DE102015204688A1

DE102015204688A1 - Magnetorhelogische Kupplung mit Squeeze-Strengthen-Effekt im Kompressionsraum

Info

Publication number: DE102015204688A1
Application number: DE102015204688.5A
Authority: DE
Inventors: Pierre-Yves Berthelemy
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2016-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kupplung (1) für ein Kraftfahrzeug oder eine Industrieanwendung, mit zumindest zwei konzentrisch zu einer Rotationsachse (X) angeordneten Kupplungsgliedern (2), die zusammen eine mit einem magnetorheologischen Medium (18) befüllte und die Rotationsachse (X) umgebende Kammer (14) definieren, wobei zumindest eines der Kupplungsglieder (2) rotatorisch um die Rotationsachse (X) gelagert ist, wobei zumindest eines der Kupplungsglieder (2) innerhalb der Kammer (14) mit einer an einen Kompressionsraum (23) der Kammer (14) anschließenden Förderkontur (8) versehen ist, welche Förderkontur (8) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass sie in zumindest einem Betriebszustand zum Übertragen eines Drehmoments zwischen den Kupplungsgliedern (2) eine Grenzscherspannung eines sich in dem Kompressionsraum (23) befindlichen, komprimierten Anteils an einer sich unter Einfluss eines Magnetfelds (78) bildenden festen Phase des magnetorheologischen Mediums (18) erhöht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung für ein Kraftfahrzeug oder eine Industrieanwendung, wie einen Pkw, Lkw, Bus oder ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug, mit zumindest zwei konzentrisch zu einer Rotationsachse angeordneten Kupplungsgliedern, die zusammen eine mit einem magnetorheologischen Medium befüllte und die Rotationsachse umgebende Kammer definieren, wobei zumindest eines der Kupplungsglieder rotatorisch um die Rotationsachse gelagert ist. Die Kupplung ist auch zur Verwendung in kraftfahrzeugunterschiedlichen Anwendungen dimensionierbar und vorsehbar.
Es sind bereits verschiedene magnetorheologische Kupplungen beispielsweise für den Einsatz in Allradantriebssträngen bekannt.
Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten magnetorheologischen Kupplungen, auch als Kupplungen mit magnetorheologischem Fluid oder kurz MRF-Kupplungen bekannt, ist darin zu sehen, dass zumindest bei einer kostengünstigen Ausführung oder in einer kompakten Form die Kapazität zum Übertragen eines Drehmoments oder kurz zum Drehmomentübertragen für einen möglichst universellen Einsatz als unzureichend zu beurteilen ist.
Die Kapazität zum Übertragen eines Drehmoments bei einer MRF-Kupplung hängt im Allgemeinen direkt oder linear von einer maximalen Schubspannung τ₀ der MRF im Einfluss eines Magnetfeldes ab. Bei aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der MRF liegt der Wert der maximalen Schubspannung τ₀ zwischen 50 und 100 kPa.
Um diese relativ „schwache“ Schubspannung zu kompensieren oder zu nutzen, wurde beispielsweise vorgeschlagen, mittels einer Mehrscheibenanordnung die Scherfläche zu vergrößern. Diese Lösung entspricht den Konstruktionen, welche in der US 2009/0026033 A1 , der US 2009/0205917 A1 , der US 2008/0135367 A1 , der US 2008/0236979 A1 , der US 2005/0252744 A1 und der WO 2004/018889 vorgestellt werden, welche im Folgenden kurz umrissen werden.
Es beschreibt die US 2009/0026033 A1 eine magnetorheologische Kupplung, aufweisend ein rotierbares erstes Teil, ein rotierbares zweites Teil, einen Arbeitsraum, der ein magnetorheologisches Fluid beinhaltet, und der zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil gebildet ist, und Primärscheiben, die zur Rotation mit dem Primärteil befestigt sind, und die mit Sekundärscheiben, die zur Rotation mit dem zweiten Teil befestigt sind, verschachtelt sind, wobei das Sekundärteil Tassen-förmig ist, und den Arbeitsraum umgibt, wobei die Primärscheiben und die Sekundärscheiben Tassenförmig sind und innerhalb des Arbeitsraumes in Wirkbeziehung mit dem magnetorheologischen Fluid zum Übertragen eines Drehmoments zwischen den Teilen Primärteil und Sekundärteil im Ansprechen darauf, einem Magnetfeld ausgesetzt zu sein, positioniert sind.
Die US 2009/0205917 A1 offenbart eine magnetorheologische Kupplung, aufweisend ein stationäres Teil, ein rotierbares Primärteil mit Primärscheiben und ein sekundäres Teil, das Sekundärscheiben hat, welche das Primärteil umgibt und um eine gemeinsame Rotationsachse rotierbar ist, wobei ein Raum, der ein magnetorheologisches Fluid beinhaltet, zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil gebildet ist, in welchem die Primärscheiben und die Sekundärscheiben einander in der Axialrichtung abwechseln, und wobei ein regulierbares magnetisches Feld auf das magnetorheologische Fluid wirkt, wobei a) zumindest eine Magnetspule axial vor oder hinter dem ein magnetorheologisches Fluid beinhaltenden Raum angeordnet ist und in einem ersten Joch ein magnetisches Feld aufbaut, b) das erste Joch eine Endseite parallel zu den Scheiben hat, welche an einen Raum angrenzen, der ein magnetorheologisches Fluid beinhaltet, wobei die Magnetfeldlinien im Wesentlichen in rechten Winkeln jeweils von den Endseiten austreten und in diese eintreten, c) zumindest ein zweites Joch, welches eine Endseite parallel zu den Scheiben hat, an der von dem ersten Joch entfernten Seite des Raum vorgesehen ist, und wobei die Scheiben Platten sind, welche aus einem Material bestehen, das eine magnetische Permeabilität im Bereich von 0,6 bis 1,6 Tesla hat.
Die US 2008/0135367 A1 betrifft eine magnetorheologische Kupplung aufweisend ein Stationärteil, ein Primärteil, das primäre Laminatbänder hat, und ein Sekundärteil, das sekundäre Laminatbänder hat, wobei zumindest eines der Teile Primärteil und Sekundärteil koaxial relativ zu dem anderen Teil rotiert, und mit einem Arbeitsraum, der ein magnetorheologisches Fluid beinhaltend gebildet ist, in welchem die primären Laminatbänder und die sekundären Laminatbänder einander der Reihe nach in der Radialrichtung abwechseln, und mit einem auf das magnetorheologische Fluid wirkenden regulierbaren Magnetfeld und eine Anzahl an Magnetspulen, welche jeweils ein erstes Joch und eine im Wesentlichen radiale Windungsachse haben, welche in dem ein magnetorheologisches Fluid beinhaltenden Raum angeordnet sind, und welche entlang der Peripherie verteilt angeordnet sind, so dass die primären Laminatbänder und die sekundären Laminatbänder an zumindest einer Seite der Seiten Außenseite und Innenseite des ersten Jochs angeordnet sind, wobei benachbarte Magnetspulen entgegengerichtet gepolt sind, wobei die ersten Joche zylindrische Endseiten haben, aus welchen heraus oder in welche hinein die magnetischen Feldlinien im Wesentlichen in einer radialen Richtung austreten oder eintreten, wobei die Achse einer Krümmung der zylindrischen Endseiten die Achse einer Rotation der Kupplung ist, wobei die primären Laminatbänder und die sekundären Laminatbänder geschlossene zylindrische Hülsen sind, und wobei ein äußeres und ein inneres sekundäres Joch den Arbeitsraum nach außen und nach innen radial außerhalb und radial innerhalb der ersten Joche begrenzen, wobei die Magnetfeldlinien radial in die zweiten Joche eintreten und aus diesen wieder radial in der entgegen gerichteten Richtung austreten.
Die US 2008/0236976 A1 beschreibt eine magnetorheologische Kupplung, aufweisend ein Stationärteil, ein Primärteil, das Primärscheiben aufweist, und ein Sekundärteil, das Sekundärscheiben aufweist, wobei zumindest eines der Teile Primärteil und Sekundärteil relativ zu dem jeweils anderen Teil koaxial rotiert, ferner mit einem Raum, der ein magnetorheologisches Fluid beinhaltet, und der zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil gebildet ist, in welchem sich die Primärscheiben und die Sekundärscheiben der Reihe nach in der Richtung der gemeinsame Achse abwechseln, und ferner mit einem regulierbaren magnetischen Feld, welches auf das magnetorheologische Fluid wirkt, wobei die magnetorheologische Kupplung ferner beinhaltet: a) zumindest eine magnetische Spule, die ein erstes Joch hat, das in dem ein magnetorheologisches Fluid beinhaltenden Raum angeordnet ist, so dass die Primärscheiben und die Sekundärscheiben an beiden Seiten angeordnet sind, b) an beiden Seiten die Feuerjochendoberflächen des ersten Jochs parallel zu den Primärscheiben und den Sekundärscheiben, von welchen die magnetischen Feldlinien austreten oder in welche diese eintreten, und zwar im Wesentlichen unter rechten Winkeln, und diese Teile entgegen gerichteter Pole, die voneinander durch Zonen geringer magnetischer Permeabilität getrennt sind, beinhaltet, und c) an beiden Seiten ein zweites Joch, das eine Endseite hat, die parallel zu den Scheiben an die äußerste Scheibe in der Axialrichtung angrenzt.
Des Weiteren betrifft die US 2005/0252744 A1 eine magnetorheologische Kupplung, aufweisend ein Stationärteil eines rotierenden Primärteils mit Primärlamellen und eines Sekundärteils mit Sekundärlamellen, welches um eine gemeinsame Achse rotierbar ist und das Primärteil umgibt, um zischen dem Primärteil und dem Sekundärteil einen Raum zu definieren, welcher ein magnetorheologisches Fluid beinhaltet, und in welchem die Primärlamellen und die Sekundärlamellen einander in der Axialrichtung abwechseln, und ein regulierbares Magnetfeld, welches auf das magnetorheologische Fluid wirkt, wobei a) zumindest eine Magnetspule vor oder hinter den Lamellen in der Axialrichtung angeordnet ist, und um ein erstes U-förmiges Joch herum geschlungen ist, wobei die zwei Endseiten desselben auf derselben Seite der Lamellen und zu diesen parallel sind, b) zumindest ein zweites Joch an der Seite der Lamellen vorgesehen ist, welches von dem ersten Joch weg weist, und c) die Regionen des zweiten Teils, welches innerhalb und außerhalb der Lamellen in der Radialrichtung liegen, aus einem Material einer geringen magnetischen Permeabilität bestehen.
