen, die einerseits robust und belastbar ist, sich
andererseits aber auch kostengünstig fertigen lässt.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand mit
den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die
erfindungsgemäße magnetorheologische Kupplung
umfasst einen Primärteil, einen Sekundärteil und
einen Magneten zur Erzeugung eines Magnetfelds. Der Primärteil
und der Sekundärteil sind relativ zueinander um eine Drehachse
der Kupplung drehbar, wobei der Primärteil drehfest mit
zumindest einer Lamelle verbunden ist, die von Kopplungsspalten
umgeben ist. In den Kopplungsspalten ist ein magnetorheologisches
Medium angeordnet. Die Dicke der Lamelle entlang der Kopplungsspalte
besitzt einen Wert im Bereich von ungefähr 0,4 mm bis ungefähr
1 mm, wobei die Lamelle entlang der Kopplungsspalte ohne Materialunterbrechung
ausgebildet ist.
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Mit
anderen Worten handelt es sich bei der erfindungsgemäßen
Kupplung um eine Lamellenkupplung mit zumindest einer Lamelle, die
mit Kopplungsspalten in Kontakt steht, die mit einem magnetorheologischen
Medium gefüllt sind. Wie bereits eingangs erwähnt,
ist eine der charakteristischen Eigenschaften des magnetorheologischen
Mediums, dass seine Viskosität eine Funktion der Stärke
des auf das Medium einwirkenden Magnetfelds ist.
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Im
Gegensatz zu bekannten magnetorheologischen Kupplungen ist die Lamelle
entlang der Kopplungsspalte unterbrechungsfrei ausgebildet. Dies
erhöht die Stabilität der Lamelle, wodurch höhere
Drehmomente von einem mit der Kupplung verbundenen Eingangsglied
auf ein ebenfalls mit der Kupplung verbundenen Ausgangsglied übertragen werden
können. Eine stabilere Lamelle ermöglicht bei
gegebener radialer Erstreckung (bei Scheibenlamellen) bzw. bei gegebener
radialer und axialer Erstreckung (bei Zylinderlamellen oder Topflamellen) die Übertragung
eines höheren Drehmoments. Umgekehrt beansprucht die erfindungsgemäße
Kupplung weniger Bauraum als eine vergleichbar leistungsfähige
herkömmliche magnetorheologische Kupplung.
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Die
Lamelle der erfindungsgemäßen Kupplung weist zudem
eine vergleichsweise geringe Dicke von ungefähr 0,4 mm
bis ungefähr 1 mm auf. Durch die geringe Dicke der Lamelle
ist diese bereits bei niedrigen Feldstärken in Sättigung
bringbar (niedrige Sättigungsfeldstärke/Sättigungsinduktion),
verglichen mit den Lamellen herkömmlicher magnetorheologischer
Kupplungen. Da sich ein magnetisch gesättigtes Material
bezüglich des Magnetfelds wie ein Vakuum verhält – dann
also im Wesentlichen für das Magnetfeld "transparent" ist –,
verliert die entsprechende Lamelle ihre abschirmende Wirkung bereits bei
niedrigen Feldstärken, und das Magnetfeld erreicht zuverlässig
auch den in Feldrichtung hinter der Lamelle gelegenen Kopplungsspalt,
um eine Viskositätsänderung des darin befindlichen
magnetorheologischen Mediums zu bewirken. Somit tritt die Sättigung
des magnetorheologischen Mediums in allen Kopplungsspalten bei niedrigeren
Magnetfeldstärken ein als bei bekannten magnetorheologischen
Kupplungen mit durchbrechungsfreien Lamellen. Der Magnet und ggf.
eine zugeordnete Magnetspule können dementsprechend kleiner
dimensioniert sein.
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Mit
anderen Worten zeitigt die geringe Dicke der Lamelle eine "schnelle"
magnetische Sättigung der Lamelle, weshalb die Verwendung
von speziellen weichmagnetischen Materialien nicht notwendig ist. Auf
das Vorsehen von Durchbrechungen in der Lamelle kann ebenfalls verzichtet
werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
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Gemäß einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kupplung weist die Lamelle einen hohlzylindrischen Abschnitt auf,
der ohne Materialunterbrechungen ausgebildet ist und koaxial zu
der Drehachse der Kupplung angeordnet ist.
