DE102010055833A1

DE102010055833A1 - Rheologische Übertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102010055833A1
Application number: DE102010055833A
Authority: DE
Inventors: Stefan Battlogg
Original assignee: Inventus Engineering GmbH
Current assignee: Inventus Engineering GmbH
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-03-15
Also published as: EP2616704B1; WO2012034697A1; US9091309B2; CN105179516A; CN105179516B; EP2616704A1; CN105179515B; CN103109103A; CN103109103B; CN105179515A; US20130175132A1

Abstract

Rheologische Übertragungsvorrichtung und Verfahren mit zwei koppelbaren Komponenten, deren Kopplungsintensität beeinflussbar ist, wobei zur Beeinflussung der Kopplungsintensität ein Kanal vorgesehen ist. Der Kanal enthält ein durch ein Feld beeinflussbares rheologisches Medium. Eine Felderzeugungseinrichtung ist zur Erzeugung eines Feldes in dem Kanal vorgesehen, um mit dem Feld das rheologische Medium in dem Kanal zu beeinflussen. In dem Kanal ist ein Körper vorgesehen. Zwischen dem Körper und einer Komponente ist ein spitzwinkliger und das rheologische Medium enthaltender Bereich vorgesehen ist, der mit dem Feld der Felderzeugungseinrichtung beaufschlagbar ist. Durch den spitzwinkligen Bereich lässt sich der rheologische Effekt verstärken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine rheologische Übertragungsvorrichtung und insbesondere eine rheologische Kraft- oder Drehmomentübertragungseinrichtung, wobei die Übertragung zwischen einer ersten Komponente und mindestens einer relativ zu dieser sich bewegendem oder ruhenden zweiten Komponente durch die rheologischen Eigenschaften einer sich zwischen den Komponenten befindenden Flüssigkeit verändert werden kann. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung das Drehmoment einer Antriebsachse zu einer Abtriebsachse hin verringern.
Die erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung kann auf vielfältigen technischen Gebieten eingesetzt werden, so z. B. an Fahrzeugen oder industriellen Anlagen als Kupplung oder Bremse oder zur Herstellung variabler Anschläge einer Fahrzeugtür. Die Erfindung kann aber auch z. B. als Lenkradsperre an einer Lenksäule von Automobilen oder sonstigen Zweirädern eingesetzt werden. Auch als Antischlupfregelung, Drehmomentverteiler, Lüfterkupplung usw. bei Fahrzeugen. Möglich ist der Einsatz auch als Gelenk an Prothesen, künstlichen Gliedmßen oder auf sonstigen technischen Gebieten.
Im Stand der Technik sind verschiedenste Kupplungen und dergleichen bekannt geworden, bei denen beispielsweise eine zweite Komponente über die Aktivierung der Kupplung in synchrone Drehbewegung mit einer ersten Komponente gebracht wird. Dazu können beispielsweise Kupplungsscheiben, die mit einem Reibbelag oder dergleichen versehen sind, einander kontaktieren, um durch den zunächst schleifenden Kontakt die zweite Komponente auf die Drehzahl der ersten Komponente zu bringen.
Neben herkömmlichen Kupplungen und Bremsen mit konventionellen Reibbelägen sind auch Kupplungen bekannt geworden, bei denen zwischen zwei als Kupplungsscheiben dienenden Komponenten beispielsweise ein magnetorheologisches Fluid vorgesehen ist. Magnetorheologische Fluide weisen beispielsweise in einem Öl verteilt feinste ferromagnetische Partikel wie beispielsweise Carbonyleisenpulver auf. Wird ein solches magnetorheologisches Fluid mit einem Magnetfeld beaufschlagt, so verketten sich die Carbonyleisenpartikel des magnetorheologischen Fluides entlang der Magnetfeldlinien, sodass die rheologischen Eigenschaften des magnetorheologischen Fluides (MRF) abhängig von Form und Stärke des Magnetfeldes erheblich beeinflusst werden.
Bei einer magnetorheologischen Kupplung mit zwei gering voneinander beabstandeten Kupplungsscheiben können sich die beiden Kupplungsscheiben ohne Magnetfeld zunächst relativ frei gegeneinander drehen. Abhängig vom Schlupf der Kupplungsscheiben kann aber auch im feldfreien Zustand durch Scherung des MRF ein gewisses Grundmoment übertragen werden. Wenn ein Magnetfeld senkrecht zu den Kupplungsscheiben aktiviert wird, verkettet sich das magnetorheologische Fluid zwischen den Kupplungsscheiben und die beiden Kupplungsscheiben werden miteinander gekoppelt. Die Stärke des übertragbaren Drehmoments hängt von verschiedenen Parametern ab, so z. B. von dem Wirkabstand bzw. dem Momenteneinleitungsabstand, der Wirkfläche, der Anzahl der Kupplungsscheiben, der Relativdrehzahl bzw. dem Schlupf sowie von dem magnetorheologischen Fluid und insbesondere auch von der Stärke des Magnetfeldes. Wird das maximal übertragbare Drehmoment überschritten, so sinkt das übertragbare Drehmoment nicht auf Null ab, sondern verbleibt etwa bei seinem maximal möglichen Wert, da auseinander gerissene Ketten der Partikel des magnetorheologischen Fluides sich sofort neu bilden und somit wieder wirksam sind.
MRF Kupplungen nach dem Stand der Technik benötigen zum Erreichen hoher übertragbarer Momente von z. B. > 50 Nm oder mehr große Kupplungsscheiben mit einem Durchmesser > 150 mm. Daraus ergeben sich Schwierigkeiten durch die Auszentrifugierung der ferromagnetischen Partikel aufgrund des Dichteunterschiedes gegenüber dem Trägermedium. Das Fluid und die ferromagnetischen Partikel können sich entmischen.
Neben magnetorheologischen Fluiden gibt es auch elektrorheologische Fluide, die auf elektrische Felder reagieren, während magnetorheologische Fluide auf Magnetfelder reagieren. Obwohl im Folgenden im Wesentlichen Bezug auf magnetorheologische Fluide genommen wird, so kann die Erfindung ebenfalls mit elektrorheologischen Fluiden oder mit sonstigen durch ein Feld oder andere physikalische Größen beeinflussbaren Medien verwirklicht werden.
Ein erheblicher Vorteil magnetorheologischer Kupplungen besteht darin, dass der Verschleiß reduziert wird. Die Belastung erfolgt nicht nur auf den äußeren Oberflächen der Kupplungsscheiben, sondern die Energie wird im gesamten Flüssigkeitsvolumen aufgenommen.
Nachteilig an den bekannten magnetorheologischen Kupplungen sind die hohe erforderliche magnetische Feldstärke und eine gewisse Baugröße, die sich aus den Parametern Wirkdurchmesser, Wirkfläche und Anzahl der Scheiben ergibt. Daraus resultiert ein entsprechendes Baugewicht, um die entsprechenden Drehmomente übertragen zu können, was ein schlechtes Drehmoment/Gewichts-Verhältnis bewirkt. Starke, von einer elektrischen Spule erzeugte Magnetfelder benötigen auf Dauer viel elektrische Energie, was ebenfalls nicht gewünscht ist.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rheologische Übertragungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche im Vergleich zum Stand der Technik die Übertragung von höheren Kräften oder Momenten bei gleichzeitig möglicherweise kleinerer Bauform ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 26. Bevorzugte Wieterbildungen der erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
Eine erste erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung weist wenigstens zwei koppelbare Komponenten auf, deren Kopplungsintensität beeinflussbar ist. Zur Beeinflussung der Kopplungsintensität ist wenigstens ein Kanal vorgesehen. Der Kanal enthält wenigstens teilweise ein durch ein Feld beeinflussbares rheologisches Medium. Wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung ist zur Erzeugung wenigstens eines Feldes in dem Kanal vorgesehen, um mit dem Feld das rheologische Medium in dem Kanal zu beeinflussen. In bzw. an dem Kanal ist wenigstens ein Körper vorgesehen, und zwischen dem Körper und wenigstens einer Komponente ist wenigstens ein spitzwinkliger und das rheologische Medium enthaltender bzw. sich bildender Bereich vorgesehen, der mit dem Feld der Felderzeugungseinrichtung beaufschlagbar ist.
Insbesondere sind die beiden Komponenten wahlweise und gesteuert miteinander koppelbar.
Unter dem Begriff Kopplungsintensität werden im Sinne dieser Anmeldung die Kopplungskraft und/oder das Kopplungsmoment zwischen den beiden Komponenten verstanden. Wird z. B. eine lineare Kraftübertragung gewünscht, so entspricht die Kopplungsintensität der Kopplungskraft. Wenn ein Drehmoment übertragen werden soll, wird mit der Kopplungsintensität das Kopplungsmoment gemeint.
Eine andere erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung umfasst wenigstens zwei durch wenigstens einen Kanal getrennte und relativ zueinander bewegbare Komponenten. Der Kanal ist zumindest teilweise mit einem rheologischen Medium füllbar und/oder gefüllt, wobei das rheologische Medium durch ein Feld beeinflussbar ist. Durch das Feld ist die Viskosität des rheologischen Mediums veränderbar, wodurch die notwendige Verdrängungsarbeit zur Relativbewegung der relativ zueinander bewegbaren Komponenten beeinflussbar ist.
Unter Medium wird hier das Material verstanden, welches auf das Feld reagiert. Beispielsweise kann das Material eine Flüssigkeit sein welche Partikel enthält, die in einer Form auf das angelegte Feld reagieren. Unter Verdrängungsarbeit wird auch die Verdrängungskraft verstanden, die zur Verdrängung des Mediums bei einer Relativbewegung nötig ist.
Eine der Komponenten kann als Körper ausgebildet sein, der wenigstens teilweise an oder in dem Kanal vorgesehen ist.
Erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtungen haben viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung resultiert aus der verstärkenden Wirkung des Feldes der Felderzeugungseinrichtung in dem Kanal. Der spitzwinklige und das Medium enthaltende Bereich wirkt als Hebel und somit quasi wie eine mechanische Hebelübersetzung, wobei der Hebel die Wirkung des Feldes erheblich verstärkt. Dadurch kann entweder die Feldstärke der Felderzeugungseinrichtung bei gleichbleibender Wirkung reduziert werden oder aber der Effekt des Feldes wird bei gleichbleibender Feldstärke verstärkt oder es wird sogar die Wirkung bei reduzierter Feldstärke erhöht. Durch den spitzwinkligen und das Medium enthaltenden Bereich wird die Wirkung erheblich verstärkt, wenn das Feld auf das Medium einwirkt.
Als spitzwinkliger Bereich des Kanals wird jener Kanalbereich definiert, der durch die Form von Körper und Komponenten in wenigstens einem Querschnitt annähernd spitzwinklig aussieht. Die Seiten des Bereichs müssen nicht gerade sein, sie können auch gekrümmt sein und/oder eine andere Kontur aufweisen. Dabei definiert der spitzwinklige Bereich jenen Teil des Kanals, in dem Körper und Komponenten insbesondere den kleinsten Abstand zueinander haben bzw. sich berühren sowie den angrenzenden Bereich, in dem sich die Oberflächen von Körper und Komponenten voneinander entfernen.
Unter der Wirkung eines Feldes bildet sich der spitzwinklige und das rheologische Medium enthaltende Bereich aus, in dem eine erheblich erhöhte Viskosität vorliegt.
Die Erfindung ermöglicht ein gutes Drehmoment zu Gewichts-Verhältnis, welches größer als 100 Nm/kg sein kann.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Körper als Drehkörper ausgebildet und wird insbesondere durch eine Relativgeschwindigkeit zu wenigstens einer Komponente in eine Drehbewegung versetzt. Dabei ist es möglich, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Drehkörpers gleich der Relativgeschwindigkeit zu der Komponente ist. Es ist aber auch möglich, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Drehkörpers auf seiner äußeren Oberfläche größer oder kleiner als die Relativgeschwindigkeit ist. Insbesondere ist es möglich, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Drehkörpers auf seiner äußeren Oberfläche geringer ist als die Relativgeschwindigkeit des Drehkörpers zu der Komponente.
Insbesondere ist der als Drehkörper ausgebildete Körper rotationssymmetrisch um wenigstens eine Drehachse ausgebildet. Ebenso ist es möglich, dass der Drehkörper zu mehreren Drehachsen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Körper als Kugel oder Ellipsoid ausgebildet sein. Möglich ist es auch, dass der Körper als Zylinder, Rolle oder allgemein als Wälzkörper ausgestaltet ist. Insbesondere eine zylindrische Ausgestaltung hat sich als vorteilhaft erwiesen, da sich beispielsweise bei einem zylindrischen Drehkörper über die gesamte Breite des Drehkörpers der spitzwinklige und das Medium enthaltende Bereich ausbildet, der so im Wesentlichen keilförmig ausgestaltet ist. Bei diesen und anderen Ausgestaltungen weist der spitzwinklige Bereich eine Keilform auf.
Die Verstärkung der Wirkung erfolgt nicht nur durch eine Verstärkung oder Bündelung des Feldes, sondern auch durch die von Drehkörpern oder Rollen angehäuften Partikel und deren Verdichtung. Wegen des Feldes können die Partikel nicht weg und verdichten so schneller zu einem Keil. Ein solcher Keil könnte auch durch Sandpartikel oder dergleichen entstehen, wäre dann aber nicht wahlweise beeinflussbar und von außen einfach per Schalter steuerbar. Der Vorteil bei rheologischen Fluiden wie MRF ist, dass durch das Aufheben des Feldes sich der Keil wieder lösen kann. Mit dem Feld kann – ohne mechanische Bewegung oder Krafteinleitung – der Keil beeinflusst werden.