Die WO 2004/018889 betrifft eine magnetorheologische Kupplung, bestehend aus einem Sekundärteil, einem drehbaren Primärteil mit Primärlamellen und einem drehbaren den Primärteil umgebenden Sekundärteil mit Sekundärlamellen, wobei zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil ein ein magnetorheologisches Fluid enthaltender Raum gebildet ist, in dem sich Primärlamellen und Sekundärlamellen abwechseln, und wobei eine Magnetspule ein auf das magnetorheologische Fluid wirkendes Magnetfeld regelbarer Feldstärke erzeugt, wobei ferner der Primärteil die Magnetspule enthält, deren äußerer Durchmesser kleiner als der kleinste Durchmesser der Lamellen ist, und im Längsschnitt durch die Kupplung eine die Magnetspule umgebende geschlossene, Luftspalt-lose Fläche hoher magnetischer Permeabilität bildet, die nur durch die mit magnetorheologischem Fluid gefüllten Spalte zwischen den Lamellen unterbrochen ist, wobei die Feldliniendichte in der die Magnetspule umgebenden Fläche weitgehend gleich ist.
Eine solche Mehrscheibenanordnung mit einer Vielzahl an Scheiben oder Lamellen hat aber mehrere Nachteile. Zum Einen bewirkt die Vielzahl von in dem Magnetfeld angeordneten Lamellen wegen der Vielzahl an MFR-Spalten einen höheren magnetischen Widerstand, der auch als Reluktanz bezeichnet wird, so dass beispielsweise die Spulen zum Erzeugen des jeweiligen Magnetfelds größer dimensioniert werden müssen. Als weiterer Nachteil ist zu nennen, dass durch die Vielzahl von in die magnetorheologische Flüssigkeit getauchten Lamellen auch in offenem Zustand der Kupplung ein deutlich erhöhtes Schleppmoment zu beobachten ist, welches beispielsweise zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt. Im Kraftfahrzeugbau sind sowohl bauraumlich große Ausführungen wie auch Kraftstoff verbrauchende Ausführungen deutlich unerwünscht.
Ferner betrifft die DE 197 37 766 A1 eine Visko-Kupplung mit zwei zu kuppelnden Elementen, wobei sich zwischen den Elementen ein magnetorheologisches Fluid (MRF) befindet, dessen Viskosität im eingekuppelten Zustand durch Anlegen eines Magnetfeldes erhöht wird. Dabei befindet sich die Visko-Kupplung bevorzugt zwischen einem Antriebsmoment und einem Abtriebsmoment, wobei das Antriebsmoment herab transformiert wird, um eine Kupplung durch Aktoren, die nur bei niedrigen Drehmomenten kuppeln können, zu ermöglichen. Dabei ist zum Herab-Transformieren bevorzugt ein Planetenradgetriebe vorgesehen.
Auch die in der DE 197 37 766 A1 offenbarte, voranstehend vorgestellte Lösung einer Kombination der MRF-Kupplung mit einem Planetenradgetriebe zur Antriebsmomentumwandlung behebt nicht die voranstehend genannten Nachteile.
Aus dem Stand der Technik sind auch Magnetpulverkupplungen bekannt. Diese ähneln vom Prinzip her Kupplungen mit einem magnetorheologischen Fluid, wobei anstelle des magnetorheologischen Fluids ein trockenes Eisenpulver eingesetzt wird. Eine solche Kupplung zum Übertragen beispielsweise eines Drehmoments von 100 Nm hat allerdings ein Gewicht von 15 bis 20 Kg. Dies ist im Kraftfahrzeugbau deutlich unerwünscht.
Eine MRF-Kupplung, welche hinsichtlich der Kapazität zum Übertragen eines Drehmoments mit herkömmlichen Kupplungen, wie nass laufenden Lamellenkupplungen und/oder Tellerfeder-betätigten Ein- oder Mehrscheibenkupplungen vergleichbar ist, benötigt zumindest wegen der voranstehend genannten Gründe aktuell viel Bauraum und/oder eine verhältnismäßig komplexe Konstruktion.
Nach dem Prinzip von Reibkupplungen ausgeführte nass oder trocken laufende Lamellenkupplungen und beispielsweise Tellerfeder-betätigten Ein- oder Mehrscheibenkupplungen sind auf eine extern aufzubringende Betätigungskraft angewiesen, um die jeweiligen Scheiben oder Lamellen das Reibmoment aufbauend zu schließen oder zu öffnen. Diese externe Betätigungskraft ist dann konstruktiv mittels Lagerungen und mittels die Betätigungskraft gemäß der Vorstellung von Kraftlinien ableitenden Materials zu lagern, welches ein erhöhtes Gewicht zu Folge hat. Also hat die externe Betätigungskraft erhöhte Kosten und ein erhöhtes Systemgewicht zur Folge.
Die Erfindung hat die Aufgabe, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermindern oder zu beheben. Insbesondere soll eine kostengünstige und/oder kompakte MRF-Kupplung vorgesehen werden. Besonders gewünscht ist eine Eignung zum Übertragen hoher Drehmomente bei einer kleinen Bauform. Des Weiteren ist eine Eignung sowohl zur Verwendung als Kupplung wie auch zur Verwendung als Bremse gewünscht.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kupplung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eines der Kupplungsglieder innerhalb der Kammer mit einer an einen Kompressionsraum der Kammer anschließenden Förderkontur versehen ist, welche Förderkontur derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass sie in zumindest einem Betriebszustand zum Übertragen eines Drehmoments zwischen den Kupplungsgliedern eine (maximale) Grenzscherspannung eines sich in dem Kompressionsraum befindlichen, komprimierten Anteils an einer sich unter Einfluss eines Magnetfelds bildenden festen Phase des magnetorheologischen Mediums erhöht / heraufsetzt.
Es wird also ein Fördermechanismus für die feste Phase des magnetorheologischen Mediums, wie insbesondere einer magnetorheologischen Flüssigkeit (MRF), vorgeschlagen, um eine Kompression oder Selbst-Kompression zu bewirken, vorzugsweise in einer solchen Richtung, die quer / orthogonal zur Rotationsachse des zum Festklemmen / Festhalten vorgesehenen Kupplungsglieds ausgerichtet ist. Es wird somit der sogenannte „Squeeze-Strengthen“-Effekt des magnetorheologischen Mediums zur Momentkapazitätserhöhung genutzt, wobei die Verbesserung mindestens eine Größenordnung betragen soll. Der „Squeeze-Strengthen“-Effekt untersucht und bedeutet eine deutliche Erhöhung der maximalen Scherspannung der MRF-Ketten, wenn diese komprimiert sind.
Durch Nutzen dieses Prinzips wird es möglich, eine Kupplung bzw. Reibkupplung oder Bremse vorzusehen, bei welcher die Betätigungskraft nicht durch einen separat vorzusehenden Betätiger bzw. Aktor sondern von dem magnetorheologischen Medium selbst unter Einwirkung eines Magnetfelds aufgebaut wird. Die Kombination aus den spezifischen Eigenschaften des magnetorheologischen Mediums und dem Fördermechanismus ermöglicht es, eine Antriebsenergie eines der Kupplungsglieder, genauer gesagt eine aus einer Rotationsdifferenz zwischen den Antriebsgliedern herrührende Antriebsenergie zu nutzen, um beispielsweise das magnetorheologische Medium in dessen festem Zustand oder die feste Phase des magnetorheologischen Mediums bildende Partikelketten räumlich deutlich zu komprimieren / zu verdichten, um damit indirekt die Verbindungskraft / Reibkraft zwischen den Kupplungsgliedern zu erhöhen.
Es wird dabei insbesondere vorgeschlagen, zur Übertragung von Drehmoment im Wesentlichen magnetische Scherkräfte zu nutzen. Man kann auch sagen, dass die Partikelketten im Wesentlichen auf Zug sondern im Wesentlichen auf Druck beansprucht werden.
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 weiterhin vorteilhaft, wenn die Förderkontur in dem zumindest einen Betriebszustand derart auf die feste Phase des magnetorheologischen Mediums einwirkt, dass der in dem Kompressionsraum befindliche Anteil des magnetorheologischen Mediums einen höheren Massenanteil an magnetischen Partikeln (bzw. eine höhere Anzahl an Partikelketten) aufweist, als ein im Bereich der Förderkontur (auch Förderkonturbereich genannt) befindlicher Anteil des magnetorheologischen bzw. magnetrheologischen Mediums. Die Förderkontur wirkt folglich auf die feste Phase des magnetorheologische Mediums fördernd ein, sodass sie die Partikel aus dem Förderkonturbereich in den Kompressionsraum fördert und somit die Konzentration an Partikel / Partikelketten in dem Kompressionsraum erhöht. Dadurch kann die maximale Grenzscherspannung / Scherspannung des in dem Kompressionsraum befindlichen Anteil der festen Phase an magnetorheologischen Medium deutlich erhöht werden. Ein Trägermaterial des magnetorheologischen Mediums wird dabei im Förderkonturbereich im Wesentlichen gleich gehalten. Dadurch ist eine Kupplung umgesetzt, deren maximales Übertragungsmoment weiter gesteigert wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kammer eine zylindrische oder hohlzylindrische Form um die Rotationsachse herum aufweist, wobei sich die Kupplungsglieder zum Bilden, Definieren und/oder Begrenzen der Kammer axial oder entlang der Rotationsachse gemessen überlappen. Dabei ist mit einer zylindrischen Form vorzugsweise eine Form beabsichtigt, deren axiale Erstreckung nicht kleiner als deren radiale Erstreckung ist, und ist mit einer hohlzylindrischen Form vorzugsweise eine Form beabsichtigt, deren axiale Erstreckung nicht kleiner als deren radiale Dicke ist. Eine gemäß diesem Aspekt gebildete erfindungsgemäße Kupplung ist zum Einsatz bei radial beengten bauraumlichen Anforderungen besonders geeignet.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Kammer eine scheibenartige oder scheibenringartige Form aufweist, wobei sich die Kupplungsglieder zum Bilden, Definieren oder Begrenzen der Kammer radial oder entlang einer Radialrichtung gemessen überlappen. Dabei ist mit einer scheibenartigen Form vorzugsweise eine Form beabsichtigt, deren radiale Erstreckung nicht kleiner als deren axiale Erstreckung ist, und ist mit einer scheibenringartigen bzw. ringscheibenartigen Form vorzugsweise eine Form gemein, deren radial Dicke nicht kleiner als deren axiale Erstreckung ist. Eine nach diesem Aspekt gebildete erfindungsgemäße Kupplung ist besonders zur Verwendung bei axial begrenzten oder beengten bauraumlichen Anforderungen geeignet.