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Es
kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Lamelle einen
Bodenabschnitt aufweist, wobei der Bodenabschnitt und der genannte
hohlzylindrische Abschnitt zusammen einen im Wesentlichen topfartigen
Lamellenkörper definieren. Im Gegensatz zu dem hohlzylindrischen
Abschnitt kann der genannte Bodenabschnitt eine Durchbrechung aufweisen,
die beispielsweise in dessen zentralem Bereich angeordnet ist. Mit
anderen Worten handelt es sich bei dieser Ausführungsform
bei der zumindest einen Lamelle um eine Topflamelle, bei der die
Kopplung durch das magnetorheologische Medium im Wesentlichen in
den parallel zur Drehachse der Kupplung verlaufenden Kopplungsspalten
erfolgt. Derartige Topflamellen ermöglichen eine kompakte
Bauweise der Kupplung bei gleichzeitig hoher Drehmomentübertragungsleistung.
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Bei
einer Ausführungsform der Lamelle mit lediglich einem hohlzylindrischen
Abschnitt, d. h. ohne Bodenabschnitt, kann von einer Zylinderlamelle gesprochen
werden. Auch bei Zylinderlamellen erfolgt die Kopplung durch das
magnetorheologische Medium im Wesentlichen in den koaxial zur Drehachse
der Kupplung verlaufenden Kopplungsspalten.
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Bei
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform besitzt die
Dicke der Lamelle in dem hohlzylindrischen Abschnitt entlang der
Kopplungsspalte einen Wert von ungefähr 0,6 mm bis ungefähr
0,9 mm, insbesondere einen Wert im Bereich von ungefähr
0,7 mm bis ungefähr 0,8 mm. Dieser Dickenbereich gewährleistet
einerseits eine gute mechanische Stabilität der hohlzylindrischen
Lamelle, andererseits wird die magnetische Sättigung der
Lamelle bei hinreichend niedrigen Magnetfeldstärken erreicht.
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Eine
alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen
magnetorheologischen Kupplung sieht vor, dass die Lamelle eine Scheibenlamelle
ist.
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Eine
derartige Ausgestaltung der Kupplung ist konstruktiv einfach und
kostengünstig.
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Gemäß einer
Weiterbildung der zumindest eine Scheibenlamelle umfassenden Ausführungsform
besitzt die Dicke der Lamelle entlang der Kopplungsspalte einen
Wert von ungefähr 0,4 mm bis ungefähr 0,8 mm.
Eine derartige Dicke gewährleistet eine hinreichende mechanische
Stabilität bei niedriger Sättigungsfeldstärke
(Sättigungsinduktion) der Lamelle. Besonders niedrige Sättigungsfeldstärken ergeben
sich für eine Dicke der Lamelle entlang der Kopplungsspalte
im Bereich von etwa 0,4 mm bis ungefähr 0,6 mm.
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Bezüglich
der vorgenannten Ausführungsformen ist es für
die meisten Anwendungen wünschenswert, dass die Breite
der Kopplungsspalte (also der Abstand zwischen der jeweiligen Lamelle
und dem benachbarten Kupplungsteil oder der benachbarten Lamelle)
höchstens 1 mm beträgt. Untersuchungen haben ergeben,
dass eine Spaltbreite mit einem Wert im Bereich von ungefähr
0,3 mm bis ungefähr 0,8 mm in Kombination mit den vorgenannten
Werten der Lamellendicke besonders vorteilhaft ist. Bei einer derartigen
Breite der Kopplungsspalte wirkt das angelegte Magnetfeld nämlich
besonders effizient auf das magnetorheologische Medium in sämtlichen
der Kopplungsspalte, so dass lediglich ein geringes Magnetfeld angelegt
werden muss. Die zum Erzeugen des Magnetfelds verwendet Spule kann
dementsprechend klein dimensioniert sein. Insgesamt ergibt sich hierdurch
eine vorteilhaft kleinvolumige Ausgestaltung der magnetorheologischen
Kupplung, selbst wenn zur Aufnahme oder Übertragung des
gewünschten Kupplungsmoments eine Vielzahl von ineinander
greifenden Kupplungslamellen benötigt wird. Diese Vorteile
werden besonders wirkungsvoll erzielt, wenn die Breite der Kopplungsspalte
einen Wert im Bereich von ungefähr 0,3 mm bis ungefähr 0,6
mm besitzt.
