DE102014217120A1

DE102014217120A1 - Magnetorheologischer Aktor mit einem drehfest und axial verlagerbaren Kupplungselement und Kupplung mit solchem Aktor

Info

Publication number: DE102014217120A1
Application number: DE102014217120.2A
Authority: DE
Inventors: Pierre-Yves Berthelemy; Wolfgang Haas; Johannes Bossert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Magnetorheologischer Aktor (1) mit einer in einer Axialrichtung (3) ausgerichteten Spindel (4), die zumindest einen Gewindeabschnitt (6) aufweist, mit einer Hülse (10), die an der Spindel (4) drehbar und axial verschieblich gelagert ist, wobei der Gewindeabschnitt (6) und die Hülse (10) eine mit einem magnetorheologischen Medium befüllte Kammer (11) definieren, und mit einem festgelegten Gehäuse (17), wobei an dem Gehäuse (17) ein Kupplungselement (40, 41) drehfest aber zum Abbremsen der Hülse (10) axial verschieblich gelagert ist Die Erfindung betrifft auch eine Kupplung (2) mit einem solchen Aktor (1) und mit einer Tellerfeder (22) zum Klemmen von zumindest einer Kupplungsscheibe (25) zwischen einer axial verlagerbaren Anpressplatte (24) und einer axial festgelegten Druckplatte (27).

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetorheologischen Aktor, vorzugsweise einen solchen Schraubenaktor, mit einer in einer Axialrichtung bzw. Längsrichtung gebildeten Spindel, die zumindest einen Gewindeabschnitt hat, mit einer Hülse, die an der Spindel drehbar und axial verschieblich gelagert ist, wobei der Gewindeabschnitt und die Hülse eine mit einem magnetorheologischen Medium, vorzugsweise einer magnetorheologischen Flüssigkeit, befüllte Kammer definieren, und mit einem festgelegten Gehäuse.
Ein magnetorheologisches bzw. magneto-rheologisches Medium soll hierbei ein Medium sein, dessen Maß für die Fähigkeit / Eignung zum Übertragen von Schubkräften (Viskosität bzw. Schubmodul) durch Einbringen in ein Magnetfeld veränderbar ist, vorzugsweise erhöht wird. Gewünscht ist ein Medium, welches sich bei Nicht-Anliegen eines (hinreichend starken) Magnetfelds wie eine Flüssigkeit, bspw. ein Öl, verhält, und welches sich bei Anliegen des Magnetfelds zumindest teilweise wie ein Festkörper verhält. Beispielhaft sei eine Suspension von in einer Trägerflüssigkeit (z.B. ein Öl) fein verteilten, magnetisch polarisierbaren Partikeln (z.B. Carbonyleisenpulver) genannt. Hierfür hat sich der Begriff „magnetorheologische Flüssigkeit“, kurz MRF, eingebürgert, welcher im Folgenden ebenfalls verwendet wird, aber nicht derart beschränkend zu verstehen ist, dass zwingend eine Flüssigkeit, wie das Öl, enthalten sein müsste. Mit anderen Worten ist eine magnetorheologische Flüssigkeit ein bevorzugt zu verwendendes magnetorheologisches Medium.
Eine Spindel ist ein auf eine Achse bezogen (näherungsweise) rotationssymmetrischer Körper, insbesondere ein Zylinder, ein Kegel und/oder ein abgestufter, konvexer und/oder konkaver, voller und/oder hohler Körper und/oder eine Kombination daraus. Eine Hülse ist ebenfalls ein auf eine Achse bezogen (näherungsweise) rotationssymmetrischer Körper, insbesondere ein Zylinder, ein Kegel und/oder ein abgestufter, konvexer und/oder konkaver, voller und/oder hohler Körper und/oder eine Kombination daraus.
Die Hülse und die Spindel sind dabei konzentrisch um eine gemeinsame Längsachse angeordnet. Dabei kann entweder die Spindel oder die Hülse radial innen liegend angeordnet sein. Zwischen der Spindel und der Hülse ist eine Kavität, so dass die Spindel und die Hülse, genauer gesagt eine der Spindel zugewandte Oberfläche der Hülse und eine der Hülse zugewandte Oberfläche der Spindel die Kammer definieren. Die Kammer dient der Aufnahme des magnetorheologischen Mediums.
Ein solcher Aktor ist aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2014 201 835.8 bekannt. Diese beschreibt einen magnetorheologischen Aktor mit einer Kammer, in der eine magnetorheologische Flüssigkeit aufgenommen ist, und einem Stellglied, das in der Kammer angeordnet ist, wobei das Stellglied eingerichtet ist, eine Betätigungskraft des Aktors auszuüben, wobei das Stellglied eine um ihre Längsachse rotatorisch angetriebene Gewindespindel mit einem Spindelkern und einem darauf befindlichen Gewinde ist, und das Gewinde von der magnetorheologischen Flüssigkeit umgeben ist. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Spindel mit einer Antriebswelle bzw. Eingangswelle oder Motorwelle dreht, während die Hülse ein feststehendes Teil ist. Mit anderen Worten formuliert, wird die Kammer durch eine drehbare Spindel / drehende Spindel / Gewindespindel und eine feststehende Hülse gebildet. Um ein Entweichen des magnetorheologischen Mediums aus der Kammer zu verhindern, und/oder um ein Eindringen von Schmutz oder Abrieb oder dergleichen zu verhindern ist eine Dichtung zwischen der Spindel und der Hülse vorgesehen. Die Dichtung kann beispielsweise ein Radialwellendichtring sein.
Im Folgenden bedeutet „antriebsseitig“: „kinematisch der Antriebswelle zugewandt“, bedeutet „abtriebsseitig“: „kinematisch einem zu betätigenden Teil zugewandt“ und bedeutet „gehäuseseitig“: „kinematisch dem Gehäuse zugewandt“.
Dabei hat sich das Problem ergeben, dass die Dichtung verschleißt, insbesondere da es für ein magnetorheologisches Medium, wie eine MRF, typisch ist, dass feste, magnetisierbare Partikel darin enthalten sind. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass ein magnetorheologischer Aktor mit einer Spindel, die zumindest einen Gewindeabschnitt hat, vorgesehen wird, wobei der Gewindeabschnitt von einer Kammer umgeben ist, die mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit gefüllt ist, und wobei die Kammer von einer Hülse definiert ist, wobei ferner die Hülse in einem ersten Betriebszustand um eine Längsachse der Spindel drehbar ist.
Aus dem genannten Stand der Technik gehen zwei Arten des Wandelns einer rotatorischen Bewegung bzw. Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung bzw. eine Transversalbewegung oder eine translatorische Bewegung bzw. zwei Arten des Wandelns eines Drehmoments in eine Kraft bzw. zwei Arten des Wandelns einer rotatorischen Leistung in einer translatorische / transversale Leistung hervor. Der Einfachheit halber werden die zwei Arten des Wandelns im Folgenden anhand einer Spindel, einer Hülse und einer Kammer erläutert.
Zur ersten Art des Wandelns: Nach Anlegen eines magnetischen Felds geht das magnetorheologische Medium, hier eine MRF, in einen verfestigten Zustand über, in welchem sie zweiphasig ist. Dabei werden die magnetisch polarisierten Partikel bzw. die ausgerichteten Partikel durch das Magnetfeld räumlich festgehalten. Dabei bleiben die magnetisch polarisierten oder ausgerichteten Partikel näherungsweise an demselben Ort und bilden Ketten von Partikel. Die Ketten bilden sich typischerweise entlang der Feldlinien des magnetischen Feldes aus. Die resultierende Struktur kann als poröse Struktur beschrieben werden, da zwischen den Ketten Volumina mit der Trägerflüssigkeit verbleiben. Die Ketten brechen, sobald eine betragsmäßig höhere Kraft direkt auf die einzelnen Partikel aufgebracht wird, als durch eine Grenzscherspannung vorgegeben ist. Bei der ersten Art des Wandelns schraubt sich die Spindel durch die zweiphasige MRF. Daher muss bei der ersten Art des Wandelns eine Schubspannung, welche durch die Gewindespindel ausgeübt wird, betragsmäßig kleiner als die Grenzscherspannung der MRF sein. Folglich ist diese erste Art des Wandelns, das „Ausschrauben“, für relativ (zur Grenzscherspannung) niedrige Axialkräfte geeignet. Anders ausgedrückt stützt sich die Spindel axial an den magnetisch polarisierten oder ausgerichteten Partikeln bzw. Ketten ab.
Die zweiten Art des Wandelns tritt auf, wenn / während die durch die Gewindespindel ausgeübte Schubspannung die Grenzscherspannung überschreitet. Bei Überschreiten dieses Werts brechen zwar die aus den polarisierten Partikeln gebildeten Ketten, allerdings bilden sich die Ketten aufgrund des fortwährend wirkenden magnetischen Felds sofort erneut in Bereichen mit geringerer Schubspannung als die Grenzscherspannung. Im Ergebnis bedeutet dies, dass die maximal erzeugbare Axialkraft (der ersten Art des Wandelns) erreicht ist. Das Gewinde bekommt in der Kettenstruktur der MRF Schlupf, sodass Teile der MRF trotz deren verfestigten Zustands durch das als archimedische Schraube wirkende Gewinde in einen Abschnitt, der stömungstechnisch hinter dem Gewinde ist, gefördert werden. In den Figuren der Ausführungsformen ist dieser strömungstechnisch hintere Kammerabschnitt rechts der Gewindeabschnitte, bzw. am gehäuseseitigen Ende der Kammer/-n. Dieser Zustand entspricht einem Zustand mit einer hochviskosen Flüssigkeit. In diesem strömungstechnisch hinteren Abschnitt wirkt auf die MRF keine Schubspannung mehr, sodass sich deren Partikel wieder zu Ketten formieren. Infolge der auf die Gewindespindel wirkenden Axialkraft steht dieser Abschnitt allerdings unter höherem Druck als ein strömungstechnisch vorderer Abschnitt, also ein Abschnitt, welcher strömungstechnisch vor dem Gewinde ist (abtriebsseitiger Kammerabschnitt, in den Figuren links zu finden). Die Trägerflüssigkeit der MRF kann von dem strömungstechnisch hinteren Abschnitt in den strömungstechnisch vorderen Abschnitt strömen. Da sich die in dem strömungstechnisch hinteren Abschnitt befindlichen Partikel wieder zu Ketten formiert haben, kommt es dort zu einer Ansammlung von verfestigten Partikeln. Die miteinander verketteten Partikel bilden hinter dem Gewinde ein Polster aus, auf dem sich der letzte Gewindegang des Gewindes abstützt. Das Polster hat typischerweise eine höhere Dichte an Partikeln als die poröse Struktur, da wegen des Drucks die Partikel zusammen gepresst werden und sich daher nur kleinere Volumina mit Trägerflüssigkeit bilden. Die Partikel in diesem Abschnitt verhalten sich wie ein Festkörper, und je mehr Partikel sich in dem strömungstechnisch hinteren Abschnitt ansammeln, desto größer wird das dort entstehende Polster. Je größer das Polster wird, desto größer wird der Versatz der Gewindespindel in die axial entgegen gerichtete Richtung, also in die Abtriebsrichtung bzw. Betätigungsrichtung.