Vorteilhafterweise verkeilt der spitzwinklige Bereich bei Anlage eines Feldes die zwei sich ohne Feld frei zueinander bewegbaren Komponenten. Eine solche Verkeilung erfolgt durch die Eigenschaft des durch ein Feld beeinflussbaren Mediums bei Anlage eines entsprechenden Feldes. Ein mechanischer Keil in Form eines separaten festen Teils ist dafür nicht erforderlich.
Vorzugsweise ist der spitzwinklige Bereich zwischen dem Köper und einer Komponente so vorgesehen, dass sich der spitzwinklige Bereich in Richtung der Relativbewegung der Komponente relativ zu dem Körper verjüngt. Wälzt ein zylindrischer Wälzkörper auf einer flachen Oberfläche einer Komponente ab, so bildet sich der spitzwinklige Bereich in Keilform vor dem Wälzkörper. Durch die Verkettung der Partikel in dem Medium entsteht ein sich insgesamt verkettender Keil, der die Relativbewegung des Körpers zu der Komponente hemmt.
In bevorzugten Ausgestaltungen ist der Körper Teil der ersten oder der zweiten Komponente. Das bedeutet, dass der beispielsweise als Drehkörper ausgebildete Körper Teil der ersten Komponente ist und auf der zweiten Komponente beispielsweise abrollt. Der Körper kann aber auch ohne mechanische Verbindung zu beiden Komponenten sein.
In dem spitzwinkligen und zum Beispiel keilförmigen Bereich verketten sich bei Anlage eines äußeren Magnetfeldes die ferromagnetischen Partikel in dem Medium und führen zu einem örtlich festeren Gebilde, welches sich der weiteren Relativbewegung zwischen dem Körper und der benachbarten Komponente widersetzt. Durch die Wälzbewegung des Körpers können die Partikel im keilförmigen Teil in Bewegungsrichtung vor dem Körper zusätzlich verdichtet werden. Diese Verdichtung kann aber je nach Gestaltung des Körpers auch durch Nick-, Kipp- oder sonstige Bewegungen relativ zu einer Komponente erfolgen.
Wälzt der Drehkörper beispielsweise auf der Oberfläche einer Komponente ab und bildet sich vor dem Drehkörper ein solcher spitzwinkliger Bereich aus, so werden durch die Drehbewegung des Drehkörpers von der äußeren Oberfläche Partikel in dem Medium mitgerissen und in Drehbewegung versetzt, wobei sich aber der sich verhärtende spitzwinklige Bereich einer solchen Drehbewegung widersetzt. Der spitzwinklige Bereich in Keilform führt zu einer Kraft auf den Drehkörper weg von der Komponente. Gegebenenfalls kann eine solche Kraft und eine daraus resultierende Bewegung auch für Feinjustagezwecke verwendet werden. Vorzugsweise kann durch den spitzwinkligen Bereich in Keilform eine rotative Bewegung in eine axiale Verschiebung des Drehkörpers umgewandelt werden, wenn das Feld aktiviert wird. Dadurch wird quasi ein Aufschwimmen des Drehkörpers durch die Partikel bewirkt. Es ist auch möglich den Körper oder eine Komponente beispielsweise mit gewindeförmigen Einkerbungen zu versehen oder relativ zueinander schräg zu lagern, um die Wirkrichtung der resultierenden Kraft zu verändern oder die erreichbare Kraftübersetzung weiter zu erhöhen.
Es ist ebenso bevorzugt, dass der Körper als separates Teil zwischen der ersten und der zweiten Komponente ausgebildet ist. Eine solche Ausgestaltung kann besonders vorteilhaft sein, da es zu zwei spitzwinkligen Bereichen bzw. keilförmigen Bereichen zwischen dem Körper und den beiden Komponenten kommen kann. Liegt der Körper auf der einen Seite praktisch an der ersten Komponente und an der anderen Seite praktisch an der zweiten Komponente an, so bilden sich auf beiden Seiten spitzwinklige Bereich, die dem Feld der Felderzeugungseinrichtung ausgesetzt werden können. Dadurch kann die Wirkung erhöht werden. Dazu ist es nicht nötig, dass der Körper vollständig an der ersten Komponente oder der zweiten Komponente anliegt. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft herausgestallt, wenn zwischen dem Körper und der jeweiligen Komponente ein geringer Spalt verbleibt. Die Größe des Spaltes hängt unter anderem von den Eigenschaften des Mediums ab. Weist das Medium Partikel auf, die durch das Feld beeinflussbar sind, so hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Größe des Spaltes einem Mehrfachen des Partikeldurchmessers entspricht. Insbesondere kann die Größe des Spaltes wenigstens dem fünffachen und vorzugsweise wenigstens dem zehnfachen eines typischen oder mittleren Partikeldurchmessers entsprechen.
In allen Ausgestaltungen umfasst das Medium vorzugsweise wenigstens ein magnetorheologisches Medium und als Feld ist wenigstens ein Magnetfeld vorgesehen. Vorzugsweise ist das Medium dann als Fluid ausgeführt und weist ferromagnetische Partikel auf, die z. B. aus Carbonyleisenpulver bestehen können. Das Fluid kann z. B. ein Öl sein. Möglich ist auch der Einsatz von Ferrofluiden als ein rheologisches Medium.
Möglich und bevorzugt ist es aber auch, dass das Medium wenigstens ein magnetorheologisches Medium umfasst und dass als Feld wenigstens ein Magnetfeld vorgesehen ist. Möglich ist es auch, dass nur ein elektrorheologische Medium verwendet wird, welches durch ein elektrisches Feld beeinflusst werden kann. Möglich ist es aber auch, dass magnetorheologische und elektrorheologische Medien gemeinsam eingesetzt werden. Denkbar ist auch der Einsatz anderer Medien, die durch entsprechende Felder beeinflusst und beispielsweise verkettet werden. Ebenso möglich ist der Einsatz von Medien, welche ihre rheologische Eigenschaften in Abhängigkeit von sonstigen physikalischen Größen wie beispielsweise Temperatur oder Schergeschwindigkeit verändern.
Der Kanal kann vollständig oder auch nur teilweise mit dem Medium gefüllt sein. Vorzugsweise ist zumindest der spitzwinklige Bereich des Kanals mit dem Medium gefüllt.
In allen Ausgestaltungen kann die erste und/oder zweite Komponente rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Beispielsweise können die Komponenten jeweils als Scheiben ausgebildet sein, zwischen denen Wälzkörper vorgesehen sind, um durch den Keileffekt die Wirkung des Feldes der Felderzeugungseinrichtung entsprechend zu erhöhen.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass das Feld durch den Körper und insbesondere im Wesentlichen quer zu der Relativbewegung der Komponenten zueinander verläuft. Eine solche Ausgestaltung hat sich als besonders wirkungsvoll herausgestellt, da die Wirkung des Feldes an den Übergangspunkten von dem Körper auf die Wände des Kanals besonders stark ist. Abhängig vom wirkenden Feld ist es deshalb vorteilhaft, wenn der Körper zumindest teilweise elektrisch bzw. magnetisch leitfähig ist.
Bevorzugt ist es ebenso, dass der Körper auf seiner Außenseite eine Kontur in Form von z. B. abstehenden Vorsprüngen oder einer Verzahnung aufweist. Eine solche Verzahnung des Körpers kann mit einer entsprechenden Verzahnung der anderen Komponente kämmen. Durch das in dem Kanal vorgesehene Medium in Form beispielsweise eines magnetorheologischen Fluides wird der Effekt der keilförmigen Bereiche nochmals verstärkt, da an jedem einzelnen Zahn der Verzahnung entsprechende keilförmige Bereiche entstehen, die die übertragbare Kraft vervielfachen.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die Felderzeugungseinrichtung wenigstens einen Dauermagneten und/oder wenigstens eine Spule umfasst. Möglich ist auch der Einsatz eines oder mehrerer Dauermagneten und einer oder mehrerer elektrischer Spulen.
Möglich und bevorzugt ist es, die Magnetisierung des Dauermagneten durch wenigstens einen magnetischen Impuls einer elektrischen Spule dauerhaft zu verändern. Bei einer solchen Ausgestaltung wird der Dauermagnet durch magnetische Impulse der Spule so beeinflusst, dass die Feldstärke des Dauermagneten dauerhaft verändert wird. Dabei kann die dauerhafte Magnetisierung des Dauermagneten durch den magnetischen Impuls der Felderzeugungseinrichtung auf einen beliebigen Wert zwischen Null und der Remanenz des Dauermagneten eingestellt werden. Auch die Polarität der Magnetisierung ist veränderbar. Ein magnetischer Impuls zur Einstellung einer Magnetisierung des Dauermagneten ist insbesondere kürzer als 1 Minute und vorzugsweise kürzer als 1 Sekunde und besonders bevorzugt beträgt die Länge des Impulses weniger als 10 Millisekunden.
Als Effekt eines Impulses bleibt die Form und Stärke des Magnetfeldes in dem Dauermagneten dauerhaft erhalten. Die Stärke und Form des Magnetfeldes kann durch zumindest einen magnetischen Puls der Felderzeugungseinrichtung geändert werden. Durch ein gedämpftes magnetisches Wechselfeld kann eine Entmagnetisierung des Dauermagneten erfolgen.
Als Material für solch einen Dauermagneten mit veränderbarer Magnetisierung eignet sich beispielsweise AlNiCo, es können aber auch andere Materialien mit vergleichbaren magnetischen Eigenschaften eingesetzt werden. Es ist zudem möglich, anstelle eines Dauermagneten den gesamten magnetischen Kreis bzw. Teile von ihm aus einer Stahllegierung mit starkem Restmagnetismus (hoher Remanenz) herzustellen.
Möglich ist es, mit dem Dauermagneten ein dauerhaftes statisches Magnetfeld zu erzeugen, welches durch ein dynamisches Magnetfeld der Spule überlagert werden kann, um die gewünschte Feldstärke einzustellen. Dabei kann durch das Magnetfeld der Spule der aktuelle Wert der Feldstärke beliebig verändert werden. Möglich ist auch der Einsatz zweier getrennt ansteuerbarer Spulen.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, wenigstens eine Steuereinrichtung vorzusehen. Möglich ist auch der Einsatz eines Energiespeichers wie beispielsweise eines Kondensators zur Speicherung zumindest eines Anteils der benötigten Energie. Wenigstens ein Sensor oder mehrere Sensoren können zur Detektion relevanter Daten wie beispielsweise der Relativgeschwindigkeit der Komponenten zueinander oder der vorherrschenden Feldstärke und dergleichen dienen. Möglich ist es auch, als Sensor einen Temperatursensor einzusetzen, der z. B. bei Überschreiten vorbestimmter Temperaturbedingungen einen Alarm auslöst.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass der Dauermagnet zumindest teilweise aus einem hartmagnetischen Material besteht, dessen Koerzitivfeldstärke größer als 1 kA/m und insbesondere größer als 5 kA/m und vorzugsweise größer als 10 kA/m ist.
Der Dauermagnet kann zumindest teilweise aus einem Material bestehen, welches eine Koerzitivfeldstärke kleiner als 1000 kA/m und vorzugsweise kleiner als 500 kA/m und besonderes bevorzugt kleiner als 100 ka/m aufweist.
Vorzugsweise kann eine erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung als Teil eines Lagers, einer Bremse, einer Kupplung oder eines Stoßdämpfers oder dergleichen ausgebildet sein. Möglich ist auch der Einsatz als Lenkradschloss, wobei durch einen Dauermagneten eine dauerhafte Generierung der erforderlichen Feldstärke gewährleistet ist.
Eine weitere erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung zum Beeinflussen der Relativgeschwindigkeit zweier Komponenten zueinander umfasst wenigstens eine erste Komponente und wenigstens eine zweite Komponente, deren Relativgeschwindigkeit zueinander beeinflussbar ist. Wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung ist vorgesehen, mit welcher in wenigstens einem Spalt zwischen der ersten und der zweiten Komponente ein Feld erzeugbar ist. Dabei ist der Spalt spitzwinklig ausgestaltet und mit einem Medium versehen, welches durch das Feld beeinflussbar ist.
Die solche rheologische Übertragungsvorrichtung weist insbesondere wenigstens zwei Komponenten auf, deren Relativgeschwindigkeit, Relativkraft oder/und Relativmoment zueinander an mindestens einem Spalt und/oder Kanal beeinflussbar ist. Die Keilwirkung unter Feldeinfluss verändert die (Relativ-)Kraft zum relativen Bewegen der wenigstens zwei Komponenten. Hat die Kraft einen Abstand zu einem Drehzentrum, so ändert sich daraus resultierend das (Relativ-)Moment. Dazu enthält der Kanal ein durch ein Feld beeinflussbares rheologisches Medium. Wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung ist zur Erzeugung wenigstens eines Feldes in dem Kanal vorgesehen, um mit dem Feld das rheologische Medium in dem Kanal zu beeinflussen. In dem Kanal ist wenigstens ein Körper bzw. eine Komponente vorgesehen und zwischen dem Körper und wenigstens einer (anderen) Komponente ist wenigstens ein spitzwinkliger und das rheologische Medium enthaltender Bereich vorgesehen, der mit dem Feld der Felderzeugungseinrichtung beaufschlagbar ist.
In dem Spalt zwischen dem Körper und der Komponente wird das rheologisches Medium bei einer Relativbewegung durch den Körper verdrängt.
Auch diese erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung hat viele Vorteile, da durch den spitzwinkligen Spalt eine erhebliche Verstärkung der Wirkung des Feldes erzielbar ist.
In bevorzugten Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen rheologische Übertragungsvorrichtung umfasst die Vorrichtung einzelne oder alle Merkmale der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen.