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Insbesondere
kann bei den vorstehend erläuterten Topflamellen die Lamellendicke
in dem hohlzylindrischen Abschnitt einen Wert im Bereich von ungefähr
0,6 mm bis ungefähr 0,9 mm besitzen, bei einer Breite der
Kopplungsspalte im Bereich von ungefähr 0,3 mm bis ungefähr
0,8 mm. Eine besonders effiziente Durchsetzung des magnetorheologischen
Mediums von dem angelegten Magnetfeld ergibt sich bei einer Dicke
der hohlzylindrischen Lamellenabschnitte im Bereich von ungefähr
0,7 mm bis ungefähr 0,8 mm in Kombination mit einer Breite
der Kopplungsspalte im Bereich von ungefähr 0,3 mm bis ungefähr
0,6 mm.
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Bezüglich
der vorstehend erläuterten Scheibenlamellen resultiert
eine effiziente Einwirkung des angelegten Magnetfelds auf das magnetorheologische
Medium bei einer Lamellendicke im Bereich von ungefähr
0,4 mm bis ungefähr 0,8 und bei einer Breite der Kopplungsspalte
im Bereich von ungefähr 0,3 mm bis ungefähr 0,8
mm. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Dicke der Kupplungslamellen
im Bereich von ungefähr 0,4 mm bis ungefähr 0,6
mm in Kombination mit einer Breite der Kopplungsspalte im Bereich
von ungefähr 0,3 mm bis ungefähr 0,6 mm erwiesen.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Lamelle aus einem Material gefertigt
ist, dessen Sättigungsinduktion größer
als 1,2 Tesla ist. Bei derartigen Materialien handelt es sich somit
nicht um so genannte weichmagnetische Materialien, wie etwa Eisen-Nickel-Legierungen,
da die erwünschte Sättigung des Lamellenmaterials,
wie vorstehend ausgeführt, bereits durch die geringe Dicke
der Lamelle erreicht wird. Insbesondere eigenen sich Materialien,
deren Sättigungsinduktion größer als
1,5 Tesla ist. Demzufolge können auch Materialien mit einer
Sättigungsinduktion von etwa 1,8 Tesla zur Herstellung
der Lamelle verwendet werden.
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Die
Lamelle kann aus unlegiertem Qualitätsstahl, insbesondere
den Stahlsorten DC01, DC03, DC04 oder DC05, oder legiertem Qualitätsstahl,
insbesondere der Stahlsorte DC06, gefertigt sein, wobei die Stahlsorten
durch die DIN EN 10027-1 definiert sind. Diese
Qualitätsstähle sind kostengünstig und weisen
eine hohe mechanische Stabilität und geeignete magnetische
Eigenschaften auf. Bisher wurde derartiger Qualitätsstahl
für die Herstellung unterbrechungsfreier Lamellen für
magnetorheologische Kupplungen mit geringer Betriebsfeldstärke
des Magneten als ungeeignet angesehen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
magnetorheologischen Kupplung ist eine bestimmte Betriebsfeldstärke
des Magneten vorgesehen, wobei die Dicke der Lamelle und die Betriebsfeldstärke
derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Lamelle bei der Betriebsfeldstärke
des Magneten zumindest abschnittsweise – insbesondere entlang
der Kopplungsspalte – in einen Zustand magnetischer Sättigung
gebracht ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform der magnetorheologischen
Kupplung ist der Magnet ein Permanentmagnet. Ein oder mehrere Permanentmagnete
können beispielsweise in Anwendungen zur Begrenzung eines
zwischen dem Primär und dem Sekundärteil übertragenen
Drehmoments eine kostengünstige und effiziente Alternative
zu einer elektrischen Magnetfelderzeugung darstellen.
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Alternativ
oder zusätzlich kann die Betriebsfeldstärke des
Magneten durch eine dem Magneten zugeordnete Steuereinrichtung steuerbar
sein, wobei der Magnet zumindest eine Spule umfasst. Die vorbestimmte
Betriebsfeldstärke des Magneten wird also durch entsprechende
elektrische Bestromung der Spule erzeugt. Dies ermöglicht
es, den Grad der Kopplung zwi schen dem Primärteil und dem
Sekundärteil variabel zu steuern. In diesem Fall wird die
Lamelle vorzugsweise bei der maximalen einstellbaren Betriebsfeldstärke
des Magneten in den Zustand magnetischer Sättigung gebracht.