Die Förderkontur kann ein Gewinde, eine Spindel, eine radiale und/oder axiale Schnecke, eine Spirale, eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung umlaufende und dabei im Wesentlichen in axialer Richtung steigende konkave oder konvexe Geometrie, eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung umlaufende und dabei im Wesentlichen in radialer Richtung steigende konkave oder konvexe Geometrie und/oder eine Kombination daraus sein. Ein Gewinde, eine Spindel, eine axiale Schnecke und/oder eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung umlaufende und dabei im Wesentlichen in axialer Richtung steigende konkave oder konvexe Geometrie ist insbesondere bei radial begrenzten oder beengten bauraumlichen Anforderungen geeignet. Eine Spirale, eine radiale Schnecke und/oder eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung umlaufende und dabei im Wesentlichen in radialer Richtung steigende konkave oder konvexe Geometrie ist insbesondere bei axial begrenzten oder beengten bauraumlichen Anforderungen geeignet. Die voranstehenden Begriffe können alle, gemeinsam, ausgewählt kombiniert oder einzeln, zum Präzisieren oder Ersetzen des Begriffs „Förderkontur“ verwandt werden.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Kompressionsraum durch einen sich an die Förderkontur, vorzugsweise in Förderungsrichtung der Förderkontur, anschließenden und förderkontrulosen, wie ein als eine kreisringartige und/oder zylindermantelartige Fläche gebildeten, Förderbereich des mit der Förderkontur versehenen Kupplungsgliedes gebildet, mit gebildet, definiert und/oder begrenzt ist. Durch Vorsehen eines solchen Kompressionsraumes kann ein definiertes Volumen zum Komprimieren der festen Phase des magnetorheologischen Mediums geschaffen werden, so dass beispielsweise eine besonders konstante Übertragung von Drehmoment erreicht werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass zumindest eines der Kupplungsglieder im Bereich des Kompressionsraums eine zum Übertragen eines Drehmoments besonders geeignete Oberfläche aufweist. Eine solche Oberfläche zum Übertragen eines Drehmoments ist beispielsweise eine Oberfläche mit einer gezielt erhöhten Rauhigkeit oder eine Oberfläche mit sich radial und/oder axial erstreckenden Wellen, Riffeln, Nuten oder dergleichen. Somit kann eine nochmals gesteigerte Kapazität zum Übertragen eines Drehmoments erreicht werden. Insbesondere falls ein Kupplungsglied den Kompressionsraum radial innen begrenzt, während das andere Kupplungsglied den Kompressionsraum radial außen begrenzt, kann eine solche zum Übertragen eines Drehmoments besonders geeignete Oberfläche an dem radial innen liegenden Kupplungsglied zum Kompensieren der Differenz an Reibung wegen eine Flächendifferenz zwischen der kleineren radial innen liegenden Reibfläche und der größeren radial außen liegenden Reibfläche vorgesehen werden.
Wenn eine Höhe oder Dicke der Kammer im Kompressionsraum zumindest abschnittsweise näherungsweise gleich wie eine Höhe oder Dicke der Kammer im Bereich der Förderkontur, bezogen auf einen Förderkonturgrund, ist, kann eine besonders homogene Förderung in den Kompressionsraum erreicht werden.
Wenn eine Höhe oder Dicke der Kammer im Kompressionsraum zumindest abschnittsweise größer als eine Höhe oder Dicke der Kammer im Bereich der Förderkontur, bezogen auf einen Förderkonturgrund, ist, kann eine höhere magnetische Flussdichte in dem Kompressionsraum erzielt werden.
Wenn eine Höhe oder Dicke der Kammer im Kompressionsraum zumindest abschnittsweise kleiner als eine Höhe oder Dicke der Kammer im Bereich der Förderkontur, bezogen auf einen Förderkonturgrund, ist, können besonders klein dimensionierte Förderkonturen und/oder ein schnellerer Aufbau der Kompression erzielt werden.
Das mit der Förderkontur versehene Kupplungsglied kann eine zu der Förderkontur (entspricht einer ersten Förderkontur) gegengleiche und/oder gegensinnige zweite Förderkontur aufweisen. Damit kann der Kompressionsraum von zwei Seiten befüllt werden, so dass die Kompression zum Übertragen eines Drehmoments noch schneller und/oder noch gleichmäßiger aufgebaut werden kann. Dabei befindet sich der Kompressionsraum bevorzugt in Förderungsrichtung, das heißt in Förderungsrichtung der Förderkontur, vorzugsweise zwischen den Förderkonturen.
Zumindest eines der Kupplungsglieder kann im Bereich des Kompressionsraums durchbrochen sein, um das Volumen des Kompressionsraums zu vergrößern, und/oder um durch die Lücken in dem jeweiligen Kupplungsglied eine Verstärkung des Magnetfelds in dem Kompressionsraum zu erreichen. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das Kupplungsglied im Bereich des Kompressionsraums betragsmäßig zu zumindest 10%, bevorzugter zu zumindest 20% und noch bevorzugter zu zumindest 50% durchbrochen ist.
Es ist vorgesehen, dass eines der Kupplungsglieder im Bereich des Kompressionsraums einstückig oder mehrstückig mit einem Abschnitt aus einem Werkstoff mit einer hohen Permeabilität gebildet ist. Dies erhöht die magnetische Flussdichte im Bereich des Kompressionsraums. Als ein Werkstoff mit hoher Permeabilität wird insbesondere die Verwendung eines Eisenwerkstoffs vorgeschlagen, um den „Squeeze-Strengthen-Effekt“ zu nutzen.
Als Verfahren zum Bilden des Kupplungsglieds werden insbesondere ein urformendes Fertigungsverfahren, etwa ein Sintern oder ein Gießen, und/oder ein spanabhebendes Fertigungsverfahren, etwa ein Drehen oder ein Fräßen, und/oder ein umformendes Fertigungsverfahren, etwa ein Biegen, ein Pressen oder ein Prägen, oder ein trennendes Fertigungsverfahren, etwa ein Stanzen, vorgeschlagen. Insbesondere zum Herstellen des Kupplungsglieds aus mehr als einem Werkstoff kann auch ein fügendes Fertigungsverfahren, etwa ein Schweißen, ein Kleben, ein Verschrauben, ein Verklemmen oder dergleichen verwandt werden. Diese Fertigungsverfahren können bedarfsgemäß beliebig kombiniert werden, beispielsweise durch einen gleichzeitigen Press-Präge-Stanz-Vorgang.
Zum Optimieren der Fördergeschwindigkeit und/oder zum Optimieren des Kompressionsaufbaus, also des Entstehens der Kompression, im Kompressionsraum kann die erste und/oder die zweite Förderkontur eine konstante Steigung oder eine zu dem Kompressionsraum hin zunehmende oder abnehmende Steigung aufweisen. Mit denselben Vorteilen kann die Förderkontur eine eingängige Förderkontur oder eine mehrgängige Förderkontur sein. Ferner sind sämtliche sich daraus ergebenden Kombinationen, sowie abschnittsweise unterschiedliche Förderkonturen oder Förderkonturkombinationen abhängig vom Anwendungsfall vorteilhaft und können insbesondere auch unabhängig beansprucht werden.
Es kann vorgesehen sein, dass zumindest eines der Kupplungsglieder mit einem Magneten zum Erzeugen eines die Kammer durchdringenden Magnetfeldes drehfest verbunden ist. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Kupplungsglieder oder zumindest eines der Kupplungsglieder zumindest zeitweise von dem Magneten zum Erzeugen eines die Kammer durchdringenden Magnetfeldes entkoppelt ist. Hierdurch kann insbesondere eine verringerte Massenträgheit der Kupplungsglieder zum Erhöhen einer Dynamik bei einem Beschleunigen des Kupplungsgliedes, etwa durch eine Verbrennungskraftmaschine, oder Abbremsen des Kupplungsgliedes, etwa durch eine Gangsynchronisation, und/oder zum Vermindern eines Schleppmoments zum Einsparen von Antriebsenergie erreicht werden.
Bei Vorsehen von drei Kupplungsgliedern, von denen zwei die Kammer definieren und eines die anderen beiden Kupplungsglieder zumindest entkoppelnd einen Magneten lagert, der Begriff „zumindest zwei konzentrisch zu einer Rotationsachse angeordneten Kupplungsgliedern, die zusammen eine mit einem magnetorheologischen Medium befüllbare und die Rotationsachse umgebende Kammer definieren“ durch den Begriff „zumindest zwei konzentrisch zu einer Rotationsachse angeordneten Kupplungsgliedern, wobei zumindest zwei der Kupplungsglieder zusammen eine mit einem magnetorheologischen Medium befüllbare und die Rotationsachse umgebende Kammer definieren“ ersetzt werden, und es kann zusätzlich oder alternativ der Begriff, wonach „die Kupplungsglieder oder zumindest eines der Kupplungsglieder zumindest zeitweise von dem Magneten zum Erzeugen eines die Kammer durchdringenden Magnetfeldes entkoppelt ist“, durch den Begriff, wonach „die die Kammer definierenden Kupplungsglieder oder zumindest eines der Kupplungsglieder zumindest zeitweise von dem Magneten zum Erzeugen eines die Kammer durchdringenden Magnetfeldes entkoppelt ist“, ersetzt werden, um die Präzision beim Beschreiben eines optionalen Aspekts zu erhöhen, welcher zum Verbessern einer Energieeffizienz vorsehbar ist.
Es kann vorgesehen werden, dass der Magnet ein Permanentmagnet ist, um so eine Sicherheitskupplung, beispielsweise zur Verwendung als Rutschkupplung, zur Verfügung zu haben.
Der Magnet kann auch eine Spule, eine Windung oder eine andere Bauform zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes sein. Wenn dieser Magnet ein schaltbarer Magnet ist, kann die Kupplung ein- und ausgeschaltet werden. Wenn dieser Magnet ein steuerbarer oder regelbarer Magnet ist, kann die Höhe des übertragbaren Drehmoments gezielt eingestellt werden, um beispielsweise durch einen geringeren Energieverbrauch Kraftstoff zu sparen.
Wenn zumindest zwei Kammern in einer Parallelschaltung angeordnet und ausgebildet sind, wobei die Förderkonturen der Kammern zum Komprimieren bei gleicher Rotationsdifferenz zwischen den Kupplungsgliedern angeordnet und ausgebildet sind, kann das übertragbare Drehmoment signifikant gesteigert werden.
Wenn zumindest zwei Kammern in einer Parallelschaltung angeordnet und ausgebildet sind, wobei die Förderkonturen der Kammern zum Komprimieren bei ungleicher Rotationsdifferenz zwischen den Kupplungsgliedern angeordnet und ausgebildet sind, kann eine bidirektional wirkende Kupplung bei besonders hoher Gleichteileanzahl erreicht werden. Mit „bidirektional“ ist hier eine Kupplung gemeint, die in beide Drehrichtungen gesperrt werden kann. Es können dafür auch zwei Kammern mit magnetrheologischer Flüssigkeit vorgehalten werden. Diese zwei Kammern sind mechanisch so voneinander getrennt, dass trotzdem ein Magnetfeld diese beiden Kammern durchdringen kann. Die beiden Kammern sind dabei entweder in Radialrichtung voneinander getrennt oder in Axialrichtung. Zum Erreichen der „bidirektionalen“ Eigenschaften, können die Förderichtungen der Partikel in der Flüssigkeit zueinander entgegengesetzt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind zumindest zwei der Kupplungsglieder mit einander jeweils senkrecht zu der Förderrichtung abwechselnden Lamellen versehen, wobei vorzugsweise zwischen zwei Lamellen jeweils zumindest eine Förderkontur angeordnet und ausgebildet ist.