Folglich ist diese zweite Art des Wandelns, das „Abstützen am Polster“, auch für höhere Axialkräfte als bei der ersten Art des Wandelns, dem „Ausschrauben“, geeignet. Anders ausgedrückt stützt sich die Spindel an den magnetisch polarisierten Partikeln axial ab, welche bei der zweiten Art des Wandelns durch das Magnetfeld verkettet axial an einer Kammerwand abgestützt werden.
Es kann bei der zweiten Art des Wandelns, das heißt während des Polsteraufbaus und insbesondere wenn der Polsteraufbau abgeschlossen ist und die Spindel axial in eine (gewünschte) Betätigungsstellung verlagert / verfahren / ausgerückt ist, folgender Zustand eintreten: Die Spindel ist in Axialrichtung verfahren, wobei sie sich mit dem antriebsseitig / gehäuseseitig letzten Gewindegang an dem Polster abstützt, während sich das Polster feststehend an der feststehenden Hülse abstützt. Dabei dreht sich die Antriebswelle und infolge dessen dreht sich die Spindel. Dabei wirkt die Betätigungskraft, beispielsweise eine Tellerfederkraft, zwischen dem drehenden antriebsseitig letzten Gewindegang und dem feststehenden Polster. Dabei erfahren die Partikel, aus welchen das Polster gebildet ist, Reibung, also Normalkräfte und/oder Scherkräfte. Zwar ist diese Reibung geringer als eine Reibung zwischen zwei Festkörpern, da einerseits die Trägerflüssigkeit der MRF Schmiereigenschaften hat / haben kann, und da andererseits die Verbindung zwischen dem Gewinde und der MRF (bevorzugt) keine magnetische Verbindung ist, allerdings kann diese Reibung dennoch Grenzwerte überschreiten. Beispielsweise können (fein) beschichtete Partikel zum Einsatz kommen, so dass bei Überschreiten eines Grenzwerts an Reibungsenergie diese Partikelbeschichtung beschädigt wird.
Also kann es im ausgerückten Zustand eines gattungsgemäßen Aktors dazu kommen, dass die Partikel beschädigt werden, dass die Partikelbeschichtung beschädigt wird, dass sich die Partikeleigenschaften oder die Eigenschaften der MRF verschlechtern bzw. degradieren, dass die MRF unerwünscht stark beansprucht wird, und/oder dass eine gewünschte Dauerfestigkeit der MRF bzw. des gesamten Aktors nicht zuverlässig erreicht wird.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Aktor vorzusehen, bei welchem eine Beanspruchung des Mediums (der MRF) im ausgerückten Zustand reduziert ist, vorzugsweise vermieden ist. Es ist daher eine andere Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Aktor mit erhöhter / besserer Dauerfestigkeit vorzusehen. Es ist daher eine andere Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Aktor vorzusehen, welcher gleichermaßen zur ersten Art des Wandelns wie auch zur zweiten Art des Wandelns geeignet ist. Es ist eine nochmals andere Aufgabe der Erfindung, eine Kupplung mit einem solchen Aktor vorzusehen. Die genannten Aufgaben der Erfindung sind alle gleichwertig, daher kann als eine übergeordnete Aufgabe der Erfindung formuliert werden, dass ein gattungsgemäßer Aktor und/oder eine Kupplung mit einem solchen Aktor hinsichtlich zumindest einer der genannten Aufgaben zu verbessern ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem gattungsgemäßen Aktor dadurch gelöst, dass an dem Gehäuse ein Kupplungselement / eine Vorkupplung / eine Zuschalteinrichtung / ein Bremsbauteil drehfest aber zum Abbremsen der Hülse, etwa über das Hervorrufen von Reibung, axial verschieblich gelagert ist. An dem Gehäuse ist also ein Kupplungselement drehfest und zum Reiben an der Hülse, vorzugsweise zum Koppel mit der Hülse, axial verschieblich gelagert. Durch ein axiales Verschieben des Kupplungselements kann dieses ein Reibmoment an der Hülse erzeugen. Dadurch kann die Drehung der Hülse gebremst werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Übergang von der ersten Art des Wandelns zu der zweiten Art des Wandelns erreicht werden kann.
Dieser Übergang von der ersten Art des Wandelns zu der zweiten Art des Wandelns wird im Folgenden näher erläutert. In einem ersten Betriebszustand des Aktors liegt kein Magnetfeld an der Kammer an. Dabei wird die Spindel gedreht. Über den Gewindeabschnitt wird eine Strömungskraft auf das magnetorheologische Medium aufgebracht. Die Strömungskraft überträgt sich auf die Hülse, welche gattungsgemäß um die Spindel drehbar ist. Daher dreht sich die Hülse näherungsweise mit der Drehzahl der Spindel. Dann wird ein Magnetfeld an die Kammer angelegt. Daher werden (Eisen-)Partikel in dem Medium polarisiert, bilden Ketten und werden räumlich durch das Magnetfeld mit einem „magnetischen Losbrechmoment“ festgehalten. Das magnetische Losbrechmoment entspricht der Grenzscherspannung gemäß der Beschreibung der ersten und zweiten Art des Wandelns. Die Ketten ähneln einer porösen Struktur. Daher liegt eine Drehzahldifferenz sowohl zwischen der Spindel und der porösen Struktur wie auch zwischen der Hülse und der porösen Struktur vor. Daher bildet sich ein Reibmoment zwischen der Spindel und der porösen Struktur. Ein ausreichend „starkes“ Magnetfeld, eine ausreichend hohe Menge an Partikeln und eine ausreichend gering benötigte Axialkraft vorausgesetzt, reicht dieses Reibmoment, die Spindel gemäß der ersten Art des Wandeln einer rotatorischen Leistung in eine translatorische Leistung axial bzw. translatorisch ausschraubend zu bewegen. Diese ausschraubende Bewegung, das heißt die erste Art des Wandelns, entspricht also dem zweiten Betriebszustand. Diese ausschraubende Bewegung ist durch das magnetische Losbrechmoment begrenzt. Wird nun das Reibmoment erhöht, nämlich dadurch dass erfindungsgemäß die Hülse reibend gebremst wird, kann ein insgesamt höheres Moment (magnetisches Losbrechmoment plus Reibmoment) zwischen der Spindel und dem Medium übertragen werden. Es kommt zum Aufbau des Polsters aus Partikel an einem antriebsseitigen Ende des Gewindeabschnitts. Damit beginnt ein dritter Betriebszustand. Liegt eine geschlossene kinematische Kette aus Betätigung bzw. zu betätigendem Teil (bspw. eine zu drückende Tellerfeder, also abtriebsseitig an der Spindel), der Spindel, dem Gewindeabschnitt, dem Polster antriebsseitig an dem Gewindeabschnitt, der Hülse und dem Gehäuse vor, wird die Spindel axial gegen das zu betätigende Teil verlagert, bis der Aufbau des Polsters abgeschlossen ist. Daher folgt zusammenfassend gesprochen aus dem Reibmoment zwischen dem Kupplungselement und der Hülse die zweite Art des Wandelns.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend erläutert. Die dort genannten Aspekte können auch einzeln, unabhängig voneinander und vom Hauptaspekt weiterverfolgt werden.
So ist es von Vorteil, wenn sich die Hülse über ein Axiallager an dem Gehäuse in Axialrichtung in Umfangsrichtung drehbar abstützt bzw. die Hülse an dem Gehäuse axial zumindest in Gehäuserichtung und drehbar gelagert ist. Dadurch kann die Hülse eine in gehäuseseitiger Richtung auf die Hülse aufgebrachte Kraft, insbesondere die über die Gewindespindel und das aufgebaute (Eisen-)Polster auf die Hülse aufgebrachte Betätigungskraft (gemäß actio = reactio), an dem Gehäuse abstützen und ist gleichzeitig drehbar. Also ermöglicht diese Art der Lagerung, dass die Hülse unter Last mit der Spindel rotiert. Dies hat den Vorteil, dass erreicht werden kann, dass in dem ausgerückten Zustand ein Grenzwert an Reibenergie an auf die Partikel übertragener Reibenergie nicht überschritten wird. Dies hat den Vorteil, die Beanspruchung des Mediums im ausgerückten Zustand reduziert sein kann. Dies hat auch den Vorteil, dass die Dauerhaltbarkeit des Aktors erhöht sein kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die Hülse an dem Gehäuse mittels eines Gleitlagers axial zumindest in Gehäuserichtung und drehbar gelagert ist. Dies hat den Vorteil, dass eine kostengünstige Lagerung erreichbar ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Hülse an dem Gehäuse mittels eines Wälzlagers, insbesondere eines Axialnadellagers, axial zumindest in Gehäuserichtung und drehbar gelagert ist. Dies hat den Vorteil, dass eine sehr leistungsfähige Lagerung, also eine Lagerung mit Eignung für hohe Lasten. erreichbar ist.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hülse an dem Gehäuse mit magnetisch gut leitendem Kontakt, bevorzugt einem ferromagnetischen Kontakt, besonders bevorzugt einem Kontakt aus Eisenbasiswerkstoff gelagert ist. Anders formuliert kann vorgesehen sein, dass die Hülse an dem Gehäuse mittels eines Lagers aus magnetisch gut leitendem Material, vorzugsweise aus ferromagnetischem Material, besonders bevorzugt aus einem Eisenbasiswerkstoff, gelagert ist. Unter einem magnetisch gut leitenden Kontakt bzw. unter einem magnetisch gut leitenden Material wird in diesem Kontext ein Kontakt oder ein Material mit einer Permeabilität von zumindest gleich 80 verstanden. Unter einem ferromagnetischen Kontakt oder einem solchen Material wird in diesem Kontext ein Kontakt oder ein Material mit einer Permeabilität von zumindest gleich 300 verstanden. Dadurch kann ein Magnetfeld von dem Gehäuse über/durch die Hülse in die Kammer geleitet werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist.