In bevorzugten Ausgestaltungen aller zuvor beschriebenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen ist die Relativbewegung zwischen den beiden Komponenten linear und/oder rotativ.
Vorzugsweise ist zwischen wenigstens einer Komponente und dem Körper ein Abstand kleiner als 10 mm und besonderes bevorzugt kleiner als 1 mm und insbesondere kleiner als 0,1 mm.
Der Körper und wenigstens eine Komponente können sich an zumindest einem Punkt oder zumindest einer Linie berühren. Es ist möglich und bevorzugt, dass der Körper relativ zu zumindest einer Komponente in Ruhe ist.
Die Komponenten und/oder der Körper sind vorzugsweise zumindest teilweise dem Feld entsprechend leitfähig.
Vorzugsweise kann sich der Körper relativ zu zumindest einer Komponente, beispielsweise in Form einer Dreh- oder Kippbewegung, bewegen.
Die Feldstärke kann abhängig von dem jeweiligen Abstand zwischen Körper und Komponenten einen starken Gradienten aufweisen.
Die Feldstärke kann sich im spitzwinkligen Bereich zwischen Körper und Komponenten zum Bereich mit dem geringsten Abstand hin erhöhen.
Die Partikel sind vorzugsweise kleiner als 10 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm und besonders bevorzugt kleiner als 0,01 mm.
Mit der Erfindung ist beispielsweise auch eine Diebstahlsicherung in Form einer Lenkradsperre zum Schutz vor Fahrzeugdiebstahl möglich. Dabei wird die Lenksäule beispielsweise durch ein starkes Erhöhen des Drehmomentes blockiert. Dazu kann ein Dauermagnet ein dauerhaftes Feld erzeugen, wodurch eine Relativbewegung der Lenkstange zur Lenksäule erheblich erschwert wird. Bei konventionellen Lenkradschlössern wird bei einer Überlast der Sperrbolzen abgeschert, wonach ein freies Bewegen der Lenkstange möglich ist. Im Unterschied dazu bleibt bei einer erfindungsgemäßen Lösung die vorgesehene Kraft erhalten, auch wenn sie einmal überschritten wurde.
Eine erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung in Form z. B. eines Lagers als Kupplung oder Bremse oder dergleichen hat bei erheblich geringerem Raumbedarf eine erheblich größere Wirkung. Das Verhältnis des Bauraumbedarfes zum Stand der Technik kann den Faktor 10 erreichen oder übersteigen. Die Verwendung eines magnetorheologischen Fluides als Medium bei einer erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung erlaubt die kostengünstige Herstellung einer Kupplung oder einer Bremse oder dergleichen. Der Wartungsbedarf kann erheblich reduziert werden, da wenige und einfache Bauteile eingesetzt werden. Gegebenenfalls kann die Wartung durch einfachen Austausch der magnetorheologischen Flüssigkeit durchgeführt werden. Der Aufbau ist einfach und robust und es werden keine Stromdurchführungen benötigt. Außerdem ist der Energiebedarf geringer als beim Stand der Technik, denn der Keileffekt trägt erheblich zur Beeinflussung der Relativbewegung der Komponenten bei. MRF-Bremsen bzw. MRF Kupplungen mit einem Drehmoment/Gewichts-Verhältnis von > 100 Nm/kg werden dadurch möglich.
Bei magnetorheologischen Kupplungen bzw. Bremsen nach dem Stand der Technik bewegen sich die Magnetfeldpole relativ zueinander und erzeugen in der dazwischenliegenden MR Flüssigkeit Scherkräfte (Direct Shear Mode). Die Scherkräfte variieren je nach Magnetfeld. Kein Magnetfeld bedeutet keine bzw. geringe Scherkräfte (keine Kettenbildung im MRF), maximales Magnetfeld maximale Scherkräfte und damit maximale Bremskraft bzw. Bremsmoment. Vereinfacht gesagt sind Magnetfeld und Scherkräfte proportional.
Bei der vorliegenden Erfindung kann durch entsprechende Gestaltung der Einzelkomponenten, Dimensionierung und Feldeinbringung ein davon abweichendes und sehr vorteilhaftes Verhalten geschaffen werden. Dieses vorteilhafte Verhalten äußert sich dahingehend, dass zum Halten der spitzwinkligen Ausbildung bzw. des MR-Fluid Keils ein wesentlich geringeres Magnetfeld und damit geringere Stromstärke als zum erstmaligen Erzeugen des Keils benötigt wird. Dies kommt daher, dass die Partikelanhäufung, ist sie erstmals angehäuft und durch die dieser Erfindung zugrundeliegenden speziellen Bewegungen unter Einfluss eines richtig eingebrachten Magnetfeldes quasi mechanisch verdichtet, nicht mehr so leicht zerfällt. Dies hat zur Folge, dass z. B. nach einer entsprechenden Zeit zum Erreichen dieses Zustandes ein Bremsmoment mit dem Bruchteil des Magnetfeldes bzw. an elektrischer Leistung (Spulenstrom) gehalten werden kann, was energietechnisch vorteilhaft ist.
Werden Kupplungen mit rheologischen Flüssigkeiten nach dem Stand der Technik über das maximal übertragbare Kupplungsmoment hinaus beansprucht, beginnen einzelne Partikelketten abzureißen, wodurch sich ein Schlupf bzw. ein Durchrutschen einstellt. Das maximale Kupplungsmoment bleibt aber erhalten, es nimmt mitunter sogar leicht zu, die Kupplung löst sich nicht. Je nach Anwendung kann dies unerwünscht sein, so z. B. wenn sich ein Bohrmaschinenbohrer beim Bohren verklemmt.
Bei der vorliegenden Erfindung kann durch entsprechende Gestaltung der Einzelkomponenten, Dimensionierung und Feldeinbringung ein davon abweichendes und sehr vorteilhaftes Verhalten geschaffen werden. Dieses vorteilhafte Verhalten äußert sich dahingehend, dass beim Überschreiten einer maximalen Kraft zwischen den sich bewegenden Teilen der vom Feld erzeugte Keil (Materialanhäufung) schlagartig durch den Spalt gepresst wird (Material verdrängt) und die Kraft damit eingehend schlagartig abnimmt. Aufgrund der daraus resultierenden Relativbewegung und der hohen anliegenden Kraft bildet sich kein neuer Keil, wodurch die Relativkraft niedrig bleibt. Bei Überlastkupplungen ist dieses Verhalten sehr vorteilhaft. Über das Feld kann die maximale Kraft (Auslösekraft) bzw. das maximale Moment (Auslösemoment) voreingestellt werden.
Weiterhin werden Entmischungs-, Sedimentations- und Fliehkraftprobleme zuverlässig vermieden, da durch die rotierenden Drehkörper eine ständige Vermischung der Partikel in dem Medium erzielt wird.
Aufgrund der erheblich höheren übertragbaren Momente und Kräfte können Kupplungen, Bremsen oder dergleichen mit wesentlich kleineren Durchmessern realisiert werden. Aufgrund der geringen MRF Kanalhöhe und der Wälzbewegung der Drehkörper ist ein Entmischen bei der vorliegenden Erfindung praktisch nicht relevant.
Die Erfindung kann vielfältig eingesetzt werden, so z. B. in Prothesen als Gelenk für rotierende Komponenten und als Dämpfer bei einer Linearbewegung. Der Einsatz ist auch in einer Lenksäule als Lenkradsperre oder an einer Fahrzeugtür möglich, um variable Anschläge oder ein definiertes Aufstehen der Tür zu erlauben. Der Einsatz ist ebenso als Blinkerhebel an Fahrzeugen oder als Überlastfunktion an Werkzeugmaschinen möglich, um beim Überschreiten eines Grenzdrehmomentes ein genaues Lösen der Kupplung zu ermöglichen.
Eine erfindungsgemäße Kupplung kann eingesetzt werden, um Drehmoment oder Drehzahl am Abtrieb unabhängig vom Antrieb zu halten, beispielsweise um die Drehzahl konstant zu halten oder ein bestimmtes Drehmoment nicht zu überschreiten. Gleichfalls kann die Verwendung auch bei Einsatzzwecken erfolgen, bei denen ein hohes Drehmoment übertragen werden soll, so z. B. bei der Drehmomentverteilung an einem Antriebsstrang.
Möglich ist es auch, die erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung als Lager mit Zusatzfunktionen separat anzubieten, wobei das Lager praktisch wie ein herkömmliches Kugellager mit Anschlussdrähten ausgeführt ist.
Weitere Einsatzmöglichkeiten sind Kupplungen bei elektrischen Antrieben um eine Last gesteuert anzukuppeln, NC-Fräsmaschinen, Holzbearbeitungsmaschinen, Automatisierungsanlagen sowie die Verwendung bei Industrierobotern, Blechbearbeitungsmaschinen, Druckmaschinen, Textilmaschinen, Webmaschinen, Wickelvorrichtungen, Strohpressen, Ladewagen, elektrischen Fensterhebern, Garagentoren, Rollos etc. sowie in Schnellfräsen, Küchenmaschinen, Mühlen und dergleichen mehr.
Soll z. B. ein Medium wie z. B. Papier, Faden oder dergleichen mit gleichbleibender Zugspannung auf eine Rolle aufgewickelt werden, so kann dies mit der Erfindung durch Variation des Antriebs- oder Bremsmomentes entsprechend der Durchmesseränderung der Aufwickelrolle erzielt werden. Weitere Einsatzgebiete sind adaptive Bremsen bei Fitnessgeräten (z. B. Rotation: Fahrradtrainer; Laufband; Hebel bei Gewichtheben, Rudermaschine; Linearbewegung: Gewichte heben).
Da viele Konstruktionen bereits Wälzlagerstellen haben, können diese einfach durch erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtungen ersetzt werden. Dies gilt auch für dreidimensionale Bewegungen, wenn z. B. ein Pendellager (d. h. drehen und x- und y-Bewegung/Schwenken) nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet wird. So kann die Rotation und Pendelbewegung durch den MRF Keil beschränkt bzw. blockiert werden. Das wirkende Moment ist stufenlos einstellbar und es können Schaltzeiten im Millisekundenbereich erzielt werden.
Der Aufbau ist einfach und es sind keine mechanisch bewegten Teile zum Variieren des Drehmoments nötig. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein fast geräuschloser Betrieb möglich ist. Die Mehrkosten sind gering und eine erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung kann betriebssicher ausgelegt werden, wenn beispielsweise ein Dauermagnet mit Remanenz für die Einstellung eines Magnetfeldes verwendet wird. Der Keileffekt verstärkt die Wirkung enorm, sodass ein kleinerer Bauraum erzielbar ist.
In allen Ausgestaltungen müssen die Walzkörper nicht glatt sein, sondern können raue oder unebene Oberflächen aufweisen.
In allen Ausgestaltungen ist auch der Einsatz von Ferrofluiden möglich. Ferrofluide Stoffe bestehen in der Regel aus wenigen Nanometer großen ferromagnetischen Partikeln, die in einer Trägerflüssigkeit kolloidal suspendiert sind. Die festen Teilchen können mit einer polymeren Oberflächenbeschichtung stabilisiert werden. Die Teilchen können z. B. aus Eisen, Magnetit oder Cobalt bestehen und sind vorzugsweise kleiner als eine magnetische Domäne, typischerweise 5–10 nm (Nanometer) im Durchmesser. Die umgebende Flüssigkeit kann z. B. Öl oder Wasser und gegebenenfalls auch Wachs sein. Tenside können zugesetzt werden, um die Suspension stabiler zu machen, indem sich die in Mizellen gebundenen Teilchen aufgrund sterischer Wechselwirkungen gegenseitig abstoßen.
Es ist möglich, solche ferrofluiden Stoffe z. B. für Anwendungen mit geringerem Momentenbedarf zu verwenden, also z. B. in Anwendungen, bei denen die Haptik eine Rolle spielt. Dazu kann ein haptischer Drehknopf bzw. Haptikdrehknopf realisiert werden. Ein solcher Haptikdrehknopf kann über ein Lager verfügen, welches mit einem Ferrofluid oder mit mehreren Ferrofluiden gefüllt wird. Dadurch kann praktisch ein Drehknopf oder eine Art Potentiometer realisiert werden. Das Einsatzgebiet ist vielfältig und umfasst z. B. Regler für eine Kranbedienung oder dergleichen. Dabei kann die Drehung je nach Last schwergängiger gesteuert werden. Es kann auch in Abhängigkeit von der Lasthöhe gesteuert werden.
Interessant ist der Einsatz auch bei „Forcefeedback”- oder bei ”Steer by wire”-Anwendungen.
Auch der Einsatz an Bedienelementen in Fahrzeugen, Autoradios, Stereoanlagen etc. ist möglich.
Bei Versuchen hat sich die Kombination von Ferrofluid und einem Kugellager bewährt. Praktisch erprobt wurde der Einsatz von Standardkugellagern, die ein Laufspiel von ca. 5 μm bis 40 um aufweisen. Bei Anwendungen mit relativ geringem Bremsmoment hat sich eine solche Ausgestaltungen sehr gut bewährt. Die Grundreibung kann sehr gering sein und es ist möglich, dass man die Ferrofluidpartikel beim Drehen nicht merkt, sodass kein Kratzen oder ein rauer Lauf zu bemerken ist. Der Aktor kann eine gute Reproduzierbarkeit aufweisen.
Bei dem Einsatz von MRF sollten Kugellager gegebenenfalls ein größeres Laufspiel aufweisen, um entsprechende Ergebnisse zu liefern.