Mit anderen Worten gesagt, betrifft die Erfindung eine Kupplungsvorrichtung und/oder eine Klemmvorrichtung auf der Basis einer magnetorheologischen Flüssigkeit bzw. magnetischer Partikel einer Trägerflüssigkeit. Dabei kann der wesentliche Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Kupplungen, nämlich dass die Drehmomentenkapazität, relativ zum jeweiligen Gewicht, den jeweiligen Kosten und dem jeweils benötigten Bauraum, gering ist, behoben werden. Es wird mit anderen Worten insbesondere vorgeschlagen, den „Squeeze-Strengthen“-Effekt des magnetorheologischen Mediums oder des magnetorheologischen Mediums in festem Zustand, zur Momentenkapazitätserhöhung einer Bremse (d.h. einer MRF-Bremse) oder einer Kupplung (d.h. einer MRF-Kupplung) zu nutzen, wobei die Verbesserung mindestens eine Größenordnung betragen soll. Der „Squeeze-Strengthen“-Effekt bedeutet eine deutliche Erhöhung der maximalen Scherspannung der MRF-Ketten, wenn diese komprimiert sind. Der Vorschlag verwendet ein Selbstverdichtungskonzept innerhalb der MRF-Kammern, das einen Fördermechanismus umfasst. Eine symmetrische Förderrichtung bzw. Förderwirkung kann durch entgegen gesetzte bzw. gegengleiche Gewindewicklungsrichtungen bzw. Spiralwicklungsrichtungen oder dergleichen erreicht werden. Durch die symmetrische Förderwirkung können die Kompressionskräfte kupplungsintern ausgeglichen werden, so dass keine externe Lagerung zum Auffangen von Betätigungskräften notwendig sein kann. Die Kompression wird zwischen einem festen und einem beweglichen Teil erzeugt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Varianten näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung mit einer scheibenringartige Kammer gemäß einer ersten Variante der Erfindung,
2 eine perspektivische Draufsicht auf ein scheibenringartiges Kupplungsglied gemäß der ersten Variante der Erfindung mit zwei als Spirale gebildeten Förderkonturen,
3 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer zweiten Variante der Erfindung, mit einer hohlzylinderartig gebildeten Kammer,
4 eine perspektivische Draufsicht auf ein hohlzylinderartig gebildetes Kupplungsglied gemäß der zweiten Variante der Erfindung, mit zwei als Gewinden gebildeten Förderkonturen,
5a bis 5c jeweils eine entlang der Rotationsachse geschnittene Darstellung der Kupplung gemäß der zweiten Variante, wobei 5a einen Zustand vor Einschalten einer Spule zeigt, 5b einen Zustand direkt nach Einschalten der Spule zeigt, und 5c einen Zustand mit eingeschalteter Spule zum Übertragen eines Drehmoments zwischen zwei Kupplungsgliedern zeigt,
6 ein Diagramm mit einem beispielhaften Drehmomentenverlauf bei einem Einschalten der Spule bei der Kupplung gemäß einer nachfolgend in 16 dargestellten zehnten Variante der Erfindung,
7 eine perspektivische Draufsicht auf eine symbolhaft skizzierte Kupplung zum Erläutern einer Kapazität zum Übertragen eines Drehmoments mit und ohne durch eine Kompression verursachte Reibung zwischen zwei Kupplungsgliedern,
8a eine Draufsicht auf ein Kupplungsglied, das heißt das Kupplungsglied ist nicht geschnitten, gemäß einer dritten Variante mit einer als sechsgängiges Gewinde gebildeten Förderkontur,
8b eine perspektivische Draufsicht auf das Kupplungsglied gemäß der dritten Variante,
9 eine Draufsicht auf ein Kupplungsglied gemäß einer vierten Variante mit einer Förderkontur, die als ein Gewinde mit zunehmender Steigung gebildet ist,
10 eine Draufsicht ein Kupplungsglied gemäß einer fünften Variante der Erfindung, wobei eine Höhe einer Kammer in einem Kompressionsraum abschnittsweise größer und abschnittsweise kleiner als eine Höhe der Kammer im Bereich einer Förderkontur ist,
11 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer sechsten Variante der Erfindung, wobei ein hohlzylinderartig gebildetes Kupplungsglied mittels Blechstanzteilen gebildete Förderkonturen aufweist,
12a eine perspektivische Draufsicht auf das Kupplungsglied gemäß der sechsten Variante,
12b eine Draufsicht auf ein Blechstanzteil gemäß der sechsten Variante,
13 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer siebten Variante der Erfindung, mit zwei Kammern und einem hohlzylinderartig gebildeten Kupplungsglied, mit jeweils einer Förderkontur aufweist,
14 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer achten Variante der Erfindung, mit zwei scheibenringartig gebildeten Kammern, wobei jeweils eine Dicke der Kammer in einem Kompressionsraum größer als eine Dicke der Kammer im Bereich einer Förderkontur ist,
15 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer neunten Variante der Erfindung, mit zwei scheibenringartig gebildeten Kammern, wobei jeweils eine Dicke der Kammer in einem Kompressionsraum kleiner als eine Dicke der Kammer im Bereich einer Förderkontur ist,
16 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer zehnten Variante der Erfindung, mit einem scheibenringartig gebildeten Kupplungsglied, wobei dieses im Bereich der Kompressionsräume mit einem Abschnitt aus einem Werkstoff mit einer hohen Permeabilität gebildet ist, und wobei jeweils eine Dicke einer Kammer im Kompressionsraum kleiner als eine Dicke der Kammer im Bereich einer Förderkontur ist,
17 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer elften Variante der Erfindung, mit zwei scheibenringartig gebildeten Kammern und einem scheibenringartig gebildeten Kupplungsglied, wobei jeweils eine Dicke der Kammer in einem Kompressionsraum gleich einer Dicke der Kammer in einem Bereich einer Förderkontur ist, und wobei das Kupplungsglied im Bereich der Kompressionsräume einen Abschnitt aus einem Werkstoff mit einer hohen Permeabilität aufweist,
18 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer zwölften Variante der Erfindung, mit einem scheibenringartig gebildeten Kupplungsglied, welches je Kammer eine Förderkontur aufweist, und welches in einem Bereich der Kompressionsräume mit einem Abschnitt aus einem Werkstoff mit einer hohen Permeabilität gebildet ist,
19 eine perspektivische Draufsicht auf das Kupplungsglied gemäß der elften Variante,
20 eine perspektivische Draufsicht auf ein scheibenringartig gebildetes Kupplungsglied gemäß einer dreizehnten Variante der Erfindung, welches zwei als Spiralen gebildete Förderkonturen aufweist, wobei ein sich zischen den Förderkonturen befindender Kompressionsbereich, der durch eine kreisringartige Fläche gebildet ist, mit einer Vielzahl an Durchgriffen durchbrochen ist,
21 eine perspektivische Draufsicht auf ein scheibenringartig gebildetes Kupplungsglied gemäß einer vierzehnten Variante der Erfindung, welches zwei Förderkonturen aufweist, die jeweils als eine mehrgängige Spirale mit zu einem Kompressionsbereich hin abnehmender Steigung gebildet sind,
22 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer fünfzehnten Variante der Erfindung, mit Kupplungsgliedern, die von einem durch eine Spule verkörperten Magneten entkoppelt sind,
23 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer sechzehnten Variante der Erfindung, mit vier scheibenringartig gebildeten Kammern, welche in einer Parallelschaltung angeordnet sind,
24 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer siebzehnten Variante der Erfindung, mit einem scheibenringartig gebildeten Kupplungsglied, welches an nur einer Seitenwand bzw. Stirnseite des Kupplungsglieds eine Kammer zum Aufnehmen eines magnetorheologischen Mediums definiert,
25 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer achtzehnten Variante der Erfindung, mit einem scheibenringartig gebildeten Kupplungsglied, das als Spiralen gebildete Förderkonturen hat, welche aus Blechstanzteilen vergleichbar der sechsten Variante gebildet sind,
26 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer neunzehnten Variante der Erfindung, mit vier scheibenringartig gebildeten Kammern und einem Kupplungsglied, das zwei Abschnitte aufweist, die jeweils aus einem Werkstoff mit einer hohen Permeabilität gebildet sind,
27 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer zwanzigsten Variante der Erfindung, mit zwei hohlzylinderartig gebildeten Kammern und mit drei Kupplungsgliedern, wobei die die Kammern definierenden Kupplungsglieder zumindest zweitweise von einem Magneten zum Erzeugen eines die Kammer durchdringenden Magnetfeldes entkoppelt sind,
28 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer einundzwanzigsten Variante der Erfindung, mit zwei scheibenringartig gebildeten Kammern und drei Kupplungsgliedern, wobei die die Kammer definierenden Kupplungsglieder zumindest zeitweise von einem durch eine Spule verkörperten Magneten zum Erzeugen eines die Kammer durchdringenden Magnetfelds entkoppelt sind,
29 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer zweiundzwanzigsten Variante der Erfindung, mit einem Kupplungsglied, an dem sowohl Förderkonturen wie auch ein durch eine Spule verkörperter Magnet befestigt sind,
30a bis 30g Schaubilder zum Verdeutlichen eines Quetschverstärkungseffekts,
31 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer dreiundzwanzigsten Variante der Erfindung, mit einem scheibenringartig gebildeten Kupplungsglied, welches an nur einer Seitenwand bzw. Stirnseite des Kupplungsglieds eine Kammer zum Aufnehmen eines magnetorheologischen Mediums definiert, und mit dem scheibenringartig gebildeten Kupplungsglied, wobei dieses im Bereich der Kompressionsräume mit einem Abschnitt aus einem Werkstoff mit einer hohen Permeabilität gebildet ist,
32 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer vierundzwanzigsten Variante der Erfindung, wobei ein hohlzylinderartig gebildetes Kupplungsglied mittels Blechstanzteilen gebildete Förderkonturen aufweist und der Kompressionsbereich wiederum aus einem Werkstoff hoher Permeabilität besteht, und
33 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Kupplung gemäß einer fünfundzwanzigsten Variante der Erfindung, mit zwei Kammern und einem hohlzylinderartig gebildeten Kupplungsglied, mit jeweils einer Förderkontur aufweist.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente bzw. vergleichbare Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einen Ausführungsform können auch in einer anderen Ausführungsform enthalten sein. Sie sind also untereinander austauschbar. Ausführungsformen der Erfindung sind vorrangig jene Varianten, die ein magnetisierbares, von magnetorhelogischer Flüssigkeit umgebenes Kupplungsglied besitzen.