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Der
Magnet kann weiterhin dergestalt ausgebildet sein, dass bei der
genannten Ausführungsform der Kupplung mit zumindest einem
hohlzylindrischen Lamellenabschnitt das von dem Magnet erzeugte Magnetfeld
im Bereich des hohlzylindrischen Abschnitts der Lamelle im Wesentlichen
senkrecht zur Drehachse der Kupplung gerichtet ist. Mit anderen Worten
sind die für die mechanische Kopplung der Lamelle relevanten
Komponenten des Magnetfelds bei einer Kupplung mit zumindest einer
Zylinderlamelle oder Topflamelle radial zur Drehachse der Kupplung
ausgerichtet. Bei einer Kupplung mit zumindest einer Scheibenlamelle
erstreckt sich die relevante Magnetfeldkomponente vorzugsweise parallel
zu der Drehachse der Kupplung.
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Der
Magnet kann mehrere Spulen mit jeweils zumindest einem Spulenkern
umfassen, die durch ein Isoliermaterial mit niedriger magnetischer
Permeabilität voneinander getrennt sind, wodurch auf einfache
Weise die Homogenität des die Kopplungsspalte beaufschlagenden
Magnetfelds verbessert werden kann.
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Die
Kupplung kann auch als Bremse konfiguriert sein, wobei der Primärteil
oder der Sekundärteil stationär angeordnet sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform weist die magnetorheologische
Kupplung mehrere Lamellen auf, die alternierend drehfest mit dem
Primärteil oder drehfest mit dem Sekundärteil
verbunden sind, wobei zwischen den Lamellen mehrere Kopplungsspalte
ausgebildet sind, in denen ein magnetorheologisches Medium angeordnet
ist. Derartige Kupplungen mit mehreren Lamellen ermöglichen
die Übertragung größerer Drehmomente.
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Die
Erfindung wird im Folgenden rein beispielhaft anhand vorteilhafter
Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1a eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
magnetorheologischen Kupplung in einer Teilansicht;
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1b die
Ausführungsform von 1a mit einem
stärkeren Magnetfeld;
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2a bis 2c verschiedene
Ausgestaltungen einer Lamelle zur Minimierung einer Verbindung zwischen
den Kopplungsspalten, jeweils in einer Teilansicht; und
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3a und 3b weitere
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
magnetorheologischen Kupplung mit mehreren Lamellen, jeweils in
einer Teilansicht.
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1a zeigt
eine magnetorheologische Kupplung 10, die eine Kupplungsnabe 12 und
einen Kupplungskorb 14 umfasst. Die Kupplungsnabe 12 ist
beispielsweise mit einer nicht gezeigten Eingangswelle verbunden,
während der Kupplungskorb 14 mit einer ebenfalls
nicht gezeigten Ausgangswelle verbunden sein kann. Durch die Herstellung
einer Kopplung zwischen der Kupplungsnabe 12 und dem Kupplungskorb 14 kann
Drehmoment von der Eingangswelle auf die Ausgangswelle übertragen
werden.
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Zu
diesem Zweck ist eine topfförmige Lamelle 16 drehfest
mit der Kupplungsnabe 12 verbunden. Die Lamelle 16 ist
innerhalb eines L-förmigen Hohlraums 18 im Inneren
des Kupplungskorbs 14 angeordnet. Die Kupplungsnabe 12,
der Kupplungskorb 14 und die Lamelle 16 weisen
eine zu einer Drehachse 15 der magnetorheologischen Kupplung 10 im Wesentlichen
rotationssymmetrische Form auf. Daher kann die in 1a eingezeichnete
Lamelle 16 als "topfförmig" beschrieben werden.
Sie umfasst einen senkrecht zur Drehachse 15 verlaufenden
Bodenabschnitt 16a und einen hohlzylindrischen Abschnitt 16b,
der sich parallel zu der Drehachse 15 erstreckt.
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Der
Hohlraum 18 wird im kupplungsnabennahen Bereich des Bodenabschnitts 16a durch
nicht gezeigte Dichtungen abgedichtet, so dass ein in dem Hohlraum 18 angeordnetes
magnetorheologisches Medium diesen nicht verlassen kann.