In allen Ausgestaltungen ist es möglich, zusätzlich zu einer Dichtung mit einer Dichtlippe neben einem MRF Lager oder in das MRF Lager integriert auch magnetische Dichtungen einzusetzen. Dabei kann die Dichtung über einen Permanentmagneten erfolgen. Vorteile einer solchen Ausgestaltung sind kleinere Grundkräfte, die Verschleißfreiheit und die Zulässigkeit größerer Fertigungstoleranzen. Außerdem liegt ein definiertes Überlastverhalten vor, da ein definiertes Durchbrechen erfolgt, wenn die Überlast überschritten wird. Es ist möglich eine solche Dichtung neben dem MRF Lager anzuordnen, also davor, dahinter oder beides.
Ein erheblicher Vorteil der Magnetdichtung ist die sehr geringe Reibung; es kann aber nötig sein, noch eine weitere Dichtung einzusetzen, da eine solche Dichtung gegebenenfalls nur MRF Partikel zurückhält und z. B. Öl als Basisflüssigkeit mit der Zeit durch den Spalt durchtreten lässt. Deshalb kann eine solche magnetische Dichtung als Vordichtung eingesetzt werden, um MRF-Partikel zurückzuhalten. Eine weitere z. B. klassische Dichtung dichtet dann nur noch das Trägermedium ab.
Eine Bewegung des Magneten kann verwendet werden, um im MRF z. B. über hydrodynamische Effekte eine Schmierung, sowie Stofftransport und Kühlung zu erreichen. Außerdem kann eine Strömung von der Dichtung weg erzielt werden und es können Druckunterschiede abgebaut werden.
Um z. B. das Spiel zwischen zwei Teilen einzustellen oder aber um Spiel aus einer Konstruktion herauszunehmen und um z. B. Fertigungstoleranzen auszugleichen kann eine Kraft bzw. eine Axialkraft und/oder eine Radialkraft eingesetzt werden, die durch einen MRF Keileffekt hervorgerufen wird.
Durch den Keil oder den Aufbau eines Keils bzw. einer MRF Schicht kann das Laufspiel von Kugel- oder Rollen- oder Nadellagern bis zu Null reduziert werden. Insbesondere mit Schrägkugellagern oder Kegelrollenlagern funktioniert das sehr gut, da hier das Spiel durch die Konstruktion voreingestellt bzw. einstellbar ist. Bei großem Spiel kann beim Aufbau des Keils ein axiales Verfahren erzwungen werden. In diesem Anwendungsfall wird der MRF-Keileffekt nicht als Kupplung oder als Bremse eingesetzt, sondern zum Einstellen des Lagerspiels.
In Weiterbildungen ist es möglich, eine Radial- oder Axialkraft z. B. eines z. B. Schrägkugellagers gegen eine Feder oder ein nachgiebiges Element wie beispielsweise Gummi wirken zu lassen. Es ist möglich, nicht nur zwischen zwei festen Begrenzungsflächen zu arbeiten, sondern auch, dass ein fester Anschlag und ein federbeaufschlagter Anschlag verwendet werden. So kann ein größerer Verstellbereich und eine geringere Federsteifigkeit erzielt werden.
Der bzw. ein MRF Keil kann durch ein Feld eines Magneten erzeugt werden. Ein Permanentmagnet kann von Hand verstellbar sein oder es ist auch möglich, den Permanentmagneten oder eine Abschirmung von Hand oder aktorisch bewegt zu verschieben oder zu verdrehen, um die Feldstärke im relevanten Bereich zu erhöhen oder zu verringern. Ein beliebiger Teil des magnetischen Kreises kann relativ zu diesem bewegt werden um das im MRF Keil wirkende Magnetfeld zu beeinflussen.
Es kann eine mechanische Fein- oder Grobjustage und damit auch ein Einstellen der Bremswirkung möglich sein. Eine solche Einstellung kann z. B. zur Kompensation von physikalischen Größen wie Temperatur, Druck, Drehzahl oder dergleichen vorgesehen sein. Möglich ist auch ein Ausgleich von Toleranzen oder Montageungenauigkeiten.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, eine einstellbare dauerhafte Magnetfeldstärke über Remanenz vorzusehen. In bevorzugten Ausführungsformen hat ein Lager mit einer erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung selbst keinen oder nur minimalen Restmagnetismus (Remanenz). Ansonsten kann es zu einer positionsabhängigen und unterschiedlich starken Gegenkraft kommen, da sich die Teile zueinander bewegen.
Das Remanenzmaterial sollte in vorteilhaften Ausgestaltungen in einem allgemeinen Bereich des Lagers angeordnet sein, der insbesondere positionsunabhängig von dem Magnetfeld durchflutet wird, so z. B. die innere Welle oder die äußere Hülle etc.
Es ist aber auch bevorzugt, den Effekt der positionsabhängigen Magnetisierung zu nutzen, indem z. B. die innere Lagerschale mit Remanenz eingesetzt wird, um beispielsweise bestimmte Rastmomente zu erzeugen. Das kann z. B. für eine haptische Rückkopplung über veränderbare Rastmomente bezüglich ihrer Stärke, des Drehwinkels oder des Endanschlags oder dergleichen erfolgen. Je nach gewünschter Einstellbarkeit müssen nicht alle Lagerkugeln ferromagnetisch sein.
Es ist auch möglich, eine rheologische Übertragungsvorrichtung mit vom klassischen Lageraufbau abweichender Gestaltung vorzusehen. Die Richtung des Magnetfeldes kann z. B. wenigstens teilweise oder vollständig auch etwa parallel zur Lagerachse ausgerichtet sein. Möglich ist auch eine wenigstens teilweise Ausrichtung parallel zur Dreh- oder Bewegungsrichtung oder in tangentialer Richtung. Möglich ist es auch, dass der gesamte magnetische Kreis nahezu oder vollständig im Lagerinneren angeordnet ist.
Das Material des rheologischen Übertragungsvorrichtung oder des Lagers muss nicht komplett ferromagnetisch sein, je nach gewünschter Anwendung bzw. Magnetisierung kann es vorteilhaft sein, wenn die Bestandteile das Lagers nicht bzw. nur teilweise ferromagnetisch ist.
Je nach Anwendung ist es auch denkbar, wenigstens einen Teil aus verschiedenen Materialien zu fertigen um lokal unterschiedliche magnetische Eigenschaften zu erhalten.
Eine mögliche Ausführung ist ein Drehknopf mit einem integriertem Drehgeber und einem Keillager. Die Position bzw. der Drehwinkel des Drehknopfs kann über den Drehgeber bestimmt und der Drehwiderstand in einem weiten Bereich verändert werden. Dadurch kann beispielsweise ein haptisches Interface mit veränderbaren Rastmomenten und beliebig einstellbarem Endanschlag aufgebaut werden, welcher je nach gerade angewähltem Menü seine Eigenschaften ändert. Es kann ein niederes oder hohes Moment und/oder ein kleines oder großes Raster/Rippel und auch ein variables Raster – je nach zu bedienendem Menü – eingestellt werden. Der Verlauf der Momentenzu- und -abnahme kann situationsabhängig eingestellt oder variiert werden, beispielsweise als rechteck-, sinus-, sägezahnförmiger oder beliebiger Verlauf. Auch ein Anschlag kann simuliert werden. Der Anschlag kann hart sein oder einen vordefinierten oder situationsabhängigen Momentenverlauf haben.
Der Drehknopf ist vorzugsweise fest mit der Welle verbunden, welche wiederum drehbar im Gehäuse gelagert ist. Die Relativbewegung bzw. Relativposition wird über einen Drehgeber erfasst, z. B. über einen magnetischen, optischen oder (über Tasten) mechanischen Inkrementalgeber. Auch ein Potentiometer mit Schleifkontakten kann eingesetzt werden, mit diesem sind aber üblicherweise nur bestimmte Drehwinkel zulässig.
Ein Dichtring ist vorteilhaft, damit die magnetorheologische Flüssigkeit oder das Ferrofluid im Gehäuse bleibt. Die Dichtung kann auch nur aus Permanentmagneten oder einer Kombination aus Permanentmagnet und herkömmlicher Dichtung bestehen. Der Einsatz einer in das Lager integrierten Dichtung nach dem Stand der Technik (quasi ein geschlossene Lager) ist auch möglich.
Der innere Bereich, d. h. das von Dichtung und Gehäuse eingeschlossene Volumen, ist zumindest teilweise mit einer rheologischen Flüssigkeit gefüllt. Vorteilhaft ist, wenn MRF oder Ferrofluid verwendet wird. Mit Ferrofluid lassen sich sehr kleine Grundmomente (OFF-State bzw. ausgeschaltet) erreichen.
Das Gehäuse ist vorzugsweise als Topf ausgebildet, d. h. einseitig geschlossen. Dadurch wird nur ein Dichtring benötigt. Eine durchgehende Welle (beidseitige Welle) ist auch denkbar.
Die Spule kann ein Magnetfeld erzeugen, wobei der magnetische Kreis über das Gehäuse, die Welle und das Lager geschlossen wird. Dadurch kann sich im Lager das für den Keileffekt nötige Feld aufbauen. Vorteilhafter Weise ist die Spule fest mit dem Gehäuse verbunden, was die Kabelführung erleichtert.
Der Aufbau ist robust und kann so ausgelegt sein, dass fast keine magnetischen Streufelder außerhalb des Gehäuses erzeugt werden. Denkbar sind aber viele andere Aufbauvarianten, die je nach Anwendungsfall bestimmte Vorteile haben können.
Beispielsweise kann die Spule auch außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, wobei das Magnetfeld dann durch das Gehäuse hindurch auf das Lager wirkt. Dabei ist keine mechanische Verbindung zwischen Spule und Gehäuse nötig, das koppeln der magnetischen Kreise reicht um das Lager im Gehäuse zu beeinflussen. Insbesondere muss die Spule nicht dauerhaft am oder in der Nähe des Gehäuses sein und kann derart gestaltet werden, dass sie als separate Einheit vom Gehäuse entfernt werden kann. Es können auch Permanentmagnete im Magnetkreis vorhanden sein.
Der Drehknopf kann in einer bevorzugten Ausführung beispielsweise elektromagnetisch angetrieben auch aktiv eine Kraft ausüben (Force Feedback) um auch statisch eine gewisses Gegenmoment erzeugen zu können. Durch die Kombination mit dem steuerbaren Keillager kann der Elektromotor sehr einfach und somit billig und klein aufgebaut sein, da das Moment im Lager reguliert werden kann.
Bei dieser Konstruktion wird ein besseres Drehmoment zu Bauraumverhältnis erzielt als bei vielen Konstruktionen nach dem Stand der Technik. Zudem sind die Herstellkosten wegen des einfachen Aufbaus gering, da z. B. das Walzenlager bei Haptikanwendungen nicht hochpräzise sein muss und auch in der Regel keine hohen Drehzahlen und keine große Anzahl an Umdrehungen aushalten muss. Beim Einsatz von einem z. B. Kugellager als MRF Lager erhält man eine sehr niedere Grundreibung (OFF-State) und eine sowohl in axialer als auch in radialer Richtung feste und stabile (spielfreie) Positionierung des zu bewegenden Elements, so z. B. des Drehknopfs. Es ist möglich, solche Haptikdrehknöpfe mit z. B. 2 Nm zu bremsen. Möglich sind z. B. ca. 20 N bis 80 N Seitenkräfte. Bei der Verwendung von Gleitlagern (wie z. B. bei MRF Haptikknöpfen im Schermodus) können diese Anforderungen schwerer erfüllt werden.
Vorzugsweise ist auch eine Batterie und ein Steuerbefehlübertragungseinheit (Funk, WLAN, Bluetooth, ANT..) in den Steller bzw. Drehknopf integriert. Der Haptikknopf kann dann überall platziert werden und braucht keinen leitungsgebundenen Steuer- bzw. Stromanschluss. Das MRF Keilprinzip braucht in Relation zum Drehmoment sehr wenig Strom (Leistung). Deshalb ist es auch für den Batteriebetrieb oder zur drahtlosen Energieversorgung gut geeignet. Dabei kann sowohl die benötigte Energie als auch Steuerbefehle und beispielsweise auch Messwerte von Sensoren wie Drehwinkel drahtlos übertragen werden.
Eine bevorzugte Ausführung kommt ohne Batterie aus und erhält die für die Funktion notwendige Energie mittels induktiver Kopplung. Besonders bevorzugt sind auch Ausführungen, die die zum Betrieb nötige Energie direkt aus der Umwelt beziehen und lokal zwischenspeichern (Energy Harvesting). Dabei sind zur Energiewandlung thermoelektrische Generatoren, Solarzellen, Elemente die Vibrationsenergie in elektrische Energie wandeln und Andere sowie entsprechende lokale Energiespeicher möglich. Denkbar ist auch, die Bewegung des Lagers selbst zur Energieerzeugung zu verwenden.
Wenn die erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung wenigstens teilweise über einen Dauermagneten mit einem magnetischen Feld beaufschlagt wird, dessen Magnetisierung durch wenigstens einen magnetischen Impuls wenigstens einer elektrischen Spule dauerhaft verändert wird ergeben sich einige Vorteile. In bestimmten Fällen kann z. B. durch die Ausnutzung der Remanenz und des Impulsbetriebs einer Spule, die nicht immer bestromt werden muss, ein Gewichts- und Raumvorteil erzielt werden. Die Drähte der Spule können dünner und leichter dimensioniert werden, weil sie jeweils nur für eine kurze Betriebszeit bestromt werden. Das kann Vorteile bei Gewicht, Strombedarf, Platzbedarf und Kosten ergeben.