1 und 2 zeigen eine Kupplung 1 in einer Scheibenringbauweise und für den Kraftfahrzeugbau, beispielsweise zum Verbinden einer Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt) mit einem Getriebe (nicht dargestellt). Die Kupplung 1 hat zwei Kupplungsglieder 2. Die Kupplungsglieder 2 sind jeweils im Wesentlichen rotationssymmetrische Körper, und sie sind konzentrisch zu einer Rotationsachse X angeordnet. Die Kupplungsglieder 2 sind ein erstes Kupplungsglied 3 und ein zweites Kupplungsglied 4.
Das erste Kupplungsglied 3 ist im Wesentliche scheibenringartig gebildet, und es hat radial innen liegend eine Anschlussabschnitt 5, der dazu vorbereitet ist, mit einer Welle (nicht gezeigt) verbunden zu werden, sowie daran radial jeweils nach außen anschließend einen Förderkonturbereich 6, einen Kompressionsbereich 7 und einen weiteren Förderkonturbereich 6. Das erste Kupplungsglied 3 ist in der 2 in einer perspektivischen Draufsicht gezeigt. Wie sich insbesondere aus der 2 sehr anschaulich ergibt, ist das erste Kupplungsglied 3 an den Förderkonturbereichen 6 mit zwei Förderkonturen 8 versehen, die jeweils als eine Spirale 9 gebildet sind. Der Kompressionsbereich 7 hat keine Förderkontur 8. Eine Spiralensteigung 10 der jeweiligen Spirale 9 ist ein Beispiel für eine jeweilige Förderkontursteigung 11 der Förderkonturen 8. Die Spiralensteigung 10 der radial innen liegenden Spirale 9 ist gegensinnig zu der Spiralensteigung 10 der radial außen liegenden Spirale 9. Das erste Kupplungsglied 3 kann auch als Antrieb oder als Eintrieb bezeichnet werden.
Das zweite Kupplungsglied 4 liegt bei der ersten Variante axial beidseitig und radial außen des ersten Kupplungsglieds 3 vor. Entlang der radialen Richtung der Kupplung 1 gesehen liegen beidseitig die Kupplungsglieder 2 vor, sie überlappen sich also radial. Man kann auch sagen, das zweite Kupplungsglied 4 umfängt das erste Kupplungsglied 3. Mit andern Worten, das zweite Kupplungsglied 4 hat eine Form eines um die Rotationsachse mit nach radial innen gerichteter Öffnung umlaufenden Buchstabens „U“. Das zweite Kupplungsglied 4 kann auch als Austrieb oder als Eisenführung bezeichnet werden.
Radial außen in oder an dem zweiten Kupplungsglied 4 ist eine Spule 12 angeordnet. Die Spule 12 ist ein Beispiel eines Magneten und dient, wie im Folgenden noch detaillierter erläutert wird, dazu, ein Magnetfeld zu erzeugen. Radial innerhalb der Spule 12 ist ein Isolierungskörper 13 zum Isolieren der Spule 13 von einer Kammer 14 und/oder zum Vermeiden eines Kontakts zwischen der Spule 12 und einer Kammer 14 angeordnet.
Die Kupplung 1 hat zwei Kammern 14, welche sich radial innerhalb des Isolierungskörpers 13 befinden. Die Kammern 14 werden radial außen durch den Isolierungskörper 13 begrenzt. Die Kammern 14 werden radial innen durch den Anschlussabschnitt 5 und/oder Dichtungen 15 begrenzt. Die Kammern 14 werden axial durch jeweils eine Innenwand 16 des zweiten Kupplungsgliedes 4 und eine Seitenwand 17 des ersten Kupplungsgliedes 3 begrenzt. Beide Kammern 14 sind mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit 18 oder kurz MRF gefüllt. Die Kammern 14 können hinsichtlich ihrer Funktion in einem Magnetfeld auch als MRF-Spalte bezeichnet werden. Kinematisch befinden sich die Kammern 14 zwischen den beiden Kupplungsgliedern 2 erstes Kupplungsglied 3 und zweites Kupplungsglied 4.
Die magnetorheologische Flüssigkeit 18 steht stellvertretend für alle magnetorheologischen Medien. Die magnetorheologische Flüssigkeit 18 umfasst beispielsweise eine Trägerflüssigkeit und darin suspensierte Partikel 12
Bei einer Verwendung der Kupplung 1 als eine Kupplung zum Verbinden bzw. Koppeln zweier rotierbarer Teile (nicht dargestellt) kann die Spule 12 beispielsweise über Schleifringe (nicht dargestellt), über eine andere elektrische Drehdurchführung (nicht dargestellt) oder über einen Induktionsübertrager (nicht dargestellt) mit einer Stromquelle bzw. Energieversorgung (nicht dargestellt) verbunden werden.
Die Kupplung 1 kann als eine Bremse verwandt werden. Dazu wird bevorzugt das zweite Kupplungsglied 4 mit einem feststehenden Gehäuse (nicht dargestellt) oder dergleichen drehfest gekoppelt. In diesem Fall kann die Spule 12 in einfach auszuführender Weise mittels Kabeln (nicht dargestellt) mit der Stromquelle verbunden werden.
Es ist selbstverständlich auch möglich, die Kupplung 1 als eine Bremse zu verwenden, bei welcher das erste Kupplungsglied 3 mit einem Gehäuse (nicht dargestellt) drehfest verbunden wird, das zweite Kupplungsglied 4 mit einer Welle (nicht dargestellt) verbunden wird, und die Spule 12 mittels der voranstehenden vorgeschlagenen Mittel Schleifringe, Drehdurchführung und/oder Induktionsübertrager mit der Stromquelle verbunden wird.
Im Folgenden wird eine zweite Variante der Erfindung anhand der 3 bis 6 beschrieben. Bei der zweiten Variante der Erfindung hat die Kupplung 1 eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form. Dies betrifft sowohl das erste Kupplungsglied 3, wie auch das zweite Kupplungsglied 4, sowie die beiden Kammern 14. Entlang der axialen Richtung der Kupplung 1 gesehen liegen beidseitig die Kupplungsglieder 2 vor, sie überlappen sich also axial.
Die Förderkonturen 8 befinden sich radial innerhalb und radial außerhalb an dem ersten Kupplungsglied 3. Wie sich aus der Darstellung der 3 erkennen lässt, sind bei der zweiten Variante die Förderkonturen 8 als Gewinde 19 ausgebildet. Die Förderkontursteigung 11 ist bei der zweiten Variante eine Gewindesteigung 20 und erstreckt sich im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse X. Auch bei der zweiten Variante sind die Gewindesteigungen 20 beiderseits des Kompressionsbereichs 7 gegensinnig orientiert.
Die Innenwände 16 und die Seitenwände 17 sind bei der zweiten Variante alle im Wesentlichen als Zylindermantelflächen gebildet.
Eine Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kupplung 1 wird nun anhand der 5a bis 5c und der 6 erläutert. Die 5a bis 5c stellen drei aufeinanderfolgende Zeitpunkte dar. Zu einem Zeitpunkt t0 der 5a ist die Spule 12 ausgeschaltet, durchmischen die Förderkonturen 8 die dann flüssige magnetorheologische Flüssigkeit 18 und steht das zweite Kupplungsglied 4 still. Zu einem Zeitpunkt t4 der 5b wurde die Spule 12 gerade eingeschaltet, entfaltet sich die Wirkung eines durch die Spule 12 erzeugten Magnetfelds auf die magnetorheologische Flüssigkeit 18 und steht das zweite Kupplungsglied 4 noch still. Zu einem Zeitpunkt t9 der 5c ist die Spule 12 noch eingeschaltet, ist eine Kompression in der Kammer 14 aufgebaut und wird das zweite Kupplungsglied 4 durch ein Drehmoment von dem ersten Kupplungsglied 3 angetrieben.
Wenn die Spule 12 eingeschaltet wird, das heißt wenn die Spule 12 mit Strom beaufschlagt wird, erzeugt die Spule 12 ein Magnetfeld 78 oder elektromagnetisches Feld. Das elektromagnetische Feld wird durch das zweite Kupplungsglied 4, welches vorzugsweise zumindest im einem Bereich von der Spule 12 zu der Kammer 14 aus einem Werkstoff bzw. Material 43 mit einer hohen Permeabilität, besonders bevorzugt aus einer Eisenlegierung, besteht, geleitet. Das erste Kupplungsglied 3 ist bei der zweiten Variante in den Förderkonturbereichen 6 und dem Kompressionsbereich 7 aus einem Werkstoff bzw. Material 44 mit einer geringen Permeabilität, etwa einem Nicht-Eisen-Werkstoff, besonders bevorzugt aus Aluminium, gebildet. In Folge des durch das zweite Kupplungsglied 4 geleiteten Magnetfelds 78 bildet sich in den Kammern 14 das im Wesentlichen homogenes Magnetfeld 78 aus, dessen Magnetfeldlinien vorzugsweise radial orientiert sind. Die Partikel 21 bilden Partikelketten 22 entlang der Magnetfeldlinien. Die Partikelketten 22 stellen eine feste Phase der magnetorheologischen Flüssigkeit 18 dar.
Da zu dem in 5b dargestellten Zeitpunkt t4 die Partikelketten 22 nicht komprimiert sind, gibt es keine oder nur eine geringe Reibung zwischen dem sich drehenden ersten Kupplungsglied 3 und den Partikelketten 22 und zwischen den Partikelketten 22 und dem sich nicht drehenden zweiten Kupplungsglied 4. Es wirkt dabei nur die Scherung der Trägerflüssigkeit der magnetorheologischen Flüssigkeit 18 im Sinne einer Drehmomentübertragung bzw. Drehmomenterhöhung.
Als nächstes wird durch die von dem ersten Kupplungsglied 3 an die magnetorheologische Flüssigkeit abgegebene rotatorische Leistung eine Drehmomentübertragung aufgebaut. Die Partikel 21 und/oder die Partikelketten 22 werden nur an dem zweiten Kupplungsglied 4 festgehalten, während die Gewinde 19 als Förderkonturen 8 eine Förderwirkung auf die Partikel 21 und/oder die Partikelketten 22 aufbringen. Da die Gewinde 19 gegensinnig gewunden sind, weisen die Gewinde 19 als Förderkonturen 8 eine innerhalb derselben Kammer 14 unterschiedliche Förderrichtung 77 auf, so dass die Partikel 21 und/oder Partikelketten 22 durch das angetriebene erste Kupplungsglied 3 zu der Mitte des ersten Kupplungsgliedes 3, wo sich der Kompressionsbereich 7 befindet, gefördert werden. Bei der zweiten Variante sind die Förderkonturen 8 so gebildet, dass beispielsweise bei einer rechtssinnigen Rotationsdifferenz die Partikelketten 22 in beiden Kammern 14 zu den Kompressionsbereichen 7 gefördert werden. Eine Rotationsdifferenz bedeutet eine Differenzdrehzahl zwischen den Kupplungsgliedern 2 erstes Kupplungsglied 3 und zweites Kupplungsglied 4.