Es ist auch möglich, dass die Hülse zumindest in dem die Kammer umgebenden Bereich aus magnetisch gut leitendem Material, vorzugsweise aus ferromagnetischem Material, besonders bevorzugt aus einem Eisenbasiswerkstoff gebildet ist. Dadurch kann die Hülse das Magnetfeld der Spule besonders konzentriert leiten. Dadurch kann im Bereich der Kammer eine besonders hohe magnetische Feldstärke erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Aktor mit einer hohen Axialkraft und/oder einer hohen Leistungsdichte und/oder einem geringen Gewicht erreichbar ist. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist. In diesem Zusammenhang spricht man auch von einer Ankerhülse.
Es ist zweckmäßig, wenn das Gehäuse aus magnetisch gut leitendem Material, vorzugsweise aus ferromagnetischem Material, besonders bevorzugt aus einem Eisenbasiswerkstoff gebildet ist. Dadurch kann das Gehäuse das Magnetfeld der Spule besonders konzentriert leiten. Dadurch kann im Bereich der Kammer eine besonders hohe magnetische Feldstärke erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Aktor mit einer hohen Axialkraft und/oder einer hohen Leistungsdichte und/oder einem geringen Gewicht erreichbar ist. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Spindel einen Spindelgrundkörper haben, welcher zumindest in einem zu der Kammer benachbarten Abschnitt aus magnetisch gut leitendem Material, vorzugsweise aus ferromagnetischem Material, besonders bevorzugt aus einem Eisenbasiswerkstoff gebildet ist. Dadurch kann im Bereich der Kammer eine besonders hohe magnetische Feldstärke erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Aktor mit einer hohen Axialkraft und/oder einer hohen Leistungsdichte und/oder einem geringen Gewicht erreichbar ist. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich der Spindelgrundabschnitt von dem zu der Kammer benachbarten Bereich zu einem zu der Spindel direkt benachbarten Gehäuseabschnitt erstreckt. Dadurch kann ein magnetisches Feld von dem Gehäuse mit der Spule zu der Kammer geleitet werden. Dadurch kann im Bereich der Kammer eine besonders hohe magnetische Feldstärke erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Aktor mit einer hohen Axialkraft und/oder einer hohen Leistungsdichte und/oder einem geringen Gewicht erreichbar ist. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindeabschnitt zumindest in einem gewindekopfseitigen Abschnitt, welcher vom Gewindekopf aus zum Gewindefuß zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, stärker bevorzugt zumindest 75%, besonders bevorzugt 100% der Zahnhöhe des Gewindeprofils ausmacht, aus magnetisch schwach leitendem Material gebildet ist. Dadurch kann ein „magnetischer Kurzschluss“ durch den Gewindeabschnitt verhindert werden. Dadurch kann im Bereich der Kammer eine besonders hohe magnetische Feldstärke erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Aktor mit einer hohen Axialkraft und/oder einer hohen Leistungsdichte und/oder einem geringen Gewicht erreichbar ist. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist.
Unter einem magnetisch schwach leitenden Material wird in diesem Kontext ein Material mit einer Permeabilität von höchstens gleich 2 verstanden. Alternativ oder zusätzlich soll als magnetisch schwach leitendes Material ein Material mit einer Permeabilität von höchstens gleich der Permeabilität des magnetorheologischen Mediums verwendet werden, bevorzugt wird dabei ein Material, dessen Permeabilität 1/2, stärker bevorzugt 1/10, noch stärker bevorzugt 1/100 und am stärksten bevorzugt 1/1000 der Permeabilität des magnetorheologischen Mediums beträgt.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Spindelgrundkörper und der Gewindeabschnitt nicht einstückig gebildet sind. Dadurch kann eine kostengünstige, weil getrennte, Fertigung von dem Spindelgrundkörper und dem Gewindeabschnitt erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein kostengünstiger Aktor vorgesehen sein kann. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn der Spindelgrundkörper und der Gewindeabschnitt einstückig und aus zumindest zwei verschiedenen Materialien gebildet sind. Dabei wird insbesondere an eine Herstellung durch Sintern, aber auch Kleben oder Löten, gedacht. Dadurch kann eine einstückige Konstruktion aus magnetisch verschieden leitenden Materialien erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein kostengünstiger und stabiler Aktor erreicht wird. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit einer hohen Axialkraft und/oder einer hohen Leistungsdichte und/oder einem geringen Gewicht erreichbar ist. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist.
Wenn abtriebsseitig an der Spindel ein, vorzugsweise als Ausrückscheibe gebildeter, (Spindel-)Anschlag gebildet oder befestigt ist, so können besonders hohe Axialkräfte übertragen werden. Dadurch kann die durch den Aktor zu erzeugende Axialkraft von der Spindel an das zu betätigende Teil übertragen werden.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass sich die Hülse abtriebsseitig über eine Feder an einem Anschlag der Spindel abstützt bzw. zwischen der Hülse und dem (Spindel-)Anschlag eine (Druck-)Feder, vorzugsweise eine Tellerfeder, geschaltet ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die Hülse gegenüber der Spindel vorgespannt ist. Dadurch kann eine Anlage der Spindel an dem zu betätigenden Teil (beispielsweise eine Tellerfeder einer Kupplung) erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass der Aktor schneller anspricht, da die erste Art des Wandelns übergangen werden kann.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Spule zum Erzeugen eines die Kammer durchdringenden Magnetfelds an dem Gehäuse fest ist, wobei bevorzugt das Gehäuse die Spule zumindest teilweise umgibt, wobei das Gehäuse vorzugsweise radial außerhalb der Spule angeordnet ist. Dadurch kann das Magnetfeld besonders effizient erzeugt werden. Dadurch kann das Magnetfeld gesteuert oder geregelt werden. Dies hat den Vorteil, dass ein energieeffizienter Aktor erreicht wird.
Eine Weiterbildung kann darin bestehen, dass eine Feder das Kupplungselement von der Hülse weg vorspannt. Dadurch kann verhindert werden, dass das Kupplungselement zufällig eine Reibkraft an der Hülse erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass eine Verlustleitung verhindert sein kann.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Kupplungselement durch eine magnetische Anziehung in Anlage mit der Hülse bringbar ist. Dadurch kann das Kupplungselement gezielt oder gesteuert oder geregelt in Anlage mit der Hülse gebracht werden. Dadurch kann verhindert werden, dass das Kupplungselement zufällig eine Reibkraft an der Hülse erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass eine Verlustleitung verhindert sein kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass die magnetische Anziehung durch die Spule, welche das die Kammer durchdringende Magnetfeld erzeugt, erzeugt wird. Dies stellt eine kostengünstige und konstruktiv einfache Gestaltung dar.
Es ist von Vorteil, wenn an dem Kupplungselement eine mit Strom durchflutbare Spule zum in-Anlage-Bringen des Kupplungselements mit der Hülse unter Hervorrufens einer Magnetkraft vorgesehen ist bzw. an dem Kupplungselement eine Spule zum in-Anlage-Bringen von der Hülse und dem Kupplungselement vorgesehen ist, vorzugsweise angebracht ist. Dadurch kann das Kupplungselement gezielt oder gesteuert oder geregelt in Anlage mit der Hülse gebracht werden. Dadurch kann verhindert werden, dass das Kupplungselement zufällig eine Reibkraft an der Hülse erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass eine Verlustleitung verhindert sein kann. Dadurch kann auch das Reibmoment an der Hülse unabhängig von dem Aufbau und Erhalt des Eisenpolsters gesteuert werden. Dies hat den Vorteil, dass erreicht werden kann, dass in dem ausgerückten Zustand ein Grenzwert an Reibenergie an auf die Partikel übertragener Reibenergie nicht überschritten wird. Dies hat den Vorteil, die Beanspruchung des Mediums im ausgerückten Zustand reduziert sein kann. Dies hat auch den Vorteil, dass die Dauerhaltbarkeit des Aktors erhöht sein kann.
Durch die an dem Kupplungselement vorgesehene / angebrachte Spule ist es möglich, die Drehzahl der Hülse zwischen null und der Spindeldrehzahl zu steuern oder zu regeln. Also ist es möglich, eine Drehzahldifferenz zwischen Hülse und Spindel zu regeln und/oder eine Drehzahldifferenz zwischen Gehäuse (Drehzahl null) und Hülse zu regeln. Diese Differenzdrehzahlen werden auch als Schlupf bezeichnet. Dies kann als „schlupfgeregelte Hülse“ bezeichnet werden.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an der Hülse axial zumindest gehäuseseitig ein die Kammer begrenzender Stützabschnitt gebildet oder angebracht ist. Der Stützabschnitt kann auch als Stützscheibe bezeichnet werden. Dadurch kann ein Polster des magnetorheologischen Mediums, welches sich näherungsweise wie ein Festkörper verhält, an der Hülse abgestützt werden. Dadurch kann eine hohe Axialkraft von der Spindel auf das Medium und auf die Hülse (und umgekehrt) geleitet werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Aktor mit einer hohen Axialkraft und/oder einer hohen Leistungsdichte und/oder einem geringen Gewicht erreichbar ist.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Stützabschnitt aus magnetisch schwach leitendem Material gebildet sein. Dadurch kann ein „magnetischer Kurzschluss“ durch den Stützabschnitt verhindert werden. Dadurch kann im Bereich der Kammer eine besonders hohe magnetische Feldstärke erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Aktor mit einer hohen Axialkraft und/oder einer hohen Leistungsdichte und/oder einem geringen Gewicht erreichbar ist. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist.