Deshalb kann es in bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein, dass durch den Impulsbetrieb der elektrischen Spule diese deutlich kleiner ausgeführt werden kann als wenn sie auf 100% Einschaltdauer ausgelegt werden muss. Die Erwärmung der Spule spielt im Impulsbetrieb üblicherweise keine Rolle, da kurzzeitige Verlustleistungsspitzen von der eigenen Wärmekapazität der Spule und der die Spule umgebenden Bauteile abgepuffert werden. Dadurch können sehr hohe Stromdichten in den Windungen toleriert werden bzw. können dünnere Leitungen verwendet werden, solange die mittlere Verlustleistung über längere Zeiträume akzeptabel bleibt.
Üblicherweise kann bei einer kleineren Spule auch der die Spule umgebende magnetische Kreis kleiner ausfallen, weshalb verhältnismäßig viel Bauraum, Material, Gewicht und Kosten eingespart werden können. Dabei steigt lediglich der Energieaufwand für einen einzelnen Puls, was aber je nach Anwendung sehr wohl toleriert werden kann. Insgesamt kann dennoch viel Energie im Vergleich zu einer dauerhaft bestromten Spule eingespart werden.
In allen Ausgestaltungen kann es möglich sein, die Stromversorgung leitungslos zu realisieren. Die Stromversorgung beispielsweise von der Stromquelle zur Leistungselektronik bzw. von der Leistungselektronik zu der Spule kann über eine elektrische, magnetische oder elektromagnetische Kopplung wie beispielsweise eine Funkstrecke erfolgen. Bei der Anwendung in einem Fahrrad kann die Stromversorgung von außen über z. B. eine Docking Station erfolgen. Möglich ist auch die Energieversorgung über eine Energiequelle an z. B. einem Fahrrad auf alle Verbraucher (Gabel, Dämpfer Hinten, Display). Analog kann auch die Stromversorgung bei einem Skischuh, Ski, Mobiltelefon oder zu den Sensoren erfolgen.
Eine Energieversorgung über Funk kann möglicherweise einen schlechteren Wirkungsgrad als eine herkömmliche Verkabelung aufweisen. Außerdem kann die Energieübertragung und deren Reichweite begrenzt sein. Je nach Anwendungsfall stören solche Nachteile aber nicht. Vorteilhaft ist, dass kein Verschleiß der Kontakte auftritt. Die Energieübertragung ist üblicherweise verpolsicher und kurzschlussfest, da sekundärseitig nur eine begrenzte Leistung vorliegt. Weiterhin ist kein Kabelbruch möglich und die Vorrichtung ist insgesamt beweglicher.
Bei solchen Ausgestaltungen ist es aber vorteilhaft, die Energie für zumindest einen Impuls in einem Kondensator zwischenzuspeichern. Dadurch kann die Energieversorgung des Systems eine kleinere Leistung haben, da kurzzeitige Leistungsspitzen eines Impulses vom Kondensator abgefangen werden. Zudem kann auch eine unstetige oder impulsförmige Energieversorgung eingesetzt werden.
Eine mögliche Ausbaustufe der vorliegenden Erfindung ist ein vollkommen autarkes System, welches kabellos mit Energie versorgt wird. Vorstellbar ist beispielsweise die Anwendung an einem Fahrrad, wobei durch zumindest einen kleinen Magneten an einem Reifen das System mit Energie versorgt wird.
Generell können so beliebige „Energy Harvesting”-Einheiten zur Energieversorgung verwendet werden, beispielsweise Solarzellen, thermoelektrische Generatoren oder Piezo-Kristalle. Auch Elemente, welche Vibrationen in Energie wandeln, können so sehr vorteilhaft zur Versorgung eingesetzt werden.
Denkbar ist auch eine Ausführung ähnlich wie bei einer elektrischen Zahnbürste, bei der die Energieversorgung durch induktive Kopplung erfolgt. Dabei kann beispielsweise der Akku induktiv geladen werden, ohne dass beschädigte Kabel, korrodierte oder verschmutzte Kontakte den Ladevorgang behindern. Über längere Strecken kann Energie über magnetische Resonanz übertragen werden.
Die Stromversorgung des Remanenzimpulses kann via Induktion wie bei elektrischen Zahnbürsten erfolgen.
Die Kombination des MRF Keilprinzips mit Remanenz ist besonders stromsparend und vorteilhaft.
Die Erfindung eignet sich auch dazu, einen Haptikknopf bzw. Drehknopf zur Verfügung zu stellen. Dabei kann in das Bedienteil des mit gegebenenfalls programmierbarer Haptik ausgerüsteten Drehknopfs auch die zugehörige Elektronik integriert sein.
Es kann auch ein Lautsprecher bzw. eine Geräuscherzeugungseinheit integriert oder zugeordnet sein. Das ist vorteilhaft, da der Drehknopf als MRF Keilknopf an sich mechanisch geräuschlos ist. Sowohl das Drehen ohne als auch mit Raster oder/und die virtuellen Anschlägen sind an sich geräuschlos. Das Erzeugen des MRF Keils zu einer Drehmomenterhöhung oder zur Erzeugung eines Rasters ist ebenso an sich geräuschlos. Mittels der Geräuschquelle wie einem Lautsprecher oder einem Piezolautsprecher kann z. B. dem virtuellen Raster ein Klicken bei jeder Rastposition zugeordnet werden. Die Art, Lautstärke und Dauer des Geräusches kann individuell zugeordnet werden, aber bei Benutzerwunsch auch verändert oder abgeschaltet werden.
Somit ist das Drehmoment, der Raster, die Anschläge und das Geräusch programmierbar bzw. adaptiv. Die Geräusche können auch über externe Lautsprecher wie z. B. Standardlautsprecher im Auto oder die Lautsprecher der Hi-Fi Anlage im Haus erzeugt werden.
Der Haptikknopf kann somit praktisch das Mausrad einer Computermaus ersetzen. Bei dem Raster kann nicht nur der Winkelabstand des Rasters einstellbar sein, sonder auch dessen Verlaufsform, Stärke usw. Damit kann quasi eine Rasterkennlinie vorgeben werden.
Der Haptikdrehknopf kann auch auf einer Bedienfläche oder an einem Bildschirm montiert sein. Damit man Display nicht für die Befestigung des Knopfes herausnehmen muss, kann dieser aus einem Oberteil auf dem Display und einem Unterteil unterhalb des Displays bestehen. Vorzugsweise ist eine Datenübertragung über z. B. Induktion oder dergleichen vorgesehen. Dadurch kann das Display als eine Fläche billiger hergestellt werden.
Es ist auch möglich, dass ein MRF Haptikknopf sich auch drücken lässt. Dabei kann das Drücken auch durch ein MRF wirken, dessen Eigenschaften über ein Magnetfeld veränderbar sind.
Der Bildschirm zeigt die einzustellenden Informationen an, welche sich je nach Anwendung ändern. Die Funktion des Haptikknopfes passt sich daran an. Einmal wird mittels eines Rasters verstellt (z. B. Einstellen der Lautstärke; auf dem Display erscheint eine Lautstärkenskala, welche auch eine logarithmische Skalierung haben kann).
Ein anderes Mal kann zwischen zwei Positionen ohne Raster aber mit variablem Moment verstellt werden, so z. B. zwischen der Uhrstellung 8:00 und der Uhrstellung 16:00, wobei vor der Endposition jeweils ein zunehmendem Moment vorgesehen sein kann. Das Raster kann auch zum Anfahren definierter Positionen dienen, wenn z. B. nach einer Nameneingabe gefragt wird.
Das Display kann auch als Touchscreen ausgeführt sein. Dadurch können Menüpunkt rasch gewählt und mittels des Drehstellers Feineinstellungen gemacht werden. Z. B. ist es bei Autos nicht gewünscht die Lautstärkenregelung des Radios über Touchscreen zu machen, da der Fahrer sonst immer lange hinschauen müsste, was und wo er gerade verstellt, was ihn ablenkt. Den Drehsteller findet er auch mit einem kurzen Blick oder ohne Hinsehen.
Auch z. B. beim Fahrradfahren ist das Verstellen mit einem mechanischen Steller einfacher und sicherer als über ein Touchdisplay. Dies insbesondere auch dann, wenn der Radfahrer z. B. Handschuhe an hat, wodurch die Bedienung eines Touchdisplay schwer oder sogar unmöglich ist.
Es ist auch eine Kombination von einem Display oder Touchdisplay und einem mechanischem Drehsteller mit variablem Moment/Raster möglich. Solche Eingabegeräte können auch außerhalb des Kraftfahrzeuges vorteilhaft sein, so z. B. bei Steuerungen für Industrieanlagen, Fernbedienungen für z. B. Fernseher oder Funkfahrzeuge wie Spielzeughubschrauber, sowie an PC und Spielkonsolen, Steuerkonsolen für militärische Anwendungen (Drohnenflugzeuge, Raketen).
Möglich ist es auch, dass ein Haptikdrehknopf mit einer Anzeige die jetzige Computermaus ersetzt.
Es ist möglich, dass der Drehknopf bzw. das Stellglied in normalen Zustand versenkt sein kann und nur bei Bedarf ausgefahren wird.
Es ist auch möglich, eine solche Baueinheit als Schieberegler auszuführen, insbesondere in Kombination mit einer linearen MRF Keileinheit.
Es ist auch möglich, eine rheologische Übertragungsvorrichtung mit einem oder mehreren Polen und einer oder mehreren Erhebungen auszustatten.
In allen Ausgestaltungen ist es möglich, dass zwischen den zwei Komponenten der rheologischen Übertragungsvorrichtung Erhebungen oder dergleichen vorgesehen sind, die beispielsweise von der einen Komponente in Richtung auf die andere Komponente hervorstehen.
Sowohl bei einer rotativen als auch bei einer linearen Beweglichkeit der beiden Komponenten zueinander ist eine solche Ausgestaltung möglich und bevorzugt.
Dabei kann nur eine Erhebung vorgesehen sein oder es können mehrere vorgesehen sein. Möglich ist es, dass an wenigstens einer Erhebung eine Kugel oder eine Rolle oder ein sonstiger Wälzkörper angeordnet ist, der von der Erhebung wenigstens teilweise aufgenommen wird.
Wenn an der einen Komponente Erhebungen vorgesehen sind, ist es bevorzugt, dass an der anderen Komponente wenigstens ein Pol bzw. wenigstens eine Magnetisierungseinheit oder wenigstens ein Magnet oder einer Spule vorgesehen ist. Die Anzahl der Magnetisierungseinheiten bzw. Pole kann 1 betragen oder auch größer sein.
Die Form der Erhebungen kann grundsätzlich beliebig und z. B. halbrund, spitz oder stumpf sein. Der Aufnahmebereich von Wälzkörpern ist vorzugsweise entsprechend abgerundet ausgebildet.
Eine oder mehrere Magnetisierungseinheiten bzw. Pole können als Elektrospule plus Kern, oder als Permanentmagnet ausgebildet sein oder aus Remanenzmaterial oder einen Kombination aus diesen bestehen.
Die Abstände zwischen einzelnen Erhebungen und/oder Magnetisierungseinheiten sind vorzugsweise etwa gleichbleibend, können aber auch beliebig sein.
Die Tiefe, d. h. die radiale Erstreckung oder die axiale Erstreckung einzelner Erhebungen oder Magnetisierungseinheiten zu anderen kann unterschiedlich sein.
Auch die an den einzelnen Magnetisierungseinheiten anliegende oder wirkende Feldstärke kann insbesondere auch zur gleichen Zeit variieren.
Bei der Verwendung von Wälzkörpern, wie Rollen oder dergleichen können diese drehen oder nicht drehen. Wenn die Wälzkörper drehen muss deren Drehzahl nicht gleich der Abrolldrehzahl sein, sie kann auch davon abweichen, z. B. durch Unter- oder Übersetzungen. Grundsätzlich können drehende Rollen höhere Kräfte bzw. größere Impulse bzw. Momentenunterschiede erzeugen.
Das Innenteil, welches durch die Erehebungen z. B. sternförmig ausgebildet ist, kann zum Außenteil außermittig gelagert sein.
Die rheologische Flüssigkeit kann hier z. B. MRF oder auch ein Ferrofluid sein.
Eine Anwendung einer solchen rheologischen Übertragungsvorrichtung kann z. B. als Haptikknopf mit Raster oder bei Möbel- und Schubladenführungen mit Positionen erfolgen.
Der Magnet bzw. jede Magnetisierungseinheit oder das Innenteil und/oder das Außenteil können auch aus Remanenzmaterial bestehen.
Möglich ist der Einsatz einer rheologischen Übertragungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug. Z. B. kann eine solche Übertragungsvorrichtung in eine Lenksäule eingebaut werden.
Dabei werden vorzugsweise Ferrofluidlager eingesetzt. Die Vorrichtung kann dazu dienen, die Lenkung um die Mittellage herum zu bremsen, damit z. B. bei einer von Hause aus leichtgängigen Servolenkung die Lenkung schwerer geht, was z. B. bei einer Geradeausfahrt auf einer Autobahn vorteilhaft ist. Eine rheologische Übertragungsvorrichtung kann solche leichtgängigen Lenkungen bremsen und durch ein auf die jeweilige Situation bzw. den Anwender angepasstes Moment den Fahrkomfort erhöhen.
Möglich ist es auch andere Lenkvorgänge sicher zu gestalten, indem z. B. Endanschläge mit einer rheologischen Übertragungsvorrichtung realisiert werden. Damit werden auch bei hydraulischen Lenkungen Funktionen ermöglicht, die zuvor nur über elektronische Lenkungen realisiert werden konnten.