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Um
ein Drehmoment von der Eingangswelle über die Kupplungsnabe 12 und
den Kupplungskorb 14 auf die Ausgangswelle zu übertragen,
muss eine Kopplung zwischen der Lamelle 16 und dem Kupplungskorb 14 hergestellt
werden. Dies geschieht durch Änderung der Viskosität
des magnetorheologischen Mediums – welches beispielsweise
ein Pulver, ein Gel oder ein Fluid sein kann – in zwei
Kopplungsspalten 24, 24' durch das Anlegen eines
Magnetfelds. Die Kopplungsspalte 24, 24' sind
Teil des Hohlraums 18 und sind im Wesentlichen im Bereich
des hohlzylindrischen Abschnitts 16b der Lamelle 16 zwischen
der Lamelle 16 und einem radial innen liegenden Teil des
Kupplungskorbs 14 bzw. einem radial außen liegenden
Teil des Kupplungskorbs 14 angeordnet.
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Der
hohlzylinderförmige Abschnitt 16b weist keine
Unterbrechungen, Materialwechsel oder relevante Variationen einer
Lamellendicke D auf.
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Unter
der Lamellendicke D – kurz Dicke D – ist hier
die Stärke der Lamelle 16 in Verlauf des hohlzylinderförmigen
Abschnitts 16b in einer radialen Richtung bezüglich
der Drehachse 15 der Kupplung 10 zu verstehen.
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Das
Magnetfeld wird durch einen Magnet 20 erzeugt, der beispielsweise
ein Elektromagnet sein kann, d. h. dem Magneten 20 ist
eine elektrisch erregbare Spule zugeordnet. Der Magnet erzeugt im Bereich
des Hohlraums 18, in dem sich der hohlzylindrische Abschnitt 16b der
Lamelle 16 erstreckt, ein Magnetfeld – symbolisch
dargestellt durch Magnetfeldlinien 22 –, welches
im Wesentlichen lediglich eine radiale Komponente aufweist. Unter
der radialen Komponente ist diejenige Komponente des Magnetfelds
zu verstehen, die sich senkrecht zu der Drehachse 15 erstreckt.
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Mit
anderen Worten durchdringt das Magnetfeld das magnetorheologische
Medium in der Kopplungsspalte 24 in im Wesentlichen radialer
Richtung. In der Lamelle 16 werden die Magnetfeldlinien 22 aufgrund
einer höheren Permeabilität des Lamellenmaterials
verglichen mit der Permeabilität des magnetorheologischen
Mediums in den hohlzylindrischen Abschnitt 16b hinein gebrochen
und verlaufen in der Lamelle 16 im Wesentlichen parallel
zu der Drehachse 15. Die Magnetfeldlinien 22 verlassen
das Lamellenmaterial wieder, um die geschlossene Magnetfeldlinien 22 zu
bilden.
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Der 1a ist
zu entnehmen, dass bei der angelegten Magnetfeldstärke – symbolisiert
durch zwei Magnetfeldlinien 22 – der radial außen
liegende Kopplungsspalt 24' nicht von den Magnetfeldlinien 22 durchdrungen
wird, da die Lamelle 16 das Magnetfeld abschirmt. Das darin
enthaltene magnetorheologische Medium kann daher nicht zur Erhöhung
der Kopplung zwischen der Lamelle 16 und dem Kopplungskorb 14 beitragen.
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Um
die mechanische Kopplung zu erhöhen, muss daher die Stärke
des angelegten Magnetfelds – d. h. die magnetische Induktion –,
wie in 1b durch vier geschlossene Magnetfeldlinien 22 symbolisiert,
erhöht werden. Erreicht nämlich das Lamellenmaterial
ab einer bestimmten Magnetfeldstärke den Zustand einer
magnetischen Sättigung, ist es für den darüber
hinausgehenden magnetischen Fluss "transparent" und wirkt hinsichtlich
seiner magnetischen Eigenschaften wie ein Vakuum. Ein Teil des angelegten Magnetfelds
durchdringt nun auch den radial außen liegenden Kopplungsspalt 24.
Dadurch wird auch dort die Viskosität des magnetorheologischen
Mediums erhöht und die Kopplung zwischen der Lamelle 16 und
dem Kupplungskorb 24 verstärkt. Eine verbesserte Übertragung
eines Drehmoments von der Kupplungsnabe 12 auf den Kupplungskorb 14 ist
die Folge.
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Die
Magnetfeld abschirmende Wirkung der Lamelle 16 wirkt sich
somit nachteilig auf die Effizienz der magnetorheologischen Kupplung 10 aus.