Der Stützabschnitt bzw. die Stützscheibe kann als Führungsscheibe, welche die Hülse an der Spindel lagert, gestaltet sein. Dadurch kann eine Abstützlänge der Lagerung der Hülse an der Spindel die axiale Länge der Kammer haben. Dies hat den Vorteil, dass ein Verkippen der Hülse verhindert werden kann.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hülse und der Stützabschnitt nicht einstückig gebildet sind. Dadurch kann eine kostengünstige, weil getrennte, Fertigung von Hülse und Stützabschnitt erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein kostengünstiger Aktor vorgesehen sein kann. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist.
Wenn die Hülse und der Stützabschnitt einstückig und aus zumindest zwei verschiedenen Materialien gebildet sind, kann eine nach der Montage einstückige Konstruktion aus magnetisch verschieden leitenden Materialien erreicht werden. Dabei wird insbesondere an eine Herstellung durch Sintern, Löten, Kleben oder Schweißen gedacht. Dies hat den Vorteil, dass ein kostengünstiger und stabiler Aktor erreicht wird. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit einer hohen Axialkraft und/oder einer hohen Leistungsdichte und/oder einem geringen Gewicht erreichbar ist. Dies hat auch den Vorteil, dass ein Aktor mit hoher magnetischer Feldstärke und/oder homogenem magnetischen Feld erreichbar ist.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an der Hülse axial gehäuseseitig und axial abtriebsseitig jeweils ein die Kammer begrenzender Stützabschnitt gebildet oder angebracht ist, und dass zumindest die Abmessungen der Kammer, die Abmessungen des Gewindeabschnitts und ein Volumenanteil an magnetisch polarisierbaren Partikeln eines die Kammer füllenden magnetorheologischen Mediums so bemessen sind, dass der Gewindeabschnitt mittels des die Kammer durchdringenden (aktivierbaren bzw. einschaltbaren und/oder deaktivierbaren bzw. ausschaltbaren und/oder steuerbaren und/oder regelbaren) Magnetfelds in Anlage an den abtriebsseitigen Stützabschnitt bringbar ist. Anstelle von „mittels“ kann man auch „bei Anliegen“ oder „unter Einwirkung“ formulieren. Dadurch kann der Gewindeabschnitt der Spindel an dem abtriebsseitigen Stützabschnitt geklemmt werden. Gehäuseseitig stützt sich die Spindel dann über das Polster an dem gehäuseseitigen Stützabschnitt ab. Daher tritt dieses Anliegen bei dem dritten Betriebszustand auf. Mit anderen Worten, dieses Anliegen tritt im ausgerückten Zustand des Aktors auf. Dies hat den Vorteil, dass erreicht werden kann, dass in dem ausgerückten Zustand ein Grenzwert an Reibenergie an auf die Partikel übertragener Reibenergie nicht überschritten wird. Dies hat den Vorteil, die Beanspruchung des Mediums im ausgerückten Zustand reduziert sein kann. Dies hat auch den Vorteil, dass die Dauerhaltbarkeit des Aktors erhöht sein kann.
Es ist möglich, dass eine Kupplung mit einem Aktor nach zumindest einem der vorangehenden Aspekte und mit einer Tellerfeder zum Klemmen von zumindest einer Kupplungsscheibe zwischen einer axial verlagerbaren Anpressplatte und einer axial festgelegten Druckplatte vorgesehen ist. Somit kann eine erfindungsgemäße Kupplung vorgesehen sein, welche die Vorteile des jeweiligen Aktors hat.
Gemäß einem anderen, auch unabhängig beanspruchbaren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Tellerfeder die Spindel permanent mit einer Axialkraft (entgegen einer Betätigungsrichtung) beaufschlagt. Dies hat den Vorteil, dass der Aktor schneller anspricht, da die erste Art des Wandelns übergangen werden kann.
Die Kupplung kann eine Einscheibenkupplung oder, bevorzugt, eine Mehrscheibenkupplung sein, und kann eine normalerweise geöffnete bzw. selbstöffnende Kupplung oder eine normalerweise geschlossene bzw. selbstschließende Kupplung sein.
Eine Einscheibenkupplung hat den Vorteil, dass eine reduzierte Lagerhaltung möglich ist. Ferner ist gerade im beispielhaft genannten Kraftfahrzeugbau, genauer gesagt beim Antriebsstrang von Verbrennungskraftmaschinen, eine solche Kupplung wegen dem geringen Bedarf an axialem Bauraum und einer erleichterten Austauschbarkeit verbreitet.
Eine Mehrscheibenkupplung, insbesondere eine Lamellenkupplung, hat demgegenüber den Vorteil, dass geringere Betätigungskräfte bei gleichem übertragbaren Drehmoment möglich sind.
Eine normalerweise geöffnete Kupplung hat den Vorteil, dass bei Ausfall des Betätigers (Stromausfall an der Spule) dennoch eine Drehmomentübertragung unterbrochen wird, so dass die angetriebene Maschine (beispielsweise ein Fahrzeug oder ein Hilfsaggregat wie ein Klimakompressor) letztlich sicher gestoppt werden kann („fail safe“-Prinzip).
Eine normalerweise geschlossene Kupplung hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Betätigung nur zum Öffnen der Kupplung notwendig ist, also dass im vorliegenden Fall die Spule nur zum Öffnen der Kupplung mit Strom beaufschlagt werden muss. Bei Verwendung im Antriebsstrang einer Verbrennungskraftmaschine ist dies üblicherweise zum Stoppen und/oder Wechseln einer Übersetzung nötig, somit kann ein Verbrauch reduziert sein. Bei Verwendung im Triebstrang zwischen einer Verbrennungskraftmaschine und einem Hilfsaggregat ist dies üblicherweise eine Situation, in welcher die Verbrennungskraftmaschine gestoppt ist, während die Hilfsaggregate beispielsweise durch einen Elektromotor angetrieben werden.
Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Realisierung einer schlupfgeregelten (Anker-)Hülse, wobei die Schlupfregelung durch die Integration von einer getrennten Bremskupplung bzw. Magnetkupplung erfolgt. Eine Axiallagerung zwischen der (Anker-)Hülse und dem feststehenden Spulengehäuse wird ebenfalls vorgeschlagen. Die Drehbewegung der Ankerhülse, und dadurch der Ausrückweg der Spindel, kann unabhängig von der Steuerung/Regelung der MRF gesteuert/geregelt werden, um das Verhältnis zwischen der Motordrehbewegung und der Polsterdicke frei einstellen zu können. Die durch die Axiallagerung ermöglichte Drehzahldifferenz (Schlupf) bei Betätigung des zu betätigenden Teil, beispielsweise beim Öffnen einer selbstschließenden Kupplung, vermeidet eine Reibung der Spindel bzw. Gewindespindel, genauer gesagt des Gewindeabschnitts der Spindel, an/auf dem (Eisen-)Polster.
Es wird also bei einem gattungsgemäßen magnetorheologischen Aktor eine Schlupfregelung einer Ankerhülse mittels separat bzw. getrennt vorgesehener Bremskupplung bzw. Magnetkupplung vorgeschlagen. „Separat“ bzw. „getrennt“ bezieht sich dabei auf eine zum Erzeugen eines die Kammer durchdringenden Magnetfelds vorgesehener Spule. Durch diese Schlupfregelung der (Anker-)Hülse wird eine Dosierbarkeit der (axialen) Dicke des (Eisen-)Polsters und/oder eine Dosierbarkeit des Ausrückwegs erreicht. Dies führt zu einer Optimierung des Verschleißes der MRF beim ausgerückten Zustand der Spindel bzw. beim ausgerückten Zustand einer beispielsweise betätigten selbstschließenden Kupplung. Dabei ist die Funktionalität der Bremskupplung (d.h. des Zusammenwirkens des Kupplungselements mit der Hülse) von der Steuerung / Regelung der MRF unabhängig. Eine Axiallagerung zwischen der Ankerhülse und dem feststehenden Spulengehäuse wird ebenfalls vorgeschlagen. Die Spule der Magnetkupplung kann axial verschiebbar sein. Die Spule der Magnetkupplung kann axial vorgespannt sein.
Man könnte auch sagen, dass ein gattungsgemäßer Aktor vorgestellt wird, bei welchem eine Reibstelle zwischen einem gehäuseseitigen Ende des Gewindeabschnitts und einem (Eisen-)Polster bei dem betätigten Betriebszustand des Aktors vermieden werden kann. Dieser Aktor ist besonders einfach aufgebaut, da nur eine Hauptspule, also eine an dem Gehäuse fest angebrachte Spule zum Erzeugen eines die Kammer durchdringenden Magnetfelds, nötig ist, um das erfindungsgemäße Kupplungselement axial zu verlagern. Diese Variante basiert auf einer Selbstklemmung der Spindel bzw. der Gewindespindel bzw. des Gewindeabschnitts der Spindel mit / an der Hülse bzw. Ankerhülse. Der Ausrückweg beim Betätigen eines zu betätigenden Teils, wie beispielsweise einer Tellerfeder einer selbstschließenden Kupplung, hängt direkt von einer Menge bzw. einem Volumenanteil an (Eisen-)Partikel in der Kammer ab. Dabei ist der Aktor so ausgelegt, dass ein abtriebsseitiges Ende des Gewindeabschnitts mit einem abtriebsseitigen Anschlag an der Hülse (abtriebsseitiger Stützabschnitt) in Anlage gelangt. Beispielsweise kann dies erreicht werden, indem die Menge bzw. der Volumenanteil an (Eisen-)Partikeln in der MRF erhöht wird, damit der Gewindeabschnitt mit dem abtriebsseitigen Stützabschnitt in Anlage gelangt.