Da magnetorheologische Fluide bei Anlegung eines Magnetfeldes sehr schnell verketten, kann es im Normalzustand z. B. beim Autofahren ausreichen, wenn das magnetische Feld abgeschaltet ist. Es reicht in der Regel völlig aus, erst einzuschalten, wenn eine erste Drehwinkeländerung eingeleitet wird. Dadurch kann erheblich Energie eingespart werden.
Alternativ dazu kann mit Remanenz ein Grundmoment realisiert werden. Wenn eine Drehwinkeländerung registriert wird, kann ein dynamisches Feld aufgebaut werden, welches auch pulsieren kann, um ein virtuelles Raster zu erzeugen.
In allen Ausgestaltungen ist es möglich, eine z. B. adaptive Türbremse zu realisieren. Dazu kann z. B. bei einem KFZ beim Einparken eine Parklücke vermessen werden. Aus den Daten kann der Abstand zum benachbarten KFZ berechnet werden. Daraus wiederum kann der maximal öffenbare Türwinkel errechnet werden und bei Erreichen oder schon zuvor der Öffnungsvorgang entsprechend abgebremst werden.
Dazu kann der Sensor oder es können die Sensoren zum Messen des Abstandes von Fahrzeug beim Parken verwendet werden, sodass separate Sensoren nicht benötigt werden. Möglich ist es auch, die Steuerung so vorzunehmen, dass die Tür zunächst leicht aufgeht und dass dann ein Raster kommt, das immer feiner wird. Damit wäre praktisch eine Haptikanzeige für Türöffner realisiert, die anzeigt, wenn man in die Nähe des Anschlages kommt.
Möglich ist es auch, Türen, Fenster oder dergleichen in bestimmten Winkel auf zu halten. Das kann z. B. bei Kraftfahrzeugen (KFZ) oder auch bei Möbeln realisiert werden.
In Ausgestaltungen, in denen die Remanenz genutzt wird kann das Magnetfeld zum Ummagnetisieren von außen aufgeprägt werden. Zum Ummagnetisieren kann eine entsprechende Spule verwendet werden, die durch z. B. einen Zylinder wirkt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kopplungsintensität wenigstens zweier koppelbarer Komponenten mit einer rheologischen Übertragungsvorrichtung beeinflusst, wobei die Kopplungsintensität in wenigstens einem Kanal beeinflusst wird, der ein durch ein Feld beeinflussbares rheologisches Medium enthält, und wobei mit wenigstens einer Felderzeugungseinrichtung wenigstens ein Feld in dem Kanal erzeugt wird, um mit dem Feld das rheologische Medium in dem Kanal zu beeinflussen. Dabei in dem Kanal wenigstens ein Körper vorgesehen, und zwischen dem Körper und wenigstens einer Komponente ist wenigstens ein spitzwinkliger und das rheologische Medium enthaltender Bereich vorgesehen, der mit dem Feld der Felderzeugungseinrichtung beaufschlagt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die mit Bezug auf die beiliegenden Figuren im Folgenden erläutert werden.
In den Figuren zeigen:
1 eine stark schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung im Querschnitt;
2 eine als Kupplung ausgeführte erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung;
3 eine als Bremse ausgeführte rheologische Übertragungsvorrichtung;
4 eine rheologische Übertragungsvorrichtung zur Beeinflussung von Linearbewegungen;
5 einen vergrößerten Querschnitt der Vorrichtung gemäß 4;
6 eine rheologische Übertragungsvorrichtung mit einer Kühleinrichtung;
7 eine weitere rheologische Übertragungsvorrichtung zur Beeinflussung von Linearbewegungen;
8 ein Querschnitt aus 7;
9 eine Prothese mit erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtungen;
10 eine stark schematische Ansicht einer Kupplung;
11 einen Schuh mit einer erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung,
12 einen Drehknopf mit einer erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung;
13 den Drehknopf nach 12 mit einer Anzeige;
14 einen Joystick mit einer erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung;
15 einen weiteren Drehknopf in einer schematischen Vorderansicht;
16 noch einen weiteren Drehknopf in einer schematischen perspektivischen Ansicht; und
17 einen anderen Drehknopf in einer schematischen perspektivischen Ansicht.
Mit Bezug auf die beiliegenden Figuren werden im Folgenden Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen rheologische Übertragungsvorrichtungen 1 erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen werden.
1 zeigt eine stark schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung 1 zur Beeinflussung der Kraftübertragung zwischen zwei Komponenten 2 und 3. Dabei ist zwischen den zwei Komponenten 2 und 3 in 1 ein Körper 9 als separates Teil 4 vorgesehen, der hier als Drehkörper 11 ausgebildet ist. Der Drehkörper 11 dient als Wälzkörper 13 und ist hier als Kugel 14 ausgebildet. Möglich ist es aber ebenso, Wälzkörper 13 als Zylinder oder Ellipsoide, Rollen oder sonstige rotationssymmetrische Körper auszubilden. Auch im eigentlichen Sinn nicht rotationssymmetrische Körper wie beispielsweise ein Zahnrad 34 oder Drehkörper 11 mit einer bestimmten Oberflächenstruktur können als Körper 9 verwendet werden.
Zwischen den Komponenten 2 und 3 der rheologischen Übertragungsvorrichtung 1 ist ein Kanal 5 vorgesehen, der hier mit einem Medium 6 gefüllt ist. Das Medium ist hier ein magnetorheologisches Fluid 20, welches beispielsweise als Trägerflüssigkeit ein Öl umfasst, in dem ferromagnetische Partikel 19 vorhanden sind. Glykol, Fett, dickflüssige Stoffe können auch als Trägermedium verwendet werden, ohne darauf beschränkt zu sein.
Das Trägermedium kann auch gasförmig sein bzw. es kann auf das Trägermedium verzichtet werden (Vakuum). In diesem Fall werden lediglich durch das Feld beeinflussbare Partikel in den Kanal gefüllt.
Die ferromagnetischen Partikel 19 können beispielsweise Carbonyleisenpulver sein, wobei die Größenverteilung der Partikel vom konkreten Einsatzfall abhängt. Konkret bevorzugt sind Partikelgrößen zwischen ein und zehn Mikrometern, wobei aber auch größere Partikel von zwanzig, dreißig, vierzig und fünfzig Mikrometer möglich sind. Je nach Anwendungsfall kann die Partikelgröße aus deutlich größer werden und sogar in den Millimeterbereich vordringen (Partikelkugeln). Die Partikel können auch eine spezielle Beschichtung/Mantel (Titanbeschichtung; Keramik-, Karbonmantel etc.) aufweisen, damit sie die je nach Anwendungsfall auftretenden hohen Druckbelastungen besser aushalten. Die MR-Partikel können für diesen Anwendungsfall nicht nur aus Carbonyleisenpulver (Reineisen), sondern z. B. auch aus speziellem Eisen (härterem Stahl) hergestellt werden.
Der Körper 9 wird durch die Relativbewegung 17 der beiden Komponenten 2 und 3 in Rotation um seine Drehachse 12 versetzt und wälzt sich praktisch auf der Oberfläche der Komponente 3 ab. Gleichzeitig wälzt sich der Körper 9 auf der Oberfläche der anderen Komponente 2 ab, sodass dort eine Relativgeschwindigkeit 18 vorliegt.
Je nach Ausführungsform kann es auch sein, dass der Körper 9 keinen direkten Kontakt zur Oberfläche der Komponente 2 und/oder 3 hat und sich deshalb nicht direkt abwälzt. Dabei kann der Abstand vom Körper 9 zu einer der Oberflächen der Komponente 2 oder 3 z. B. 1 mm, vorzugsweise 0,1 mm, vorzugsweise 0,01 mm oder weniger betragen. Durch den fehlenden direkten Kontakt ergibt sich eine sehr geringe(s) Grundreibung/-kraft/- moment beim relativen Bewegen der Komponenten 2 und 3 zu einander.
Wird die rheologische Übertragungsvorrichtung 1 mit einem Feld beaufschlagt, bilden sich die Feldlinien abhängig vom Abstand zwischen Körper 9 und Komponente 2, 3 aus.
Vorzugsweise bestehen Körper 9 und Komponente 2, 3 zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material, weshalb die magnetische Flussdichte umso höher wird, je kleiner der Abstand zwischen Körper 9 und Komponente 2, 3 ist. Dadurch bildet sich ein im Wesentlichen keilförmiger Bereich 16 im Medium aus, in welchem der Gradient des Magnetfelds zum spitzen Winkel bei der Kontaktstelle/dem Bereich des geringsten Abstands hin stark zunimmt.
Trotz Abstand zwischen Körper 9 und Komponente 2, 3 kann durch die Relativgeschwindigkeit der Oberflächen zueinander der Körper 9 in eine Drehbewegung versetz werden. Die Drehbewegung ist ohne sowie unter einem wirkenden Feld 8 möglich.
Wenn die rheologische Übertragungsvorrichtung 1 einem Magnetfeld 8 einer hier in 1 nicht dargestellten Felderzeugungseinrichtung 7 ausgesetzt ist, verketten sich die einzelnen Partikeln 19 des magnetorheologischen Fluides 20 entlang der Feldlinien des Feldes 8. Zu beachten ist, dass die in 1 eingezeichneten Vektoren den für die Beeinflussung des MRF 20 relevanten Bereich der Feldlinien nur grob schematisch darstellen. Die Feldlinien treten im Wesentlichen normal auf die Oberflächen der ferromagnetischen Bauteile in den Kanal 5 ein und müssen vor allem im spitzwinkligen Bereich 10 nicht geradlinig verlaufen.
Gleichzeitig wird auf den Umfang des Körpers 9 etwas Material von dem magnetorheologischen Fluid 20 mit in Rotation versetzt, sodass sich ein spitzwinkliger Bereich 10 zwischen der Komponente 3 und dem Körper 9 ausbildet. Auf der anderen Seite entsteht ein gleicher spitzwinkliger Bereich 10 zwischen dem Körper 9 und der Komponente 2. Die spitzwinkligen Bereiche 10 können beispielsweise bei zylinderförmig ausgestalteten Drehkörpern 11 eine Keilform 16 aufweisen. Durch die Keilform 16 bedingt wird die weitere Rotation des Drehkörpers 11 behindert, sodass die Wirkung des Feldes auf das magnetorheologische Fluid verstärkt wird, da sich durch das wirkende Magnetfeld innerhalb des spitzwinkligen Bereiches 10 ein stärkerer Zusammenhalt des dortigen Mediums 6 ergibt. Dadurch wird die Wirkung des magnetorheologischen Fluids verstärkt (die Kettenbildung im Fluid und damit der Zusammenhalt bzw. die Viskosität), was die weitere Rotation bzw. Bewegung des Drehkörpers 11 erschwert.
Durch die Keilform 16 können wesentlich größere Kräfte oder Momente übertragen werden als es mit einem vergleichbaren Aufbau, der aber nur die Scherbewegung ohne Keileffekt nützt, möglich wäre.
Die direkt durch das angelegte Magnetfeld übertragbaren Kräfte stellen nur einen kleinen Teil der durch die Vorrichtung übertragbaren Kräfte dar. Durch das Magnetfeld lässt sich die Keilbildung und somit die mechanische Kraftverstärkung steuern. Die mechanische Verstärkung des magnetorheologischen Effekts kann soweit gehen, dass eine Kraftübertragung auch nach Abschalten eines angelegten Magnetfeldes möglich ist, wenn die Partikel verkeilt wurden.
Es hat sich herausgestellt, dass durch die Keilwirkung der spitzwinkligen Bereiche 10 eine erheblich größere Wirkung eines Magnetfeldes 8 einer bestimmten Stärke erzielt wird. Dabei kann die Wirkung um ein Vielfaches verstärkt werden. In einem konkreten Fall wurde eine etwa zehnmal so starke Beeinflussung der Relativgeschwindigkeit zweier Komponenten 2 und 3 zueinander wie beim Stand der Technik bei MRF Kupplungen beobachtet. Die mögliche Verstärkung hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Gegebenenfalls kann sie durch eine größere Oberflächenrauhigkeit der Drehkörper 11 noch verstärkt werden. Möglich ist es auch, dass auf der Außenoberfläche der Drehkörper 11 nach außen ragende Vorsprünge vorgesehen sind, die zu einer noch stärkeren Keilbildung führen können.
Obwohl in 1 der Körper 9 als Drehkörper 11 abgebildet ist, können neben rotierenden Körpern 9 auch feststehende Körper 9 verwendet werden, die beispielsweise rautenförmig oder dergleichen gestaltet sind und die die Bildung von spitzwinkligen Bereichen in Richtung der Relativbewegung 17 bzw. 18 erlauben.
2 zeigt eine Kupplung 50 mit einer erfindungsgemäßen rheologische Übertragungsvorrichtung 1, wobei die Komponenten 2 und 3 hier als rotierende Teile ausgebildet sind. An einer feststehenden Komponente 31 ist die Felderzeugungseinrichtung 7 vorgesehen, die hier eine Spule 26 und einen Dauermagneten 25 umfasst. Die Spule 26 ist mit einer Steuer-/ oder Regeleinrichtung 27 verbunden. Mit dem Dauermagneten 25 kann ein dauerhaftes Magnetfeld 8 aufgebracht werden, wobei das im Kanal wirkende Magnetfeld durch Aktivierung der elektrischen Spule 26 modulierbar ist. So kann das wirkende Magnetfeld abgesenkt oder verstärkt werden.