Herkömmlicherweise wird versucht, durch das Vorsehen von
Durchbrechungen in der Lamelle 16 magnetisch transparente
Bereiche zu schaffen, durch die ein Teil des Magnetfelds im Wesentlichen
verlustfrei treten kann. Allerdings führt diese Maßnahme
zu strukturell geschwächten Kupplungslamellen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird dahingegen ein anderer Lösungsweg
bestritten. Um die Stabilität der Lamelle 16 nicht übermäßig
einzuschränken, wird auf das Vorsehen von Durchbrechungen
verzichtet. Ganz bewusst wird die magnetische Sättigung
der Lamelle 16 in Kauf genommen und gefördert,
indem sie zumindest im hohlzylindrischen Abschnitt 16b,
der sich senkrecht zu den Magnetfeldlinien 22 erstreckt,
dünn gefertigt ist und daher schnell in Sättigung
gebracht werden kann. Ein geeigneter Wertebereich der Lamellendicke
umfasst etwa 0,4 mm bis in etwa 1 mm und liegt daher in etwa in
der Größenordnung der Breite der Kopplungsspalte 24, 24,
die ungefähr 1 mm oder bevorzugt weniger beträgt.
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Der
der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Kupplung 10 zugrunde
liegende Grundgedanke unterscheidet sich daher von den bisher verfolgten
Konzepten, die Bereiche mit stark verminderter Permeabilität
vorsehen. Demgegenüber weist die Lamelle 16 der
magnetorheologischen Kupplung 10 eine in dem hohlzylindrischen
Abschnitt 16a im Wesentlichen konstante Permeabilität
und Dicke D auf und ist lediglich aus einem einzigen Material gefertigt, was
sich vorteilhaft auf die Produktionskosten der Kupplung 10 auswirkt.
Außerdem kann für die Herstellung der Lamelle 16 auf
herkömmliche – unlegierte oder legierte – Qualitätsstähle
zurückgegriffen werden, die sowohl kostengünstig
als auch hinreichend stabil für die vorgesehenen Anwendungen
sind. Als besonders erweisen sich beispielsweise die Stahlsorten
DC01, DC03, DC04, DC05 und DC06 (gemäß DIN
EN 10027-1).
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2a bis 2c zeigen
Modifikationen des dem Bodenabschnitt 16a gegenüberliegenden Endes
des hohlzylindrischen Abschnitts 16b der Lamelle 16.
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2a zeigt
ein krempenartig nach außen gebogenes Ende 26 des
hohlzylindrischen Abschnitts 16b, das an einem radial außen
gelegenen Abschnitt des Kupplungskorbs 14 anliegt, um die
Verbindung zwischen den beiden Kopplungsspalten 24, 24' zu
schließen oder zumindest zu verringern. Eine derartige
Verbindung ermöglicht einen unerwünschten Strom
des magnetorheologischen Mediums von radial innen nach außen
während des Betriebs der Kupplung 10' durch die
Wirkung der Zentrifugalkraft. Dies kann zur Entmischung des magnetorheologischen
Mediums führen, die die Abhängigkeit der Viskositätszunahme
von der Magnetfeldstärke nachteilig beeinflusst.
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In 2b ist
ein krempenartiges Ende 26' gezeigt, welches sich nach
radial innen erstreckt und an einem radial innen gelegenen Abschnitt
des Kupplungskorbs 14 anliegt, um die vorstehend diskutierte Entmischung
des magnetorheologischen Mediums zu verhindern oder zumindest zu
minimieren.
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Alternativ
oder zusätzlich kann ein Ringelement 28 als Dichtung
vorgesehen sein, welches die Verbindung zwischen den Kopplungsspalten 24, 24' – zumindest
teilweise – unterbricht. Außerdem dient das Ringelement 28 – wie
im Übrigen auch die krempenartigen Enden 26, 26' – zur
Aufrechterhaltung eines definierten Abstands zwischen der Lamelle 16 und
den Innenflächen des Hohlraums 18. Das Ringelement 28 kann
beispielsweise aus Kunststoff oder Kupfer gefertigt sein.