Die Förderkonturbereiche 7 können abhängig von der Drehrichtung des ersten Kupplungsgliedes 3 ausgelegt sein, so dass beispielsweise in der radial außen liegenden Kammer 14 bei einer linkssinnigen Rotationsdifferenz die Partikelketten 22 zu dem dortigen Kompressionsbereich 7 gefördert werden, während bei einer rechtssinnigen Rotationsdifferenz die Partikelketten 22 in der radial innen liegenden Kammer 14 zum dem dortigen Kompressionsbereich 7 gefördert werden.
Mittels des durch den Anschlussabschnitt 5 auf das erste Kopplungsglied 3 übertragenen Drehmoments fördern bzw. verschieben oder drücken also die Förderkonturen 8 bzw. die Gewinde 19 die Partikelketten 22 in einen Kompressionsraum 23, welcher sich axial im Bereich der Kompressionsbereiche 7 befindet. Durch eine in dem Kompressionsraum 23 aufgebaute Kompression wird die Reibung zwischen den Partikeln 21 und dem ersten Kupplungsglied 3 wie auch zwischen den Partikeln 21 und dem zweiten Kupplungsglied 4 im Bereich des Kompressionsraums 23 erhöht. Damit erhöht sich das übertragbare Drehmoment. Daher wird zwischen dem ersten Kupplungsglied 3 und dem zweiten Kupplungsglied 4 ein Drehmoment übertragen. Das zweite Kupplungsglied 4 beginnt sich zu drehen. Kurz gesagt, die Förderkonturen 8 sind zum Komprimieren einer sich unter Einfluss des Magnetfelds 78 bildenden festen Phase des magnetorheologischen Mediums 18 in dem Kompressionsraum 23 der Kammer 14 zum Übertragen eines Drehmoments zwischen den Kupplungsgliedern 2 angeordnet und ausgestaltet.
Das erfindungsgemäße Förderprinzip ist selbstverstärkend, das heißt, solange ein an dem zweiten Kupplungsglied 4 anliegendes Drehmoment, Gegendrehmoment oder Haltedrehmoment größer als ein wegen der Kompression übertragenes Drehmoment ist, wird die Kompression innerhalb gewisser Grenzen, beispielsweise in Abhängigkeit eines Vorhandenseins von Partikeln 21 außerhalb des Kompressionsraums 23, verstärkt. Die Kupplung 1 ist hinsichtlich der Zusammensetzung des magnetorheologischen Fluids, hinsichtlich der Geometrie des Kompressionsraums 23 und dergleichen so auszulegen, dass ein zu übertragendes Solldrehmoment erreichbar und übertragbar ist.
Ein vorteilhaftes Konstruktionsmerkmal der Kupplung 1 ist darin zu sehen, dass der Kompressionsraum 23 von den Dichtungen 15 räumlich derart getrennt ist, dass die Dichtungen 15 nicht mit einem durch die Kompression verursachten Druck beaufschlagt werden. Dies erhöht die Lebensdauer der Dichtungen 15 erheblich.
Die 6 zeigt einen beispielhaften Drehmomentenverlauf währen eines Kupplungsvorgangs. An der Abszisse ist die Zeit t angetragen, und an der Ordinate ist das übertragbare Drehmoment M angetragen. Der Zeitpunkt t0 entspricht einem Zustand, in dem noch keine magnetische Kraft auf die magnetorheologische Flüssigkeit 18 wirkt und die Flüssigkeit sich noch in einer flüssigen / niedrigviskosen Phase befindet. Zu einem Zeitpunkt t1 wird die Spule 12 mit Strom beaufschlagt. Die Spule 12 bleibt während einer Phase t2 bzw. eines Zeitbereichs oder einer Periode mit Strom beaufschlagt. Direkt nach dem Zeitpunkt t1 beginnt eine Schlupfphase t3, welche beispielhaft in 5b für die zweite Variante zu dem Zeitpunkt t4 dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t5 ist durch die Kompression bzw. Verdichtung das durch die Partikel 21 in dem Kompressionsraum 23 übertragbare Drehmoment M vollständig aufgebaut und die Scherspannung maximal erhöht. Es ist also die maximal mögliche Verdichtung aufgrund des „Squeeze-Strengthen“-Effektes erreicht, welche während einer Phase t6 aufgebaut oder erhalten bleibt. Der Zeitpunkt t9 der 5c zeigt dies für die zweite Variante. Die maximal mögliche Verdichtung bleibt aufgebaut, bis zu einem Zeitpunkt t7 die Spule 12 ausgeschaltet wird. Das übertragbare Drehmoment M sinkt rasch auf nahezu null ab, und zum Zeitpunkt t8 liegt lediglich ein geringe Schleppmoment durch eine Rest-Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit 18 vor.
Auch ohne eine figürliche Darstellung soll nicht unerwähnt bleiben, dass durch ein Steuern oder Regeln des der Spule 12 zugeführten Stroms der Betrag des maximal übertragbaren Drehmoments oder die Geschwindigkeit der Kompressionsaufbaus gesteuert oder geregelt werden kann.
Anhand der 7 wird im Folgenden eine Berechnung des übertragbaren Drehmoments angegeben. Aus Gründen der Einfachheit wird zunächst eine in 7 dargestellte reine MRF-Kupplung mit einer einzelnen Scherfläche betrachtet. Das übertragbare Drehmoment im festen Zustand der MRF lässt sich wie folgt berechnen:
wobei M_{max stat} das maximal übertragbare Drehmoment, τ den Schubmodul, π die Kreiszahl, R_i den Innenradius der Reibfläche, und l_max die radiale Dicke der Reibfläche bezeichnen. Ohne eine Kompression zwischen den Reibflächen nimmt der Schubmodul den Wert τ = 0,03 MPa an. Nimmt man ferner an, dass R_i einem Radius von 60mm entspricht, und dass l_max einer radialen Dicke von 15mm entspricht, ergibt sich ein übertragbares Drehmoment M_{max stat} aufgrund von Scherung ohne Kompression von näherungsweise 12 Nm für eine einzelne Scherfläche, und entsprechend näherungsweise 24 Nm für eine doppelte Scherfläche.
Mit der durch die erfindungsgemäße Kupplung erzeugten Kompression ergibt sich innerhalb der Kupplungszone ein Druck zwischen 0 und 5 MPa, etwa ein Druck von 0,9 MPa. Dieser entspricht einer Axialkraft von ca. 5725 N, und mit einem Reibwert von μ = 0,05 für eine Schmierung durch die Trägerflüssigkeit der MRF, welche ein Mineralöl ist, sowie mit gleichen Durchmessern wie bei dem Beispiel der 7 und zwei Reibflächen erhält man als übertragbares Drehmoment nur aus der Kompression und ohne magnetische Scherung ein Drehmoment von näherungsweise 39 Nm. Es ist von Vorteil, wenn die Kompression in Abhängigkeit der Steigung des Gewindes gezielt gesteuert wird.
Das voranstehende Beispiel basiert auf Erfahrungen des Erfinders. Ferner zeigt dieses Beispiel die Möglichkeit, mittels des vorgestellten Kompressionsmechanismus’ hohe Drehmomente zu übertragen. Das übertragbare Drehmoment ist sogar deutlich höher als eine reine MRF-Kupplung mit denselben Abmessungen.
Der Einfluss der Kompression auf die magnetorheologische Flüssigkeit 18 ist reversibel. So wird die magnetorheologische Flüssigkeit 18 in dem Kompressionsraum 23 kurz nach Abschalten der Spule 12 wieder flüssig, und dann nimmt sie wieder ihre ursprüngliche Viskosität an. Das übertragbare Drehmoment wird daher quasi sofort abgebaut.
Wie voranstehend beschrieben ist, kann durch die als Spiralen 9 oder Gewinde 19 gestalteten Förderkonturen 8 die magnetorheologische Flüssigkeit 18 mittels eines dynamischen Mischens annähernd eine Homogenität erreichen.
Als ein weiterer Vorteil ist zu nennen, dass gegenüber herkömmlichen Reibkupplungen, wie einer Tellerfeder-betätigten Reibkupplung, die erfindungsgemäße Kupplung 1 keinen externen mechanischen Aktor benötigt.
Der Verzicht auf einen externen mechanischen Aktor wird insbesondere auch dadurch begünstigt, dass die Reibung zum Übertragen eines Drehmoments durch eine in die erfindungsgemäße Kupplung 1 eingebrachte Rotationsenergie erzeugt wird.
Der erzeugte Druck wird bei der erfindungsgemäßen Kupplung 1 innerhalb der Kupplungsglieder 2, vorliegend innerhalb des ersten Kupplungsgliedes 3 und des zweiten Kupplungsgliedes 4, das heißt – allgemein gesprochen – in den die Kammer 14 definierenden Elementen, vollständig erzeugt und aufgefangen bzw. abgeführt.
Die zum Speisen der Spule 12 nötige Energie ist deutlich geringer als die Betätigungsenergie einer herkömmlichen Reibkupplung.
Ferner ist die erfindungsgemäße Kupplung 1 gemäß der Varianten eins und zwei eine Kupplung mit einer symmetrischen Förderwirkung zum Kraftausgleich. Die anhand der zweiten Variante beschriebene Funktion der erfindungsgemäßen Kupplung 1 ist ohne Weiteres auf die erste Variante übertragbar. Zum Fördern der Partikelketten 22 werden bei der ersten Variante anstelle der Gewinde 19 die Spiralen 9 verwandt.
Ein weiterer Unterschied zwischen der ersten Variante und der zweiten Variante der Erfindung ist jedoch in einer Fliehkraftwirkung bei der zweiten Variante zu sehen, da die radial außen liegenden Spiralen 9 während der Kupplungsschlupfphase entgegen einer Fliehkraft arbeiten müssen. Andererseits hat eine bei einem geschlossenen Kupplungszustand vorliegende Fliehkraft den Vorteil, dass dann die Fliehkraft die Kompression verstärkend wirkt, da die Partikelketten 22 nach radial außen an die radial innen liegenden Enden der radial außen liegenden Spiralen 9 gedrückt werden. Dies stellt einen weiteren quasi selbstverstärkenden Effekt dar.