Hier im Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, dass die Spule 26 zur Abgabe starker magnetischer Impulse ausgebildet ist, mit denen der Dauermagnet 25 dauerhaft veränderbar ist. Durch kurzzeitige Impulse im Bereich von 0,1 bis 1000 Millisekunden kann die Magnetisierung des Dauermagneten 25 gezielt zwischen null und seiner Remanenz verändert werden. Im Anschluss an den Impuls bleibt die magnetische Feldstärke des Dauermagneten 25 praktisch beliebig lang unverändert erhalten. Durch geeignete Modulierung der Impulse kann so beliebig häufig die wirkende Feldstärke des Dauermagneten 25 eingestellt werden, sodass auch ohne dauerhafte Energieversorgung eine bestimmte Feldstärke erzeugbar ist.
Um auch ohne dauerhaften Stromanschluss die Stärke des Feldes des Dauermagneten 25 variieren zu können, kann ein Energiespeicher 28 vorgesehen sein, der beispielsweise als Kondensator ausgeführt ist und die Energie für wenigstens einen Impuls bereit hält. Zur gezielten Regelung der Feldstärke des Dauermagneten 25 kann mindestens ein Sensor 29 vorgesehen sein, der beispielsweise die wirkende Magnetfeldstärke misst. Möglich ist es auch, dass der Sensor weitere Daten, wie das Drehmoment, die Drehzahl, die Relativgeschwindigkeit, den Drehwinkel der beiden Komponenten 2 und 3 zueinander oder die herrschende Temperatur oder dergleichen erfasst. Bei Bedarf können entsprechende Schritte eingeleitet werden, wenn beispielsweise die zulässige Temperatur der rheologischen Übertragungsvorrichtung 1 überschritten wird.
Vorstellbar ist auch die Verwendung einer mechanischen Einstellvorrichtung, bei der die Feldstärke im Kanal beispielsweise durch Bewegen des Magneten, Polschuhen oder Abschirmblechen verändert werden kann. Diese mechanische Einstellung kann auch in Kombination mit einer elektrischen Verstellung verwendet werden, zum Beispiel wenn der Permanentmagnet eine Grundkraft als Arbeitspunkt einstellt und eine Steuerung mittels Spule die Kraft um diesen Arbeitspunkt verändern kann.
3 zeigt eine erfindungsgemäße rheologische Übertragungsvorrichtung 1, die als Bremse 40 ausgebildet ist. Dabei weist die rheologische Übertragungsvorrichtung 1 eine als Welle ausgebildete Komponente 2 auf, deren Rotationsbewegung relativ zu der feststehenden Komponente 3 beeinflussbar ist. Zwischen der feststehenden Komponente 3 und der drehbaren Komponente 2 sind Lager 42 mit Wälzkörpern 13 vorgesehen, die hier als Körper 9 dienen. Die Wälzkörper 13 sind hier als Kugeln 14 ausgeführt und von dem Medium 6 bzw. dem magnetorheologischen Fluid 20 umgeben.
Eine beispielsweise als Spule ausgeführte Felderzeugungseinrichtung 7 dient zur gezielten Steuerung eines Magnetfeldes 8, welches sich auch auf die Lager 42 erstreckt und dort im Wesentlichen quer und hier sogar senkrecht zu der Relativbewegung der beiden Komponenten 2 und 3 zueinander ausgerichtet ist. Durch die Rotationsbewegung der Wälzkörper 13 wird bei eingeschaltetem Feld 8 eine Verkettung der Partikel 19 in dem magnetorheologischen Fluid 20 bewirkt, wodurch an jedem einzelnen Wälzkörper 13 der Lager 14 spitzwinklige Bereiche 10 entstehen, die eine weitere Rotation der Komponente 2 relativ zur Komponente 3 erheblich behindern. Die Wirkung des magnetorheologischen Fluides wird dadurch erheblich verstärkt.
Das MRF Keillagergehäuse kann über eine (bestehende) Antriebswelle geschoben werden, diese wird dann abhängig vom wirkenden Feld 8 gebremst, wobei sich der MRF Keil zwischen der Wellenoberfläche und dem Lager einstellt. Damit ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau. Normale Bremsen oder Kupplungen benötigen hierfür regelmäßig eine Scheibe oder andere Flanschteile und haben axial gesehen eine fixe Wellenposition. Bei einem Lager gemäß der Erfindung kann die Welle axial verschoben werden, ohne dass sich das auf den Keileffekt auswirkt.
4 zeigt eine rheologische Übertragungsvorrichtung 1 zur Beeinflussung der Linearbewegungen zweier Komponenten 2 und 3 relativ zueinander. Dabei umfasst die rheologische Übertragungsvorrichtung 1 eine Stange 32, die in die Komponente 3 eintaucht und dort relativ zur Komponente 3 verschiebbar vorgesehen ist. Die rheologische Übertragungsvorrichtung 1 nach 4 kann so ausgelegt werden, dass neben einer Längsbewegung auch eine Drehbewegung der beiden Komponenten 2 und 3 zueinander zugelassen und durch ein Feld beeinflusst werden kann.
5 zeigt einen vergrößerten Querschnitt des Zentralbereiches der rheologischen Übertragungsvorrichtung 1 gemäß 4. Klar erkennbar ist die elektrische Spule 26 als Felderzeugungseinrichtung 7, um ein gezieltes Magnetfeld 8 zu erzeugen.
Radial zwischen der Stange 32 und der Komponente 3 sind Kugeln als Drehkörper 11 angeordnet, die in axialer Richtung gegenüber der Stange 32 bzw. der Komponente 3 beweglich vorgesehen sind und sich bei einer Relativbewegung der Komponente 2 und 3 zueinander bewegen und insbesondere in Rotationsbewegung versetzt werden können. Bei einer solchen Rotationsbewegung entstehen die spitzwinkligen Bereiche 10, die bei Aktivierung des Feldes 8 zu einer Verkettung der Partikel 19 des magnetorheologischen Fluids 20 als Medium 6 führen und somit die Relativbewegung der Stange 32 zur Komponente 3 verzögern oder erschweren oder sogar blockieren. Eine solche rheologische Übertragungsvorrichtung 1 kann auch als Schwingungs- oder Stoßdämpfer oder dergleichen eingesetzt werden.
6 zeigt eine rheologische Übertragungsvorrichtung 1 mit einer stehenden Komponente 2 und einer als Welle ausgeführten drehbaren Komponente 3, bei der zylindrische Körper als Wälzkörper 13 zwischen der Komponente 2 und der Komponente 3 angeordnet sind und von einem Medium 6 umgeben sind, welches auf ein Feld 8 einer Felderzeugungseinrichtung 7 reagiert.
Wird die rheologische Übertragungsvorrichtung 1 in 6 beispielsweise als Bremse eingesetzt, so wird die Bremsenergie in dem Medium 6 dissipiert. Häufiges und/oder starkes Bremsen kann dem Medium viel Energie zuführen, was zu einer erheblichen Aufheizung des Mediums bzw. Fluids 6 und der als Lager dienenden Wälzkörper 13 führen kann. Um die entstehende Wärmeenergie abzuführen, kann eine Kühleinrichtung 41 vorgesehen sein, die beispielsweise über eine Pumpe 39 zwangsaktiviert werden kann. Die Pumpe 39 kann auch als eigenes Bauteil, welches die Relativbewegung nützt, in das Lager integriert werden. Vorteilhafter Weise wird zumindest ein Teil des Wälzkörpers und/oder der Komponenten so gestaltet, dass eine Relativbewegung zumindest einen Teil des Mediums im Kühlkreislauf bewegt.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt einer zwangsaktivierten Kühleinrichtung kann ein stetiges Durchmischen der Flüssigkeit und die zur Verfügungstellung von genügend MRF sein, wobei die Kühleinrichtung als Vorratsbehälter für die MRF-Flüssigkeit dienen kann.
8 zeigt einen Querschnitt der rheologischen Übertragungsvorrichtung 1 aus 7. Die Komponente 2 weist einen drehbar aufgenommenen Körper 9 auf, der mit einem Zahnrad 34 versehen ist. Das Zahnrad 34 kämmt mit einer Zahnstange 35 der Komponente 3. Wird die Komponente 2 relativ zur Komponente 3 bewegt, führt das zu einer Drehbewegung des Körpers 9, da das Zahnrad 34 des Körpers 9 mit der Zahnstange 34 der Komponente 3 kämmt. Sind der Drehkörper 11 oder/und das Zahnrad und die Zahnstange von einem Medium 6 umgeben, welches durch ein Feld 8 beeinflussbar ist, kann durch Anlage beispielsweise eines externen Magnetfeldes ein magnetorheologisches Fluid 20 auf das Feld reagieren. Dadurch bildet sich zwischen den Platten der Komponente 3 und dem Wälzkörper 11 oder/und an den einzelnen Vorsprüngen 23 der Verzahnung 24 auf der Außenseite 22 des Körpers 9 jeweils ein spitzwinkliger Bereich 10 mit einer Keilform 16 aus, die eine weitere Relativbewegung der Komponenten 2 und 3 zueinander erschwert.
Das Zahnrad 34 und die Zahnstange 35 können je nach Anwendungsfall so dimensioniert werden, dass die Drehgeschwindigkeit der Relativgeschwindigkeit der Komponenten 2 und 3 zueinander entspricht bzw. erhöht oder gesenkt wird.
9 zeigt eine Prothese 60, bei der in das Knie- und das Fußgelenk jeweils als Lager 30 ausgebildete rheologische Übertragungsvorrichtungen 1 eingesetzt werden. Durch Aktivierung der entsprechenden Felder 8 können die Lager gedämpft oder blockiert werden, wodurch das Verharren in einer Position erleichtert und ein natürlicherer Bewegungsablauf ermöglicht wird.
10 zeigt in einer stark schematischen Darstellung einen Querschnitt durch eine Kupplung 50. Dabei sind zwei Kupplungsscheiben 21 vorgesehen, die in einem geringen Abstand zueinander angeordnet sind. Zwischen den Kupplungsscheiben ist eine Medium 6 vorgesehen, welches beispielsweise als magnetorheologisches Fluid 20 ausgeführt ist. Weiterhin sind zwischen den Kupplungsscheiben 21 Körper 9 vorgesehen, die hier als Wälzkörper 13 in Form von Kugeln 14 ausgebildet sind. Bei einer Relativbewegung der Kupplungsscheiben 21 zueinander werden die Körper 9 in Drehbewegung versetzt. Bei Aktivierung eines Feldes 8 durch eine Felderzeugungseinrichtung 7 führt dies zur Bildung aktiver spitzwinkliger Bereiche 10, die eine weitere Relativbewegung der Kupplungsscheiben 21 zueinander erheblich hemmen.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung 1, die hier als Schuh 70 ausgebildet ist und nur schematisch dargestellt ist. Der Schuh 70 weist ein Oberteil 36 und eine Sohle 37 auf, die über ein Drehgelenk mit einer rheologischen Übertragungsvorrichtung 1 miteinander verbunden sind. Um eine Grundposition vorzugeben, ist eine Federeinrichtung oder ein Schaumstoff 38 vorgesehen, der den Schuh 70 in seine Grundposition vorbelastet. Durch einen solchen Schuh kann eine Überpronation oder eine Supination flexibel ausgeglichen werden, in dem bestimmte Neigungswinkel zugelassen bzw. verhindert werden. Zur verbesserten Übersichtlichkeit der Darstellung werden Elektronik, Sensoren, Stromspeichereinheit usw. hier nicht dargestellt. Diese können vorzugsweise in die Sohle 37 integriert sein.
Da die Kraft auf die beiden Komponenten im Millisekundenbereich so angepasst werden kann, dass das Oberteil 36 gegenüber der Sohle 37 eine beliebige Neigung einnimmt, kann ein solcher Schuh 70 zum kontinuierlichen Ausgleich von Fehlstellungen des menschlichen Fußes eingesetzt werden. So kann sich durch eine Schrägstellung der Laufschuhsohle eine größere Unterstützung für den Innenfußbereich ergeben, was z. B. bei einer Überpronation vorteilhaft ist. Je nach Laufgeschwindigkeit, Untergrund und Muskelzustand, der auch maßgeblich durch Ermüdung beeinflusst wird, passt sich die Fußraumform an die neuen Gegebenheiten an, sodass der Läufer mit einem erfindungsgemäßen Schuh 70 eine gute Position im Laufschuh einnimmt. Denkbar ist es auch, dass bei größeren geforderten Verstellwegen der Verstellvorgang auf mehrere Schritte aufgeteilt wird. Gegebenenfalls kann auch ein Dämpfungsmaterial in den Schuh integriert werden. Sensoren können den Istzustand erfassen und mittels einer Steuer- und/oder Regelelektronik Anpassungen vornehmen. Es ist auch möglich, einen Aktor an das Ende des Laufschuhs anzuordnen und nicht nur unter den Laufschuh bzw. unter die Ferse. Praktisch kann dann ein Einstellknopf oder Drehknopf am Ende des Laufschuhs angeordnet sein.
12 zeigt einen Bedienknopf oder Drehknopf 80 mit einer erfindungsgemäßen rheologischen Übertragungsvorrichtung 1 in einem schematischen Querschnitt. Das Gehäuse 45 als Komponente 2 kann z. B. an einem Gerät fest angebracht sein. Die Welle 47 als Komponente 3 ist mit dem Drehteil 85 verbunden. Beide Komponenten 2 und 3 sind über Lager 42 gegeneinander drehbar gelagert. Ein dünner Spalt 86 befindet sich zwischen dem Gehäuse 45 und der Welle 47. Das Lager 42 und gegebenenfalls nahezu der gesamte Innenraum kann mit einem magnetorheologischen Fluid oder einem Ferrofluid als Medium 6 gefüllt sein. Ein Dichtring 46 wirkt als Dichtung.