Mit nochmals anderen Worten wird ein gattungsgemäßer Aktor mit besonderer Eignung zur Verwendung mit selbstschließenden Kupplungen bei Antrieb mittels einer nicht gestoppten Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, wobei eine Beanspruchung der MRF in einem ausgerückten Zustand der selbstschließenden Kupplung reduziert ist bzw. vermieden wird, um eine höhere Dauerfestigkeit des Aktors zu erreichen. Dazu wird vorgeschlagen, einen magnetorheologischen Aktor mit einer Spindel, die zumindest einen Gewindeabschnitt hat, wobei der Gewindeabschnitt von einer Kammer umgeben ist, die mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit gefüllt ist, und wobei die Kammer von einer Hülse definiert ist, wobei ferner die Hülse in einem ersten Betriebszustand um eine Längsachse der Spindel drehbar ist, wobei die Hülse vorzugsweise einen Hülsenanschlag hat, und wobei vorzugsweise zwischen dem Hülsenanschlag und einem Gehäuseanschlag ein Reibmoment übertragbar ist, mit einer schlupfgeregelte (Anker-)Hülse zu versehen. Dabei erfolgt die Schlupfregelung bevorzugt durch eine Integration einer separaten bzw. getrennten Bremskupplung bzw. Magnetkupplung. Es ist eine Axiallagerung zwischen der (Anker-)Hülse und dem feststehenden Spulengehäuse vorgesehen. Die Drehbewegung der Ankerhülse (und dadurch der Ausrückweg) kann unabhängig von der MRF Steuerung geregelt werden, um das Verhältnis zwischen der Motordrehbewegung und der Polsterdicke frei einstellen zu können. Eine Anpassung der Drehzahldifferenz mittels der Axiallagerung im offenen Zustand der Hauptkupplung vermeidet die Reibung der Gewindespindel auf dem Eisenpolster. Der Aktor hat vorzugsweise eine unabhängig von der MRF Steuerung betätigbare Bremskupplung zur Schlupfregelung und/oder durch eine Axiallagerung zwischen der Ankerhülse und dem feststehenden Spulengehäuse und/oder durch eine axial verschiebbaren und vorgespannten Spule der Magnetkupplung. Es wird auch vorgeschlagen, die Reibstelle zwischen einen gehäuseseitigen Ende des Gewindeabschnitts und dem Eisenpolster bei betätigter Kupplung vorzugsweise durch Anliegen des abtriebsseitigen Endes des Gewindeabschnitts an einem abtriebsseitigen Stützabschnitt der Hülse zu vermeiden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
1 eine Kupplung mit einem Aktor gemäß einer ersten Ausführungsform in einem ersten Betriebszustand,
2 die Kupplung und den Aktor von 1 zu Beginn eines zweiten Betriebszustands,
3 den Aktor von 1 im zweiten Betriebszustand,
4 die Kupplung und den Aktor von 1 in einem vierten Betriebszustand,
5 die Kupplung und den Aktor von 1 in einem fünften Betriebszustand,
6 einen Aktor gemäß einer zweiten Ausführungsform in dem ersten Betriebszustand,
7 den Aktor von 6 in dem zweiten Betriebszustand, und
8 den Aktor von 6 in dem vierten Betriebszustand.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Gleiche Elemente bzw. vergleichbare Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einen Ausführungsform können auch in der anderen Ausführungsform enthalten sein. Sie sind also untereinander austauschbar.
Die 1 bis 5 zeigen einen erfindungsgemäßen Aktor 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Aktor 1 betätigt eine Kupplung 2. Der Aktor 1 und die Kupplung 2 sind konzentrisch zu einer gemeinsamen Längsachse 3 angeordnet. Die Längsachse 3 definiert eine Axialrichtung sowie, davon ausgehend, eine Radialrichtung und eine Umfangsrichtung.
Der Aktor 1 hat eine Spindel 4. Die Spindel 4 hat einen im Wesentlichen zylinderförmigen Spindelgrundkörper 5, an dem ein Gewindeabschnitt 6 gebildet ist. An einem abtriebsseitigen Ende des Spindelgrundkörpers 5 ist eine Ausrückscheibe 7 stoffschlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig befestigt oder mit dieser einstückig ausgebildet. Die Spindel 4 wird auch Gewindespindel genannt.
An einem radial innen liegenden Umfang der Spindel 4, das heißt an einer Innenseite der Spindel 4, ist an dem Spindelgrundkörper 5 eine Keilwellenverzahnung 8 angebracht bzw. vorgesehen. Die Keilwellenverzahnung 8 ist ein Beispiel einer Vielzahl an Welle-Nabe-Verbindungen, welche eine drehfeste aber axial verschiebliche Verbindung ermöglichen; insofern soll die Keilwellenverzahnung 8 nicht beschränkend verstanden werden. Die Keilwellenverzahnung 8 ist auf eine dazu komplementär gebildete Keilwellenverzahnung einer Antriebswelle 9 gesteckt. Die Antriebswelle 9 kann auch als Motorwelle oder als Eingangswelle bezeichnet werden. Mit anderen Worten beschrieben, ist die Spindel 4 mit einem axial translatorischen Freiheitsgrad bzw. mit einer axialen Bewegungsfreiheit an der Antriebswelle 9 gelagert. Die Antriebswelle 9 kann daher die Spindel 4 rotatorisch antreiben.
Die Spindel 4 ist im Bereich des Gewindeabschnitts 6 von einer Hülse 10 umfangen. Die Hülse 10 wird auch als Ankerhülse bezeichnet. Dabei bilden die Spindel 4 und die Hülse 10 zusammen eine Kammer 11. Die Hülse 10 hat einen zylindrischen Hülsengrundkörper 12, an dem radial auskragend ein flachringförmiger Hülsenlagerabschnitt 13 gebildet ist, an dem wiederum radial außen und gehäuseseitig topfförmig versetzt ein flachringförmiger Hülsenkupplungsabschnitt 14 gebildet ist. Die Kammer 11 wird in axialer Richtung durch jeweils eine Führungsscheibe 15 begrenzt. Mit anderen Worten ist an einem gehäuseseitigen Ende der Kammer 11 und an einem abtriebsseitigen Ende der Kammer 11 jeweils eine Führungsscheibe 15 vorgesehen. Die Führungsscheiben 15 sind nur ein Beispiel eines Stützabschnitts bzw. einer Stützscheibe. Die Führungsscheiben 15 sind an der Hülse 10 stoffschlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig befestigt oder mit dieser einstückig gebildet. Die Führungsscheiben 15 sind zwar fest mit der Hülse 10 verbunden, aber an der Spindel 4 in Axialrichtung beweglich bzw. verschiebbar gelagert. Daher liegt zwischen der Spindel 4 und der Hülse 10 ein translatorischen Freiheitsgrad, nämlich in Axialrichtung, vor. Die Führungsscheiben 15 sind ferner an der Spindel 4 in Umfangsrichtung beweglich, lassen also eine Drehung zwischen den Führungsscheiben 15 und der Spindel 4 und somit eine Drehung zwischen der Hülse 10 und der Spindel 4 zu. Daher hat die Hülse 10 einen rotatorischen Freiheitsgrad, nämlich in Umfangsrichtung.
Von der Kammer 11 aus betrachtet, sind außerhalb der Führungsscheiben 15 noch Dichtungen 16 vorgesehen. Die Dichtungen 16 sind Radialwellendichtringe. Die Kammer 11 wird durch die Dichtungen 16 abgedichtet. Die Kammer 11 ist mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit, kurz MRF, gefüllt. Die MRF ist ein Beispiel eines magnetorheologischen Mediums. Die Dichtungen 16 verhindern einerseits, dass die MRF ausläuft oder austritt bzw. entweicht, und andererseits, dass aus der Umgebung Schmutz oder Schmiermittel oder etwas anderes in die Kammer 11 eintritt.
Die Antriebswelle 9 ist axial abschnittsweise von einem Gehäuse 17 umgeben. Das Gehäuse 17 ist in allen sechs Freiheitsgraden fest an einem Motorblock 19 gelagert. Der Motorblock 19 ist lediglich ein illustrierendes Beispiel eines beliebigen Inertialsystems. Das Gehäuse 17 lagert eine Spule 18. Die Spule 18 wird auch als Hauptspule bezeichnet. Genauer gesagt umgibt das Gehäuse 17 die Spule 18 teilweise, nämlich axial und radial an einer von der Kammer 11 abgewandten Seite. Mit anderen Worten wird die Spule 18 von der Hülse 10 und dem Gehäuse 17 teilweise umschlossen.
An dem Gehäuse 17 ist axial abtriebsseitig ein Axiallager 20 befestigt. Das Axiallager 20 ist axial vorzugsweise in Verlängerung der Spule 18 vorgesehen. Das Axiallager 20 ist ein Wälzlager der Bauform Axialnadelkranz, und zwischen der Spule 18 und dem Axiallager 20 ist eine Anlaufscheibe 21 vorgesehen. Alternativ kann statt des Wälzlagers ein Gleitlager oder ein Schmierfilm gewählt werden, und/oder kann statt der Anlaufscheibe 21 ein Adapter gewählt werden. Die Anlaufscheibe 21 wird auch als Anlaufring bezeichnet.