Die 8a und die 8b zeigen ein erstes Kupplungsglied 3 gemäß einer dritten Variante der Erfindung. Das erste Kupplungsglied 3 ist in diesem Fall mit einer als Gewinde 19 ausgebildeten Förderkontur 8 versehen. Das Gewinde 19 ist als ein sechsgängiges Gewinde mit den Gängen g1 bis g6 versehen. Das sechsgängige Gewinde ist ein Beispiel eines mehrgängigen Gewindes 25. Auch die Gangzahlen 2, 3, 4, 5, 10, 15, 17, 20 und 25 zeigen, ohne dargestellt zu sein, je nach verwendetem magnetorheologischem Medium oder dergleichen eine besonders gute Eignung zum Übertragen eines Drehmoments durch die Kupplung 1.
Durch Vorsehen des mehrgängigen Gewindes 25 können verschiedne Effekte erreicht werden. Zum Einen kann erreicht werden, dass bei gleicher Gangbreite eine höhere Steigung und damit ein schnelleres Schließen der Kupplung erreicht werden. Zum Anderen kann bei gleicher Steigung eine deutlich gesteigerte Anzahl an Konturflanken, wie Gewindeflanken 24 oder Spiralflanken, erreicht bzw. vorgesehen werden. Hierdurch wird die in axialer Richtung auf die Förderkontur 8 übertragbare Kraft zum Komprimieren nochmals deutlich gesteigert.
Ein erstes Kupplungsglied 3 gemäß einer vierten Variante der Erfindung nach 9 ist mit einer als Gewinde 19 ausgestalteten Förderkontur 8 versehen. Vorliegend ist das Gewinde 19 ein Gewinde 26 mit zunehmender Gewindesteigung 20. Die Gewindesteigung 20 des Gewindes 26 mit zunehmender Gewindesteigung 20 nimmt in einer Förderrichtung zu einem Kompressionsraum 23 hin zu. Somit kann eine besonders hohe Kompression der Partikel 21 und/oder der Partikelketten 22 im Kompressionsraum 23 erreicht werden.
Eine fünfte Variante der Erfindung ist in der 10 dargestellt. Die als Gewinde 19 ausgebildete Förderkontur 8 hat einen Förderkonturgrund 27, vorliegend einen Gewindegrund 28. Der Förderkonturgrund 27 bzw. der Gewindegrund 28 hat einen Förderkonturgrunddurchmesser 29 bzw. einen Gewindegrunddurchmesser 30, der auch als Gewindefußdurchmesser bezeichnet wird. Vorliegend hat der Kompressionsraum 23 zwei Kompressionsraumabschnitte 31 und 32. Die beiden Kompressionsraumabschnitte 31 und 32 unterscheiden sich dadurch, dass der Kompressionsraumabschnitt 31 einen Innendurchmesser 33 hat, der größer als der Gewindegrunddurchmesser 30 ist, wohingegen der Kompressionsraumabschnitt 32 einen Innendurchmesser 34 hat, welcher geringer als der Gewindegrunddurchmesser 30 ist. Dadurch, dass der Innendurchmesser 34 des Kompressionsraumabschnitts 32 geringer als der Gewindegrunddurchmesser 30 ist, können in dem Kompressionsraumsabschnitt 32 höhere magnetische Flussdichten erzielt werden. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn eine Eisenstruktur 35 aus komprimierten Partikelketten 22 hinsichtlich der Festigkeit zum Drehmomentübertragen gesteigert werden soll. Um das gesteigerte Volumen des Kompressionsraums 23 dennoch mit hinreichender Schnelligkeit füllen zu können, bieten sich grundsätzlich größer ausgelegte Förderkonturen 8, etwa ein Gewinde 26 mit zunehmender Gewindesteigung 20 oder ein mehrgängiges Gewinde 25 an.
Die 11 zeigt eine Kupplung 1 gemäß einer sechsten Variante der Erfindung, und zwar in einer entlang der Rotationsachse X geschnittenen Darstellung. Bei der sechsten Variante ist der Förderkonturbereich 6 des ersten Kupplungsgliedes 3 mit einer als Gewinde 19 gebildeten Förderkontur 8 versehen. Das erste Kupplungsglied 3 wird durch einen zylindrischen Grundkörper 36 gebildet, und das Gewinde 19 wird durch an den Grundkörper 36 unter Vorhalt der Gewindesteigung 20 gefügte Blechstanzteile 37 hergestellt. Wie insbesondere aus der 12a gut zu erkennen ist, ist das aus den Blechstanzteilen 37 und dem zylindrischen Grundkörper 36 gebildete erste Kupplungsglied 3 besonders einfach, vorzugsweise insbesondere werkzeugfrei, das heißt vorzugsweise mit bloßen Händen, zu montieren. In der 12b ist eine Draufsicht auf ein exemplarisches Blechstanzteil 37 gegeben.
Die 13 zeigt eine Kupplung 1 gemäß einer siebten Variante. Bei der siebten Variante hat das erste Kupplungsglied 3 an jeweils einer Seitenwand 17, nämlich der radial innen liegenden Seitenwand 17 und der radial außen liegenden Seitenwand 17, jeweils nur einen Förderkonturbereich 6, mit einer als Gewinde 19 ausgebildeten Förderkontur 8 und einem Kompressionsbereich 7, der als eine zylindermantelartige Fläche gebildet ist. Die jeweiligen Kompressionsräume 23 werden in der Axialrichtung an einer Seite durch das Gewinde 19 und an der anderen Seite durch den Isolierungskörper 13 begrenzt. Die siebte Variante hat also ebenfalls den Vorteil, dass Dichtungen 15 von den Kompressionsräumen 23 beabstandet sind.
Die 14 zeigt eine Kupplung 1 gemäß einer achten Variante der Erfindung. Bei der achten Variante sind das erste Kupplungsglied 3, das zweite Kupplungsglied 4 und die Kammern 14 jeweils scheibenringartig gebildet. Dabei ist eine von einem jeweiligen Spindelgrund 38 vorgegebene Förderkonturgrunddicke 39 der Fördergrunds 27 größer als eine durch den jeweiligen Kompressionsbereich 7 vorgegebene Kompressionsbereichsdicke 40. Dies führt dazu, dass eine Kammerförderkonturdicke 41 im Bereich der Förderkontur 8 geringer als eine Kompressionsraumdicke 42 des Kompressionsraums 23 ist. Die Förderkonturgrunddicke 39 ist eine Dicke des ersten Kupplungsglieds 3 im Förderkonturbereich 6., und die Kammerförderkonturdicke 41 ist eine Dicke der Kammer 23 im Bereich der Förderkontur 8. Die Kompressionsbereichsdicke 40 ist eine Dicke des ersten Kupplungsglieds 3 im Kompressionsbereich 7, und die Kompressionsraumdicke 42 ist eine Dicke der Kammer 23 im Bereich des Kompressionsraums 23. Es wird zwischen dem Kompressionsbereich 7, der ein Abschnitt eines Kupplungsgliedes 2 ist, und dem „Bereich des Kompressionsraums 23“, einen Gebiet innerhalb der Kupplung 1, unterschieden.
Wie bei der fünften Variante der Erfindung hat dies zur Folge, dass eine magnetische Flussdichte in dem Kompressionsraum 23 erhöht ist, um eine Festigkeit der Eisenstruktur 35 zum Übertragen einer Kraft und/oder eines Drehmoments zu erhöhen.
Die 15 zeigt eine Kupplung 1, wobei das erste Kupplungsglied 3 und das zweite Kupplungsglied 4, sowie die Kammern 14 scheibenringartig gebildet sind. Die Förderkonturgrunddicke 39 der als Spirale 9 gebildeten Förderkontur 8 ist kleiner als die Kompressionsbereichsdicke 40. Daraus folgt, dass die Kammerförderkonturdicke 41 größer als die Kompressionsraumdicke 42 ist. Dies hat vorteilhafterweise zur Folge, dass die Kompression im Kompressionsraum 23 schneller aufgebaut werden kann.
Eine Kupplung 1 gemäß einer zehnten Variante der Erfindung ist in der 16 gezeigt, wobei bei der zehnten Variante das erste Kupplungsglied 3, das zweite Kupplungsglied 4 und die Kammern 14 jeweils eine scheibenringartige Form aufweisen. Bei der zehnten Variante der Erfindung hat der Förderkonturbereich 6 des ersten Kupplungsglieds 3 die Förderkonturgrunddicke 39, welche die Kammerförderkonturdicke 41 letztlich bedingt. Im Bereich des Kompressionsraums 23 hat die Kupplung 1 vorliegend einen Kompressionsraumabschnitt 31 mit einer geringeren Kompressionsraumdicke 42 wegen der im Bereich des Kompressionsraumabschnitts 31 gegenüber der Förderkonturgrunddicke 39 erhöhten Kompressionsbereichsdicke 40. Ferner hat der Kompressionsraum 23 zwei Kompressionsraumabschnitte 32 mit einer Kompressionsraumdicke 42, die gleich der Kammerförderkonturdicke 41 ist, da dort die Kompressionsbereichsdicke 40 gleich der Förderkonturgrunddicke 39 ist. Das Volumen des Kompressionsraums 23 ist also in Summe geringer als das Volumen des Kompressionsraums 23 bei der in 1 gezeigten ersten Variante. In Folge dessen kann die Kompression bei der zehnten Variante rascher als bei der ersten Variante aufgebaut werden.
Bei der zehnten Variante ist das zweite Kupplungsglied 4 aus dem Werkstoff 43 mit einer hohen Permeabilität gebildet. Das erste Kupplungsglied 3 ist in den Förderkonturbereichen 6 und in den zu den Kompressionsraumabschnitten 32 benachbarten Kompressionsbereichen 7 aus dem Werkstoff 44 mit einer geringen Permeabilität gefertigt. Ferner ist das erste Kupplungsglied 3 in einem zu dem Kompressionsraumabschnitt 31 benachbarten Kompressionsbereich 7 aus dem Werkstoff 44 mit einer geringen Permeabilität gebildet. Die ersten Kupplungsglieder 3 gemäß der Varianten acht und neun sind jeweils aus dem Werkstoff mit einer geringen Permeabilität gebildet.
Das heißt, dass das durch die Spule 12 erzeugte Magnetfeld 78 bei den Varianten acht bis zehn je nach einem die Kammer 14 durchdringendem Weg aufgrund einer jeweils unterschiedlichen Reluktanz verschiedene Feldstärken zu Folge hat. Dabei wird unterschieden zwischen einem Weg 45 im Bereich des Kompressionsraums 23 bei der achten Variante, einem Weg 46 im Bereich des Kompressionsraums 23 bei der neunten Variante, einem Weg 47 im Bereich des Kompressionsraumsabschnitts 31 bei der zehnten Variante, und einem Weg 48 im Bereich der Förderkonturen 8 bei den Varianten 8 bis 10 und im Bereich der Kompressionsraumabschnitte 31 bei der zehnten Variante.