Bei Aktivierung der Spule 26 wird ein Magnetfeld 8 erzeugt, welches wie zwei beispielhaft eingezeichnete Feldlinien zeigen, durch das Lager 42 durchtritt und hier im Wesentlichen sonst innerhalb des Gehäuses 45 und der Welle 47 verläuft. Bei aktiviertem Magnetfeld der Spule 26 wird ein entsprechender Widerstand in dem Medium 6 bzw. dem MR-Fluid erzeugt, sodass beim Drehen des Drehteils 85 ein entsprechender Widerstand spürbar ist. Möglich ist auch ein z. B. zeitlich gepulster oder pulsierender Betrieb, durch den beim Drehen ein pulsierender Widerstand und somit eine Rasterung spürbar wird.
Die jeweils aktuelle Winkelposition kann über einen Drehgeber 52 erfasst werden. Dadurch können abhängig von der Ansteuerung je nach Position, Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit, ... beliebige haptische Signale ausgegeben werden.
13 zeigt einen Drehknopf 80, der an einem Display bzw. an einer Anzeige 81 angeordnet ist. An der Anzeige 81 können auch weitere Bedienelemente oder Tasten 83 vorgesehen sein. Die Anzeige 81 kann auch als Touchscreen berührungsempfindlich ausgeführt sein und z. B. Knöpfe oder Tasten 83 darstellen. Möglich ist es z. B., dass die Tasten 83 programm- und/oder auswahlabhängig dargestellt oder aktiviert werden, um dem Benutzer die individuelle Bedienung zu erleichtern.
Zweidimensionale Haptikknöpfe oder Drehknöpfe 80 können auch mit einem zusätzlichen MRF Schermodus hergestellt werden.
Dreidimensionale Bewegungselemente mit variabler Haptik und robuster und präziser Lagerung sind grundsätzlich schwierig herzustellen und somit nicht preisgünstig. Die Kombination z. B. eines Pendellagers mit einer rheologischen Flüssigkeit und vorzugsweise einem Ferrofluid ist hingegen sehr kostengünstig herstellbar.
Auch ein vierdimensionaler Drehknopf, der z. B. in drei Richtungen verschoben und zusätzlich noch gedreht werden kann, kann zur Verfügung gestellt werden.
Die Kombination eines 3D-Knopfes mit einer Längsverstellung eines MRF-Keils ergibt so ein 4D Betätigungselement. Mit einer Felderzeugungseinheit können alle 4 Bewegungsrichtungen beeinflusst bzw. variiert werden.
14 zeigt einen solchen 3D-Knopf als Joystick 90, der in verschiedene Richtungen schwenkbar vorgesehen ist. Durch sensor- oder zeitgesteuerte Aktivierung der Spule 26 kann ein haptisches Raster realisiert werden. Beispielhaft sind Magnetfeldlinien 8 eingezeichnet.
In 15 ist eine schematische Ansicht eines Drehknopfes 80 als rheologische Übertragungsvorrichtung 1 dargestellt, welcher eine äußere Komponente 2 und eine innere Komponente 3 aufweist. In einem Spalt 86 zwischen den beiden Komponenten 2 und 3 befindet sich ein MRF oder ein Ferrofluid. Von der als Welle 47 ausgeführten Komponente 3 stehen Erhebungen 49 ab, die als radiale Vorsprünge wirken. Zusätzlich sind in vorbestimmten Winkelabständen Dauermagnete 25 bzw. Magneteinheiten oder Vorsprünge an der Komponente 2 vorgesehen. Die magnetischen Felder der Dauermagneten 25 führen zu einer lokalen Haufenbildung in dem Medium 6. Dadurch wird die Wirkung noch verstärkt, sodass erhebliche Drehmomente abgefangen werden können. Die Anordnung der Magneteinheiten 87 führt zu einer fühlbaren Rasterung beim Drehen des Drehknopfes 80. In 15 werden die Erhebungen teilweise durch separate Wälzkörper 48 gebildet, die in entsprechenden Ausnehmungen 88 der Erhebungen 49 angeordnet sind, und sich vorzugsweise darin drehen können.
Möglich ist es auch, die Komponente 3 beispielsweise mit integralen Erhebungen 49 praktisch sternförmig zu gestalten, wie es in 16 dargestellt ist.
17 zeigt einen Drehknopf 80, bei dem zwischen der inneren Komponente 3 und der äußeren Komponente 2 Wälzkörper 48 bzw. Rollkörper 51 vorgesehen sind.
Es ergeben sich viele mögliche Anwendungen, so wie sie zuvor erwähnt wurden.
Es ist möglich, dass das Feld radial durch das Lager geht. Es ist auch möglich, dass das Feld axial durch das Lager geht, so z. B. axial auf einer Seite hinein und auf der anderen Seite wieder hinaus. Weiterhin ist auch eine Kombination der vorgenannten Alternativen möglich.
In konkreten Ausführungen kann der Käfig kann auch mit einer reibungserhöhenden Schicht versehen sein oder aus einem speziellen Material gefertigt sein, wodurch sich der Momentenunterschied zwischen Ein- und Ausgeschaltet erhöht. Statt rotativ kann auch eine lineare Betriebsweise möglich sein. Es können auch Kugelumlaufbüchsen oder Linearlager mit Käfig bzw. Linearkugellager eingesetzt werden.
Der gesamte Aufbau ist sehr einfach und kostengünstig herstellbar, da Lager nach dem Stand der Technik und somit Massenartikel genommen werden können.
In allen Fällen können Wirbelstromeffekte bei schnell drehenden Lagern berücksichtigt werden.
Es ist möglich, eine oder beide Lagerschalen eines Lagers und/oder einzelne oder alle die Lagerkugeln aus einem magnetorheologischen MR-Kunststoff herzustellen, der je nach Feldstärke seine Form ändert und so die Kugeln klemmt. Ein solches System kann komplett ohne Dichtung auskommen.
Eine Ausführungsform weist in Kunststoff gebundenen MRF wie Schaumstoff oder einen Schwamm auf. Als MR-Pulver könnte ein fester Schmierstoff, so z. B. Lithium, Graphit oder MoS2 oder dergleichen mit Carbonyleisenpulver gemischt werden.
Bezugszeichenliste

1: Einrichtung
2, 3: Komponente
4: separates Teil
5: Kanal
6: Medium
7: Felderzeugungseinrichtung
8: Feld
9: Körper
10: spitzwinkliger Bereich
11: Drehkörper
12: Drehachse
13: Wälzkörper
14: Kugel
15: Zylinder
16: Keilform
17, 18: Richtung der Relativbewegung
19: magnetische Partikel
20: Fluid
21: Scheibe
22: Außenseite
23: Vorsprung
24: Verzahnung
25: Dauermagnet
26: Spule
27: Steuereinrichtung
28: Energiespeicher
29: Sensor
30: Lager
31: feststehende Komponente
32: Stange
33: Außenrohr
34: Zahnrad
35: Zahnstange
36: Oberteil Schuh
37: Sohle
38: Schaumstoff
39: Pumpe
40: Bremse
41: Kühleinrichtung
42: Lager
45: Gehäuse
46: Dichtring
47: Welle
48: Wälzkörper
49: Erhebung
50: Kupplung
51: Rollkörper
52: Drehgeber
60: Prothese
70: Schuh
80: Bedienknopf
81: Anzeige
82: Touchscreen
83: Taste
84: Lautsprecher
85: Drehteil
86: Spalt
87: Magneteinheit
88: Ausnehmung
90: Joystick

Claims

Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) mit wenigstens zwei koppelbaren Komponenten (2, 3), deren Kopplungsintensität beeinflussbar ist, wobei zur Beeinflussung der Kopplungsintensität wenigstens ein Kanal vorgesehen ist, wobei der Kanal (5) ein durch ein Feld beeinflussbares rheologisches Medium (6) enthält, und wobei wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung (7) zur Erzeugung wenigstens eines Feldes (8) in dem Kanal (5) vorgesehen ist, um mit dem Feld (8) das rheologische Medium (6) in dem Kanal (5) zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal (5) wenigstens ein Körper (9) vorgesehen ist, und dass zwischen dem Körper (9) und wenigstens einer Komponente (2, 3) wenigstens ein spitzwinkliger und das rheologische Medium (6) enthaltender Bereich (10) vorgesehen ist, der mit dem Feld (8) der Felderzeugungseinrichtung (7) beaufschlagbar ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) mit zwei durch wenigstens einen Kanal (5), der zumindest teilweise mit einem durch ein Feld veränderbaren rheologischen Medium (6) füllbar und/oder gefüllt ist, getrennten, relativ zueinander bewegbaren Komponenten (2, 3) und/oder Körper (9), dadurch gekennzeichnet, dass durch das Feld (8) die Viskosität des rheologischen Mediums (6) veränderbar ist, wodurch die notwendige Verdrängungsarbeit zur Relativbewegung der relativ zueinander bewegbaren Komponenten (2, 3,) und/oder Körper (9) beeinflussbar ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Komponente (2, 3) als Körper (9) ausgebildet ist und an dem Kanal (5) angeordnet ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Körper (9) als Drehkörper (11) ausgebildet ist und durch eine Relativgeschwindigkeit zu wenigstens einer Komponente (2, 3) in eine Drehbewegung versetzbar ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der spitzwinklige Bereich (10) im Wesentlichen eine Keilform (16) aufweist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Partikel des rheologischen Mediums (6) bei Anlegen eines Feldes (8) den Körper (9) relativ zu wenigstens einer Komponente (2, 3) verkeilen und/oder wobei sich die Partikel im spitzwinkligen Bereich (10) zwischen dem Körper und wenigstens einer Komponente durch eine Relativbewegung zwischen dem Körper und der Komponente verdichten und einen Keil bilden.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der spitzwinklige Bereich (10) zwischen dem Körper (9) und einer Komponente (2, 3) sich in Richtung der Relativbewegung (17, 18) der Komponente (2, 3) relativ zu dem Körper (9) verjüngt.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper (9) Teil der ersten oder der zweiten Komponente (2, 3) ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Körper (9) als separates Teil (4) zwischen der ersten und der zweiten Komponente (2, 3) ausgebildet ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das rheologische Medium (6) wenigstens ein magnetorheologisches Medium umfasst und als Feld (8) wenigstens ein Magnetfeld vorgesehen ist und/oder wobei das rheologische Medium (6) wenigstens ein elektrorheologisches Medium umfasst und als Feld (8) wenigstens ein elektrisches Feld vorgesehen ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feld (8) durch den Körper (9) und quer zu der Relativbewegung (17, 18) der Komponenten (2, 3) zueinander verläuft.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Felderzeugungseinrichtung (7) wenigstens einen Dauermagneten (25) und/oder eine Spule (26) umfasst.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetisierung des Dauermagneten (25) durch wenigstens einen magnetischen Impuls einer elektrischen Spule (26) dauerhaft veränderbar ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Lager (30), Bremse (40), Schwingungsdämpfer oder Kupplung (50) ausgebildet ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) zum Beeinflussen der Relativgeschwindigkeit oder/und Relativkraft oder/und Relativmoment zweier Komponenten (2, 3) zueinander, welche wenigstens eine erste Komponente und wenigstens ein zweite Komponente umfasst, deren Relativgeschwindigkeit oder/und Relativkraft oder/und Relativmoment zueinander beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung (7) vorgesehen ist, mit welcher in wenigstens einem Spalt (5) zwischen der ersten und zweiten Komponente ein Feld (8) erzeugbar ist, wobei der Spalt spitzwinklig ausgestaltet und mit einem Medium (6) versehen ist, welches durch das Feld beeinflussbar ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen wenigstens einer Komponente und dem Körper ein Abstand kleiner als 10 mm, vorzugsweise kleiner als 1 mm und besonders bevorzugt kleiner als 0,1 mm ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Körper und wenigstens eine Komponente an zumindest einem Punkt oder einer Linie berühren und/oder wobei der Körper relativ zu zumindest einer Komponente in Ruhe ist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komponenten und/oder der Körper zumindest teilweise dem Feld entsprechend leitfähig sind.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Körper relativ zu zumindest einer Komponente, beispielsweise in Form einer Dreh- oder Kippbewegung, bewegen kann.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feldstärke abhängig von dem jeweiligen Abstand zwischen Körper und Komponenten einen starken Gradienten aufweist.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Feldstärke im spitzwinkligen Bereich zwischen Körper und Komponenten zum Bereich mit dem geringsten Abstand hin erhöht.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an wenigstens einer Komponente (2, 3) wenigstens eine Erhebung angeordnet ist, die auf die andere Komponente zuragt.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Komponenten (2, 3) Wälzkörper (13) oder Rollkörper (51) angeordnet sind.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an wenigstens einer Komponente wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung vorgesehen ist, wobei mehrere Felderzeugungseinrichtung über dem Umfang verteilt vorgesehen sein können.
Rheologische Übertragungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein haptisches Raster vorliegt.
Verfahren zum Beeinflussen der Kopplungsintensität wenigstens zweier koppelbarer Komponenten (2, 3) mit einer rheologischen Übertragungsvorrichtung (1), wobei die Kopplungsintensität in wenigstens einem Kanal (5) beeinflusst wird, der ein durch ein Feld beeinflussbares rheologisches Medium (6) enthält, und wobei mit wenigstens einer Felderzeugungseinrichtung (7) wenigstens ein Feld (8) in dem Kanal (5) erzeugt wird, um mit dem Feld (8) das rheologische Medium (6) in dem Kanal (5) zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal (5) wenigstens ein Körper (9) vorgesehen ist, und dass zwischen dem Körper (9) und wenigstens einer Komponente (2, 3) wenigstens ein spitzwinkliger und das rheologische Medium (6) enthaltender Bereich (10) vorgesehen ist, der mit dem Feld (8) der Felderzeugungseinrichtung (7) beaufschlagt wird.