Abtriebsseitig der Ausrückscheibe 7 ist die Kupplung 2 vorgesehen. In der 1 sind von der Kupplung 2 eine Tellerfeder 22, ein Kupplungsflansch 23, eine Anpressplatte 24, zwei Kupplungsscheiben 25, eine Zwischenanpressplatten 26 und eine Druckplatte 27 schematisch gezeigt. Die Tellerfeder 22, die Anpressplatte 24 und die Zwischenanpressplatte 26 sind drehfest mit dem Kupplungsflansch 23 verbunden. Der Kupplungsflansch 23 ist in allen sechs Freiheitsgraden fest mit der Antriebswelle 9 verbunden. Die Druckplatte 27 ist in allen sechs Freiheitsgraden fest mit dem Kupplungsflansch 23 verbunden. Die Anpressplatte 24 und die Zwischenanpressplatte 26 sind axial verlagerbar. Die Tellerfeder 22 ist an dem Kupplungsflansch schwenkbar bzw. verbiegbar gelagert. Die Kupplungsscheiben 25 sind drehfest und axial verlagerbar mit einer nicht gezeigten Abtriebswelle verbunden. Die Tellerfeder 22 übt zwischen dem Kupplungsflansch 23 und der Anpressplatte 24 eine Klemmkraft F_K aus, welche wiederum über die Kupplungsscheiben 25, die Zwischenanpressplatte 26 und die Druckplatte 27 in bekannter Art und Weise zurück in den Kupplungsflansch 23 geleitet wird. Somit werden die Kupplungsscheiben 25 durch die Tellerfeder 22 geklemmt, so dass mit der Kupplung 2 eine rotatorische Leistung übertragbar ist. Die Kupplung 2 ist also eine normalerweise geschlossene bzw. selbstschließende Kupplung. Die Anzahlen von zwei Kupplungsscheiben 25 und einer Zwischenanpressplatte 26 sind nicht beschränkend zu verstehen. Insbesondere kann eine Einscheibenkupplung, eine Mehrscheibenkupplung oder eine Lamellenkupplung als Kupplung 2 verwendet werden. Alternativ kann auch eine selbstöffnende Kupplung verwendet werden. Die Kupplung 2 kann als Hauptreibkupplung bezeichnet werden.
An dem Gehäuse 17 radial außen ist eine Keilwellenverzahnung 29 angebracht. Auch die Keilwellenverzahnung 29 ist ein Beispiel einer Vielzahl an Welle-Nabe-Verbindungen oder anderen Verbindungen, welche eine drehfeste aber axial verschiebliche Verbindung ermöglichen; insofern soll die Keilwellenverzahnung 29 nicht beschränkend verstanden werden. An dieser Stelle explizit genannt sein sollen auch Rotationsanschläge. An der Keilwellenverzahnung 29 wird ein Verbundring 30 drehfest und axial verschieblich, also mit einem translatorischen Freiheitsgrad in Axialrichtung gelagert. An dem Verbundring 30 ist ein Magnetkupplungsgehäuse 31 mit einer Magnetkupplungsspule 32 befestigt. Dabei umschließt das Magnetkupplungsgehäuse 31 die Magnetkupplungsspule 32 teilweise, jedoch vorzugsweise nicht an einer dem Hülsenkupplungsabschnitt 14 zugewandten Seite. An dem Gehäuse 17 ist ferner ein Federanschlagring 33 befestigt. Der Federanschlagring 33 kann beispielsweise auf das Gehäuse 17 gesteckt sein und durch einen leicht vergrößerten Außendurchmesser der Anlaufscheibe 21 axial abgestützt werden. Zwischen dem Federanschlagring 33 und dem Verbundring 30 ist eine Druckfeder 34 angeordnet. Die Druckfeder übt eine Vorspannkraft auf den Verbundring 30 aus, wodurch der Verbundring 30 von dem Hülsenkupplungsabschnitt 14 weg gedrückt wird, beispielsweise gegen einen Anschlag. Somit liegt zwischen dem Magnetkupplungsgehäuse 31 und dem Hülsenlagerabschnitt 13 ein Spalt A vor. Der Verbundring 30, das Magnetkupplungsgehäuse 31 und die Magnetkupplungsspule 32 sind (zusammen) ein erfindungsgemäßes Kupplungselement 40. Der Verbundring 30, das Magnetkupplungsgehäuse 31, die Magnetkupplungsspule 32 und der Hülsenkupplungsabschnitt 14 zusammen bilden eine Magnetkupplung, auch als Magnetvorkupplung bezeichnet.
Die 2 zeigt einen ersten Betriebszustand des Aktors 1. In dem ersten Betriebszustand sind die Spule 18 und die Magnetkupplungsspule 32 nicht mit Strom beaufschlagt. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Antriebswelle 9 die Spindel 4 rotatorisch antreibt.
Die Tellerfeder 22 liegt im ersten Betriebszustand an der Ausrückscheibe 7 an. Dadurch wird die Spindel 4 axial in Richtung des Gehäuses 17 gedrückt. Die Ausrückscheibe 7 ist zu einem abtriebsseitigen Ende des Hülsengrundkörpers 12 benachbart, an welchem eine Hülsenvorspannfeder 28 angebracht ist. Die Hülsenvorspannfeder 28 hat die Form eines Federrings und/oder einer Tellerfeder. Dadurch wird die Hülse 10 durch die Hülsenvorspannfeder 28 mit einer Hülsenvorspannkraft F_VH gegen das Axiallager 20 gedrückt. In Summe wird also die Hülse 10 durch die Tellerfeder 22 mittels der Ausrückscheibe 7 und der Hülsenvorspannfeder 28 gegen das axial gehäusefeste Axiallager 20 gedrückt. Die Ausrückscheibe 7 fungiert also als Anschlag bzw. spindelfester Anschlag. In Folge dessen sind die Spindel 4 und die Hülse 10 im unbetätigten Kupplungszustand und/oder im ersten Betriebszustand axial festgelegt. Umgekehrt formuliert dient die Hülsenvorspannfeder 28 dazu, die Spindel 4 über die Ausrückscheibe 7 an die Tellerfeder 22 zu drücken. Dabei ist zu beachten, dass der erste Betriebszustand ein nichtbetätigter Zustand der Kupplung 2 ist. Folglich darf die hierbei auf die Tellerfeder 22 ausgeübte Kraft, welche den Betrag der Hülsenvorspannkraft F_VH hat, ein die Kupplung betätigendes Maß nicht übersteigen, bevorzugt ist die Hülsenvorspannkraft 10%, stärker bevorzugt 5% und am stärksten bevorzugt 1% einer zum Betätigen der Kupplung benötigten Tellerfederkraft F_T bzw. Betätigungskraft F_T.
Während sich die Antriebswelle 9 dreht, drehen sich der Motorblock 19 als Inertialsystem sowie die damit drehfest verbundenen Teile nicht. Also stehen das Gehäuse 17, die Spule 18, die Anlaufscheibe 21, der Verbundring 30, das Magnetkupplungsgehäuse 31, die Magnetkupplungsspule 32, der Federanschlagring 33 und die Druckfeder 34 fest. Mit der Antriebswelle 9 drehen die Spindel 4 sowie die Kupplung 2. Es wird eine rotatorische Leistung durch die Kupplung 2 übertragen. Zwischen der Spindel 4 und der Hülse 10 wird ein Drehmoment M_S durch Reibung an den Dichtungen 16, durch Reibung an den Führungsscheiben 15, durch Reibung an der Hülsenvorspannfeder 28 und durch Strömungskräfte an den Innenwänden der Kammer 11 übertragen. Das Drehmoment M_S kann auch als Spindeldrehmoment bezeichnet werden, um zu charakterisieren, dass dieses Drehmoment von der Spindel 4 auf die Hülse 10 wirkt. Daher hat die Hülse 10 näherungsweise dieselbe Drehzahl wie die Spindel 4. Das Axiallager 20 verbindet die drehende Hülse 10 mit dem feststehenden Gehäuse 17 in bekannter Wälzlager-Manier. Dabei stellt die Druckfeder 34 sicher, dass der Hülsenkupplungsabschnitt 14 und das Magnetkupplungsgehäuse 31 voneinander beabstandet sind und nicht reiben. Mit anderen Worten, die Druckfeder 34 stellt die Lüftung der Magnetkupplung sicher.
Die 3 zeigt den Aktor bei einem zweiten Betriebszustand. Bei dem zweiten Betriebszustand werden die Spule 18 und die Magnetkupplungsspule 32 jeweils mit Strom beaufschlagt.
Der Spindelgrundkörper 5, die Antriebswelle 9, der Hülsengrundkörper 12, der Hülsenlagerabschnitt 13, das Gehäuse 17, das Axiallager 20 und die Anlaufscheibe 21 sind aus einem magnetisch gut leitenden Material, beispielsweise Stahl, gebildet. Dadurch kann ein Magnetfeld 35, welches bei Beaufschlagen der Spule 18 mit elektrischem Strom entsteht, in die Kammer 11 geleitet werden und dort mit hoher Effizienz wirken. Die Hülse 10 wirkt dabei magnetfeldleitend wie ein Anker eines Elektromotors. Ferner sind die Führungsscheiben 15 aus einem magnetisch schlecht leitenden Material, beispielsweise Aluminium, gebildet. Des Weiteren ist der Gewindeabschnitt 6 ist in einem Gewindekopfabschnitt, der sich von dem Zahnkopf zu dem Zahnfuß über 75% der Zahnhöhe erstreckt, aus einem magnetisch schlecht leitenden Material, beispielsweise Aluminium, gebildet. Daher kann ein „magnetischer Kurzschluss“, welcher das Magnetfeld 35 an der Kammer 11 vorbei führen würde, verhindert werden. Dadurch wirkt das Magnetfeld 35 in der Kammer 11 mit hoher Effizienz.
Darüber hinaus sind der Hülsenkupplungsabschnitt 14 und das Magnetkupplungsgehäuse 31 aus einem magnetisch gut leitendem Material, beispielsweise Stahl, gebildet. Dadurch kann bei Beaufschlagen der Spule 32 mit elektrischem Strom infolge eines Magnetfelds 36 eine Magnetkraft F_M zwischen dem Hülsenkupplungsabschnitt 14 und dem Magnetkupplungsgehäuse 31 wirken.