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3a zeigt
eine magnetorheologische Kupplung 10', die mehrere Lamellen 16, 16' aufweist, wobei
die Lamellen 16 drehfest mit der Kupplungsnabe 12 verbunden
sind. Zwischen den Lamellen 16 ist eine Lamelle 16' angeordnet,
die drehfest mit dem Kupplungskorb 14 gekoppelt ist. Mit
anderen Worten sind die Lamellen 16, 16' alternierend
drehfest mit der Kupplungsnabe 12 oder drehfest mit dem
Kupplungskorb 14 verbunden. Neben den Kopplungsspalten 24, 24' zwischen
den Lamellen 16 und den Innenwänden des Hohlraums 18 ergeben
sich daher weitere Kopplungsspalte 24'' zwischen den Lamellen 16 und
der Lamelle 16'. Bei einer solchen Anordnung von mehreren
Lamellen 16, 16' ist das erfindungsgemäße
Konzept zur Minimierung des abschirmenden Charakters der Lamellen 16, 16' von
besonderer Bedeutung, um den Magnet 20 nicht übermäßig
leistungsstark ausgestalten zu müssen.
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Analog
zu 2c sind die freien Enden der hohlzylindrischen
Abschnitte 16b der Lamellen 16 mit Ringelementen 28 versehen.
Die Lamelle 16' ist derart dimensioniert, dass nur ein
sehr geringer oder gar kein Abstand zwischen ihrem freien Ende und
der Kupplungsnabe 12 besteht, um die Verbindung zwischen
den Kopplungsspalten 24'' zu schließen und der
Entmischung des magnetorheologischen Mediums entgegen zu wirken.
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3b zeigt
eine Abwandlung der magnetorheologischen Kupplung 10' von 3a.
Um das zur Füllung des Hohlraums 18 notwendige
Volumen des magnetorheologischen Mediums zu verringern, weist die
magnetorheologische Kupplung 10' einen Block 30 auf,
der das radial innen liegende Ende des Hohlraums 18 begrenzt.
Wie die Ringelemente 28 kann auch der Block 30 aus
einem im Wesentlichen diamagnetischen Material gefertigt sein. Der
Block 30 kann auch Teile der äußeren
Lamelle 16 ersetzen, da die magnetischen Eigenschaften
der Bodenabschnitte 16a der Lamellen 16, 16' nur
unwesentlich die Effizienz der magnetorheologischen Kupplung 10' beeinflussen.
Wesentlich ist allerdings, dass die hohlzylindrischen Abschnitte 16b der
Lamellen 16, 16 unterbrechungsfrei ausgebildet
sind.
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Es
ist ohne weiteres verständlich, dass auch Kupplungen mit
zwei oder mehr als drei Lamellen vorgesehen sein können.
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Vorstehende
Ausführungen treffen sinngemäß – natürlich
abgesehen von den auf die Bodenabschnitte 16a bezogenen
Aspekte – auch auf Zylinderlamellen zu. Zylinderlamellen
können beispielsweise von sich in radialer Richtung erstreckenden
Abschnitten des Primär- und des Sekundärteils
getragen werden.
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Magnetorheologische
Kupplungen mit Scheibenlamellen – also mit ringförmigen,
sich bezüglich der Drehachse der Kupplung lediglich in
radialer Richtung erstreckenden Lamellen – können ebenfalls
gemäß dem erfinderischen Grundgedanken ausgebildet
sein. Bei derartigen magnetorheologischen Kupplungen erstreckt sich
die für die Änderung der Viskosität des
magnetorheologischen Fluids relevante Komponente des Magnetfelds
im Wesentlichen parallel zur Drehachse der Kupplung, also in axialer
Richtung. Auch in diesem Fall, wie bei den vorstehend behandelten
magnetorheologischen Kupplungen 10, 10' mit zumindest
einer Topflamelle, steht das Magnetfeld senkrecht zu den Kopplungsspalten.
Die entsprechenden Scheibenlamellen sind ebenfalls unterbrechungsfrei
ausgebildet.
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- 10,
10'
- magnetorheologische
Kupplung
- 12
- Kupplungsnabe
- 14
- Kupplungskorb
- 15
- Drehachse
- 16,
16'
- Lamelle
- 16a
- Bodenabschnitt
- 16b
- hohlzylindrischer
Abschnitt
- 18
- Hohlraum
- 20
- Magnet
- 22
- Magnetfeldlinie
- 24,
24', 24''
- Kopplungsspalt
- 26,
26'
- krempenartiges
Ende
- 28
- Ringelement
- 30
- Block
- D
- Lamellendicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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