Die Magnetkraft F_M und eine Federkonstante der Druckfeder 34 sind dabei so ausgelegt, dass die Magnetkraft F_M ausreichend bemessen ist, um die Vorlastkraft bzw. Vorspannungskraft der Druckfeder 34 zu überwinden. Infolge dieser Magnetkraft F_M wird das Magnetkupplungsgehäuse 31 an den Hülsenkupplungsabschnitt 14 gezogen und kommt mit diesem in Anlage. Dabei erhöht sich wegen der Kompression der Druckfeder 34 die Vorlastkraft bzw. die Vorspannkraft der Druckfeder 34. Zwischen der Hülse 10 und dem Magnetkupplungsgehäuse 31 als dem drehfest mit dem Gehäuse 17 verbundenen Kupplungselement 40 kommt es zu einem Reibmoment M_M. Das Reibmoment M_M wird als (Vor-)Kupplungs(reib)moment, Magnet(vor)kupplungs(reib)moment oder Pilotmoment bezeichnet. Die Hülse 10 wird abgebremst. Die Hülse 10 kommt dabei vorzugsweise zum Stillstand (Drehzahl Null), das heißt, dass die Hülse 10 vorzugsweise mit dem Kupplungselement 40 gekuppelt ist / wird, und/oder mittels dem Kupplungselement 40 mit dem Gehäuse 17 gekuppelt ist / wird.
Es folgen die erste und die zweite Art des Wandelns einer rotatorischen Leistung der Antriebswelle 9 in eine translatorische Leistung der Spindel 4, wie voranstehend beschrieben. Bei Unklarheiten wird ferner explizit auf die DE 10 2014 201 835.8 verwiesen. Weil die Hülse 10 mit der Hülsenvorspannfeder 28 die Spindel 4 mit der Vorspannkraft F_VH an die Tellerfeder 22 drückt, kann es je nach Verhältnis der Vorspannkraft F_VH zu der Grenzscherspannung der porösen Struktur der MRF dazu kommen, dass während der ersten Art des Wandelns keine oder keine messbare und nur eine sehr geringe axiale Verlagerung der Spindel 4 stattfindet, ehe der Übergang zur zweiten Art des Wandelns folgt.
Die 4 zeigt den Aktor 1 bei einem vierten Betriebszustand. Bei dem vierten Betriebszustand ist ein Aufbau eines (Eisen-)Polsters 37 abgeschlossen. Also ist die Spindel 4 axial verfahren. Daher ist die Tellerfeder 22 betätigt. Daher ist die Kupplung 2 geöffnet, das heißt, dass zwischen der Anpressplatte 23, der Zwischenanpressplatte 26 und der Druckplatte 27 einerseits und den Kupplungsscheiben 25 andererseits keine (rotatorische) Leistung übertragen wird.
Dabei wird die Betätigungskraft F_T der Tellerfeder 22 von der Tellerfeder 22 über die Ausrückscheibe 7, den Spindelgrundkörper 5, den Gewindeabschnitt 6, das Polster 37, die axial gehäuseseitige Führungsscheibe 15, den Hülsengrundkörper 12, den Hülsenlagerabschnitt 13 und das Axiallager 20 an der Anlaufscheibe 21 und somit dem Gehäuse 17 abgestützt bzw. dorthin geleitet.
Es ist dabei in dem vierten Betriebszustand unerheblich, ob sich die Antriebswelle 9 noch dreht, oder ob die Antriebswelle 9 die Drehzahl Null angenommen hat. Das Polster 37 wird durch einen von dem axial gehäuseseitig letzten Gewindegang auf das Polster 37 ausgeübten Druck unter Einwirkung des Magnetfelds 35 aufrecht bzw. intakt gehalten.
Falls sich allerdings die Antriebswelle 9 drehen sollte, so tritt das folgende Problem auf. Nämlich steht die Hülse 9 still, da wegen dem anliegenden Magnetfeld 36 das Reibmoment M_M zwischen dem Magnetkupplungsgehäuse 31 und dem Hülsenkupplungsabschnitt 14 vorliegt. Daher steht auch die axial gehäuseseitige Führungsscheibe 15 still, wohingegen sich der axial gehäuseseitig letzte Gewindegang mit der Antriebswelle 9 dreht. Daher wird eine Reibenergie in die das Polster 37 bildenden Partikel eingebracht.
Die 5 zeigt eine Lösung dieses Problems. Bei dem in 5 dargestellten fünften Betriebszustand des Aktors 1 liegt an der Spule 18 ein Strom an, wohingegen die Magnetkupplungsspule 32 nicht mehr mit Strom beaufschlagt ist.
Dadurch ist einerseits das Magnetfeld 35 intakt, durchdringt die Kammer 10 und polarisiert die Partikel der MRF, so dass das Polster 37 erhalten bleibt. Andererseits liegt das Magnetfeld 36 nicht mehr an. Daher ist die Magnetkupplung geöffnet. Mit anderen Worten, der Hülsenkupplungsabschnitt 14 und das Kupplungselement 40 sind wieder um den Spalt A beabstandet. Also ist das Kupplungselement 40 axial unter Wirkung der Druckfeder 34 verfahren. Daher liegt keine Reibung mehr zwischen der Hülse 10 und dem Kupplungselement 40 vor. Dennoch wird die Federkraft F_T der Tellerfeder 22 wie voranstehend beschrieben über das Axiallager 20 auf das Gehäuse 17 übertragen. Das Axiallager 20 ermöglicht eine Rotation zwischen der Hülse 10 und dem Gehäuse 17. Somit kann die Hülse 10 wieder wegen dem Drehmomenten M_S zwischen Spindel 4 und Hülse 10 und einem über das Polster 37 übertragenen Drehmoment M_P die Drehzahl der Spindel 4 annehmen, so dass Spindel 4 und Hülse 10 miteinander drehen können. Dadurch wird vermieden, dass die Spindel 4 an dem (Eisen-)Polster 37 reibt und Reibenergie in die MRF eingebracht wird. Daher ist die Beanspruchung des Mediums (der MRF) im ausgerückten Zustand reduziert, vorzugsweise vermieden. Daher wird erfindungsgemäß ein Aktor 1 mit erhöhter / besserer Dauerfestigkeit erreicht.
Die Magnetkupplungsspule 32 kann unabhängig von der Spule 18 gesteuert werden. Insbesondere kann die Magnetkupplungsspule 32 auch schon vor Erreichen des maximalen axialen Verfahrweges der Spindel 4, also bei nur teilweise oder abschnittsweise verlagerter Spindel 4, ausgeschaltet werden. Somit können unterschiedliche Betätigungsgrade an der Kupplung 2 erreicht werden. Somit wird eine Drehzahldifferenz zwischen Hülse 10 und Spindel 4 einerseits und einer Drehzahldifferenz zwischen Hülse 10 und Gehäuse 17 andererseits geregelt. Also wird eine Schlupfregelung erreicht.
Von jedem der Betriebszustände zwei bis fünf kann schnell in den ersten Betriebszustand zurück gewechselt werden, indem die Spule 18 nicht mehr mit Strom beaufschlagt wird. Somit endet das Magnetfeld 35. Die MRF nimmt wieder den flüssigen Zustand an. Unter der Wirkung der Tellerfeder 22 verlagert die Spindel 4 axial gehäuseseitig, bis ein Kräftegleichgewicht zwischen der Tellerfeder 22 und der Hülsenvorspannfeder 28 vorliegt.
Anhand der 6 bis 8 wird nun eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Dabei werden nur die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen hervorgehoben.
Wie aus der 6 ersichtlich ist, hat ein Aktor 1 gemäß der zweiten Ausführungsform anstelle der separat steuerbaren Magnetkupplung an einer Keilwellenverzahnung 29 eine Kupplungshülse 38. Die Druckfeder 34 entfällt, somit ist die Kupplungshülse 38 axial frei verlagerbar, das heißt, dass die Kupplungshülse 38 nicht vorgespannt ist. An der Kupplungshülse 38 ist axial hülsenseitig ein Reibbelag 39 angebracht. Die 6 zeigt den Aktor 1 in dem ersten Betriebszustand. Die Kupplungshülse 38 kann in axialer Richtung mit einem Hülsenkupplungsabschnitt 14 in Anlage gelangen und auf diesen ein Reibmoment M_M ausüben. Die Kupplungshülse 38 und der Reibbelag 39 sind ein an einem Gehäuse 17 drehfest und zum Reiben an der Hülse 10 axial verschieblich gelagertes Kupplungselement 41.
Die 7 zeigt den Aktor 1 in dem zweiten Betriebszustand. In dem zweiten Betriebszustand ist eine Spule 18 mit Strom beaufschlagt. Ein Magnetfeld 35 ist aufgebaut. Die Kupplungshülse 38 und der Reibbelag 39 sind aus magnetisch gut leitenden Materialien. Daher wirkt die Magnetkraft F_M zwischen dem Hülsenkupplungsabschnitt 14 und der Kupplungshülse 38. Daher kommt die Kupplungshülse 38 bzw. das Kupplungselement 41 in Anlage mit dem Hülsenkupplungsabschnitt 14. Daher wirkt das Reibmoment M_M zwischen der Kupplungshülse 38 bzw. dem Kupplungselement 41 und dem Hülsenkupplungsabschnitt 14. Daher wird die Hülse 10 abgebremst.
Dabei teilt sich das Magnetfeld 5 zwischen dem Gehäuse 17 und dem Hülsenlagerabschnitt 13 in einen Zweig, welcher durch die Anlaufscheibe 21 und das Axiallager 20 verläuft, und einen anderen Zweig, welcher durch die Kupplungshülse 38, den Reibbelag 39 und die Hülse 10 von dem Hülsenkupplungsabschnitt 14 zu dem Hülsenlagerabschnitt 13 verläuft. Die Hülse 10 wirkt auch bei der zweiten Ausführungsform magnetfeldleitend wie ein Anker eines Elektromotors.
Dabei werden die magnetische Leitfähigkeiten der Anlaufscheibe 21, des Axiallagers 20, der Keilwellenverzahnung 29, der Kupplungshülse 38, des Reibbelags 39, sowie der die Hülse 10 von dem Hülsenkupplungsabschnitt 14 zu dem Hülsenlagerabschnitt 13 so gewählt, dass das Reibmoment M_M zwischen der Kupplungshülse 38 und dem Hülsenkupplungsabschnitt 14 begrenzt, bzw. eingestellt ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Reibmoment M_M auch durch geeignete Wahl der Parameter der Reibverbindung zwischen Kupplungshülse 38 und dem Hülsenkupplungsabschnitt 14 eingestellt werden.
Es folgen die erste und die zweite Art des Wandelns einer rotatorischen Leistung der Antriebswelle 9 in eine translatorische Leistung der Spindel 4, wie voranstehend beschrieben. Dabei wirken mehrere Drehmomente auf die Hülse 10. So wirkt das Drehmoment M_S als Summe bzw. Resultierende der zwischen Spindel 4 und Hülse 10 direkt übertragenen Drehmomente, nämlich der Reibung an den Dichtungen 16, der Reibung an den Führungsscheiben 15, der Reibung an der Hülsenvorspannfeder 28 und der Strömungskräfte an den Innenwänden der Kammer 11, beschleunigend auf die Hülse 10. Ferner wirkt auch ein Reibmoment M_P als Resultierende des durch den Polsteraufbau erzeugten / übertragenen Drehmoments beschleunigend auf die Hülse 10. Der Reibkontakt zwischen dem Gewindeabschnitt 5 und dem Polster 37 ist dabei durch die Flüssigkeit der MRF geschmiert. Ein Reibmoment M_L des Axiallagers 20 wirkt abbremsend auf die Hülse 10. Dabei ist die Resultierende aus Reibmoment M_M und Drehmoment M_L größer als die Resultierende aus Reibmoment M_P und Drehmoment M_S: M_M + M_L > M_P + M_S
Daher steht die Hülse 10 während der ersten Art des Wandelns und während des Aufbaus des (Eisen-)Polsters 37 während der zweiten Art des Wandelns vorzugsweise still (Drehzahl Null). Beispielsweise kann, bei geeigneter Auslegung, ein Reibmoment M_M von 5 Nm ausreichen, die Hülse 10 an das Gehäuse 17 zu koppeln.
Die 8 zeigt den Aktor 1 während eines fünften Betriebszustands. Bei der zweiten Ausführungsform sind die Abmessungen der Kammer 11, die Abmessungen des Gewindeabschnitts 6 und der Volumenanteil an magnetisch polarisierbaren Partikeln des die Kammer füllenden magnetorheologischen Mediums so bemessen, dass der Gewindeabschnitt 6 bei fortschreitendem Aufbau des Polsters 37 unter Einwirkung des die Kammer 11 durchdringenden Magnetfelds 35 in Anlage an der abtriebsseitigen Führungsscheibe 15 kommt. Anders formuliert ermöglicht die Auslegung des gesamten Systems, dass die (Gewinde-)Spindel 4 am Ende ihres funktionalen Ausrückwegs (also bei Betätigen der Kupplung) an die abtriebsseitige Führungsscheibe 15 anschlagen kann / anschlägt. Daher ist die Hülse 10 über die Führungsscheibe 15 mit der Spindel 4 gekoppelt bzw. fest verbunden bzw. fest aber durch Ausschalten des Magnetfelds 35 lösbar verbunden.
Es kommt zu einem Reibmoment M_K zwischen dem Gewindeabschnitt 6 und der Hülse 10. Genauer gesagt liegt das axial abtriebsseitige Ende des Gewindeabschnitts 6 an der abtriebsseitigen Führungsscheibe 15 an. Dies führt zu einem Klemmen des Gewindeabschnitts 6 zwischen der abtriebsseitigen Führungsscheibe 15 und, über das Polster 37, einer gehäuseseitigen Führungsscheibe 15. Daher kann das Reibmoment M_K auch als Klemmmoment bezeichnet werden.
Das Reibmoment M_K erhöht den Gesamtbetrag an zwischen der Spindel 4 und der Hülse 10 übertragenem Drehmoment. Das Polster 37 wird dabei so lange komprimiert, bis die Resultierende aus Reibmoment M_M und Drehmoment M_L nicht mehr größer als die Resultierende aus Reibmoment M_P, Drehmoment M_S und Reibmoment M_K ist: M_M + M_L < M_P + M_S + M_K
Dies wirkt sich so aus, dass die Hülse 10 sich wieder mit der Spindel 4 dreht. Die Betätigungskraft der Tellerfeder T_F wird dabei wie voranstehend beschrieben durch das Axiallager 20 abgestützt. Daher erhöht die Betätigungskraft T_F nicht. Solange das Magnetfeld 35 anliegt bzw. existiert, bleibt die Kupplungshülse 38 in reibendem Kontakt mit dem Hülsenkupplungsabschnitt 14. Daher liegt das Pilotmoment bzw. Reibmoment M_M unverändert an. Das Reibmoment M_M stellt also eine Verlustleistung bei dem fünften Betriebszustand dar. Andererseits bedarf die zweite Ausführungsform keiner zweiten Spule, ist also kostengünstiger, und verbraucht auch nur den Strom für die Spule 18.
In dem fünften Betriebszustand ist das Reibmoment M_P sehr gering bzw. tendiert dieses gegen Null, da der klemmende Kontakt zwischen dem Gewindeabschnitt 6 und der abriebsseitigen Führungsscheibe 15 steifer ist, als eine Torsion des Polsters 37 bzw. eine Übertragung von Schubkräften in dem Polster 37. Insofern wird in das komprimierte Polster 37 keine weitere Reibenergie eingebracht.
Auch bei der zweiten Ausführungsform kehrt der Aktor 1 in den ersten Betriebszustand zurück, sobald das Magnetfeld 35 ausgeschaltet wird, da sowohl die Magnetkraft F_M zwischen Hülsenkupplungsabschnitt 14 und Kupplungshülse 38 endet, wie auch das Polster 37 keinen Zusammenhalt mehr hat.
Bezugszeichenliste

1: Aktor
2: Kupplung
3: Längsachse
4: Spindel
5: Spindelgrundkörper
6: Gewindeabschnitt
7: Ausrückscheibe
8: Keilwellenverzahnung
9: Antriebswelle
10: Hülse
11: Kammer
12: Hülsengrundkörper
13: Hülsenlagerabschnitt
14: Hülsenkupplungsabschnitt
15: Führungsscheibe
16: Dichtung
17: Gehäuse
18: Spule
19: Motorblock
20: Axiallager
21: Anlaufscheibe
22: Tellerfeder
23: Anpressplatte
24: Kupplungsscheibe
25: Zwischenanpressplatte
26: Druckplatte
27: Keilwellenverzahnung
28: Hülsenvorspannfeder
29: Keilwellenverzahnung
30: Verbundring
31: Magnetkupplungsgehäuse
32: Magnetkupplungsspule
33: Federanschlag
34: Druckfeder
35: Magnetfeld
36: Magnetfeld
37: Polster
38: Kupplungshülse
39: Reibbelag
40: Kupplungselement
41: Kupplungselement
A: Spalt
M_S: Drehmoment (Spindel)
M_P: Drehmoment (Polster)
M_L: Drehmoment (Lager)
M_M: Drehmoment (Magnetkupplung)
M_K: Drehmoment (Klemmmoment)
F_VH: Hülsenvorspannkraft
F_T: Tellerfederkraft
F_K: Klemmkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014201835 [0005, 0079]

Claims

Magnetorheologischer Aktor (1) mit einer in einer Axialrichtung (3) ausgerichteten Spindel (4), die zumindest einen Gewindeabschnitt (6) aufweist, mit einer Hülse (10), die an der Spindel (4) drehbar und axial verschieblich gelagert ist, wobei der Gewindeabschnitt (6) und die Hülse (10) eine mit einem magnetorheologischen Medium befüllte Kammer (11) definieren, und mit einem festgelegten Gehäuse (17), dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (17) ein Kupplungselement (40, 41) drehfest aber zum Abbremsen der Hülse (10) axial verschieblich gelagert ist.
Aktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hülse (10) über ein Axiallager (20) an dem Gehäuse (17) in Axialrichtung in Umfangsrichtung drehbar abstützt.
Aktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hülse (10) abtriebsseitig über eine Feder (28) an einem Anschlag (7) der Spindel (4) abstützt.
Aktor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit elektrischem Strom durchflutbare Spule (18) zum Erzeugen eines die Kammer (11) durchdringenden Magnetfelds (35) an dem Gehäuse (17) festgelegt ist.
Aktor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (34) das Kupplungselement (40) von der Hülse (10) weg vorspannt.
Aktor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (40, 41) durch eine magnetische Anziehung in Anlage mit der Hülse (10) bringbar ist.
Aktor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kupplungselement (40) eine mit Strom durchflutbare Spule (32) zum in-Anlage-Bringen des Kupplungselements (40) mit der Hülse (10) unter Hervorrufens einer Magnetkraft vorgesehen ist.
Aktor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hülse (10) axial gehäuseseitig und axial abtriebsseitig jeweils ein die Kammer (11) begrenzender Stützabschnitt (15) gebildet oder angebracht ist, und dass zumindest die Abmessungen der Kammer (11), die Abmessungen des Gewindeabschnitts (6) und ein Volumenanteil an magnetisch polarisierbaren Partikeln des die Kammer (11) füllenden magnetorheologischen Mediums so bemessen sind, dass der Gewindeabschnitt (6) mittels des die Kammer (11) durchdringenden Magnetfelds (35) in Anlage an den abtriebsseitigen Stützabschnitt (15) bringbar ist.
Kupplung (2) mit einem Aktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche und mit einer Tellerfeder (22) zum Klemmen von zumindest einer Kupplungsscheibe (25) zwischen einer axial verlagerbaren Anpressplatte (24) und einer axial festgelegten Druckplatte (27).
Kupplung (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder (22) die Spindel (4) permanent mit einer Axialkraft (FT) beaufschlagt.