Für den folgenden Vergleich soll der Weg 48 bei den Varianten acht bis zehn gleich sein und als eine Bezugsgröße verstanden werden.
Die Permeabilität der beispielsweise als Eisenführung gestalteten zweiten Kupplungsglieder 4 und des Werkstoffs 43 im Bereich des Kompressionsraumsabschnitts 31 bei der zehnten Variante ist höher als eine Permeabilität der magnetorheologischen Flüssigkeit 18, welche wiederum höher als die Permeabilität der ersten Kupplungsglieder 3 bei den Varianten 8 und 9 und der Kompressionsbereiche 7 des ersten Kupplungsgliedes 3 gemäß der zehnten Variante ist, welche zu den Kompressionsraumabschnitten 32 benachbart sind, und der Förderkonturbereiche 6 des ersten Kupplungsgliedes 3 gemäß der zehnten Variante ist.
Daraus folgt, dass die Reluktanz, also der magnetische Widerstand, entlang des Weges 46 größer als die Reluktanz des Weges 48 ist.
Eine beispielhafte Konfiguration hat eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften: Der Werkstoff 43 bzw. das Material 43 kann ein Eisen oder ein Eisenbasiswerkstoff mit einer Permeabilität von zumindest 10000 sein, woraus eine entsprechend geringe Reluktanz von aus diesem Material gebildeter Abschnitte, Bereiche, Teile und/oder Geometrien folgt. Der Werkstoff 44 bzw. das Material 44 kann ein Aluminium oder ein Aluminiumbasiswerkstoff mit einer Permeabilität von beispielsweise ungefähr 1 sein, woraus eine entsprechend geringe Reluktanz von aus diesem Material gebildeter Abschnitte, Bereiche, Teile und/oder Geometrien folgt. Die Permeabilität des magnetorheologischen Mediums / der magnetorheologischen Flüssigkeit liegt üblicherweise zwischen diesen Werten, beispielsweise bei ungefähr 10, woraus eine entsprechende Reluktanz von mit dieser magnetorheologischen Flüssigkeit gefüllten Volumina, Kavitäten, Kammern und/oder Räumen folgt.
Dadurch, dass der Kompressionsbereich 7, welcher an den Kompressionsraumabschnitt 31 bei der zehnten Variante angrenzt, aus dem Werkstoff 43 mit hoher Permeabilität gebildet ist, tritt in diesem Bereich ferner ein später beschriebener sogenannter Quetschverstärkungseffekt auf.
Der Kompressionsbereich 7 aus dem Werkstoff 43 mit einer hohen Permeabilität bei der zehnten Variante ist ein Beispiel eines einstückig oder mehrstückig mit dem Kupplungsglied 2 hergestellten Abschnitts 79 aus dem Werkstoff 43 mit einer hohen Permeabilität.
Eine elfte Variante wird nun anhand der 17 und 19 erläutert, wobei das erste Kupplungsglied 3, das zweite Kupplungsglied 4 und die Kammern 14 jeweils in einer scheibenringartigen Form gebildet sind. Ferner ist die Förderkonturgrunddicke 39 gleich der Kompressionsbereichsdicke 40, so dass die Kammerförderkonturdicke 41 gleich der Kompressionsraumdicke 42 ist. Allerdings ist der Abschnitt 79 des ersten Kupplungsgliedes 3 im Bereich des Kompressionsbereichs 7 / Kompressionsraumes 23 aus dem Werkstoff 43 mit einer hohen Permeabilität gebildet, während der Rest des ersten Kupplungsgliedes 3 aus dem Werkstoff mit einer geringen Permeabilität gebildet ist. Dies hat wegen des „Quetschverstärkungseffekts“ („Squeeze-Strengthen“-Effektes) eine nochmals gesteigerte Kapazität zum Übertragen eines Drehmoments zur Folge.
Bei der zwölften Variante der Erfindung, welche in der 18 dargestellt ist, sind das erste Kupplungsglied 3, das zweite Kupplungsglied 4 und die zwei Kammern 14 scheibenringartig gebildet. Darüber hinaus sind an dem ersten Kupplungsglied 3 die als Spindel 9 ausgeformten Förderkonturen 8 nur radial innen vorhanden, und ist das erste Kupplungsglied 3 im Kompressionsbereich 7 im Wesentlichen aus dem Werkstoff mit hoher Permeabilität gebildet. Dies bedingt eine doppelte Verstärkung in der Kompression in den Kompressionsräumen 23, nämlich einerseits durch den Quetschverstärkungseffekt und andererseits durch die radial außen besonders stark wirkende Fliehkraft.
In der 20 ist ein erstes Kupplungsglied gemäß einer dreizehnten Variante dargestellt. Das erste Kupplungsglied 3 ist im Wesentlichen aus dem Werkstoff mit einer geringen Permeabilität gefertigt. Des Weiteren hat das erste Kupplungsglied 3 im Kompressionsbereich 7 eine Vielzahl an Aussparungen 49, welche als Durchbrüche 50 bzw. als Durchgriffe ausgeführt sind. Bei der dreizehnten Variante sind insgesamt 20% der Fläche des Kompressionsbereichs 7 ausgespart. Dies bewirkt eine Änderung des den Kompressionsraum 23 durchdringenden Magnetfelds 78, und zwar eine Verstärkung des Magnetfelds 78 im Kompressionsraum 23 bewirkend. Die Kompressionsräume 23 beiderseits des ersten Kupplungsglieds 3 sind also verbunden. Es wird dabei bevorzugt, wenn die Förderkonturbereiche 6 gegenüber der ersten Variante derart vergrößert sind, um die zum Füllen des vergrößerten Volumens der Kompressionsräume 23 benötigte Partikel 21 vorzuhalten.
Eine vierzehnte Variante der Erfindung ist in der 21 dargestellt. Das gezeigt erste Kupplungsglied 3 hat im Wesentlichen eine scheibenartige Form. Die Förderkonturen 8, welche als Spiralen 9 gebildet sind, sind jeweils eine mehrgängige Spirale 51. Die 21 zeigt eine besonders bevorzugte Variante mit 17 Gängen. Auch die Gangzahlen 2, 3, 4, 5, 6, 10, 15, 20 und 25 zeigen, ohne dargestellt zu sein, je nach verwendetem magnetorheologischem Medium oder dergleichen eine besonders gute Eignung zum Übertragen eines Drehmoments durch die Kupplung 1.
Bei der in der 22 gezeigten fünfzehnten Variante ist die Spule 12 nicht mit dem zweiten Kupplungsglied 4 verbunden, sondern ist diese von den Kupplungsgliedern 2 erstes Kupplungsglied 3 und zweites Kupplungsglied 4 getrennt. Dies ist besonders bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Kupplung 1 zum Kuppeln zweier rotierbarer Wellen (nicht gezeigt) von Vorteil, um eine Drehdurchführung, Schleifringe oder einen Induktionsübertrager, welche einem Verschleiß unterliegen können, zur Versorgung der Spule 12 zum Senken der Kosten und zum Erhöhen der Lebensdauer der Kupplung 1 zu vermeiden. Ferner ist in der 22 ein Anschlussabschnitt 52 des zweiten Kupplungsglieds 4 zum Verbinden des zweiten Kupplungsglieds 4 mit einer Welle (nicht dargestellt) gezeigt. Der Anschlussabschnitt 52 ist von der Funktion her mit dem Anschlussabschnitt 5 des ersten Kupplungsglieds 3 vergleichbar.
Bei der fünfzehnten Variante werden die Kammern 14 radial außen durch den Isolierungskörper 13, welcher drehfest mit dem zweiten Kupplungsglied 4 verbunden ist, geschlossen. Daher wird bei der fünfzehnten Variante verhindert, dass eine Dichtung 15 mit unter Druck stehender magnetorheologischer Flüssigkeit 18 in Kontakt gelangt, um die Lebensdauer der Kupplung 1 gemäß dieser Variante nochmals deutlich zu erhöhen.
Eine Kupplung 1 einer sechzehnten Variante der Erfindung, welche in 23 dargestellt ist, ist als eine Mehrscheibenkupplung 53 mit einer Parallelschaltung der durch zwei Spulen 12 erzeugten Magnetfelder 78 ausgeführt. Das erste Kupplungsglied hat dabei mehrere Scheiben 56, welche vorliegend jeweils zwei Förderkonturbereiche 6 und einen Kompressionsbereich 7 haben Die Scheiben 56 können einstückig oder mehrstückig miteinander zum Ausbilden des ersten Kupplungsgliedes 3 verbunden sein. Die Anzahl an Scheiben 56 ist grundsätzlich nicht beschränkt, und diese soll im Sinne eines Kompromisses zwischen beispielsweise bauraumlichen Anforderungen, Systemgewichtsanforderungen und/oder Kostenanforderungen gewählt werden.
Eine Kupplung 1 gemäß einer siebzehnten Variante, welche in der 24 dargestellt ist, hat eine Kammer 14 an nur einer Seitenwand 17 des ersten Kupplungsgliedes 3. Darüber hinaus umgibt das zweite Kupplungsglied 4 nicht das erste Kupplungsglied 3, sondern die Kammer 14 ist sowohl radial innen wie auch radial außen mit jeweils einer Dichtung 15 abgedichtet, abgeschlossen oder begrenzt. Die Spule 12 ist von den Kupplungsgliedern 2 entkoppelt. Die Kupplung 1 gemäß der fünfzehnten Variante eignet sich besonders für niederdrehzahlige Anwendungen. Bei der Spule 12 handelt es sich hierbei bevorzugt um eine feststehende Spule 12 mit den voranstehend erwähnten Vorteilen bei der Energieversorgung derselben.
Die 25 zeigt eine achtzehnte Variante mit als Spirale 9 gebildeter Förderkontur 8. Die Spirale 9 ist in einer zu der sechsten Variante vergleichbaren Weise aus einem scheibenringförmigen Grundkörper 54 mit spiralfederförmigen Blechstanzteilen 55 zum Bilden der Spirale 9 verbunden. Das spiralfederförmige Blechstanzteil 55 ist vorzugsweise aus dem Werkstoff mit einer geringen Permeabilität hergestellt.
Die 26 zeigt eine als Mehrscheibenkupplung 53 ausgeführte Kupplung gemäß einer neunzehnten Variante der Erfindung. Im Vergleich zur sechzehnten Variante aus 23 sind die Schieben 56, welche auf einer gemeinsamen Nabe 57 angeordnet sind, und zusammen das erste Kupplungsglied 3 bilden, nicht nur aus dem Werkstoff mit geringer Permeabilität gebildet, sondern in den Kompressionsbereichen 7, welche zu den Kompressionsräumen 23 benachbart sind, weisen die Scheiben 56 jeweils einen Abschnitt 79 aus dem Werkstoff mit hoher Permeabilität auf. Dies führt wegen des im Folgenden beschriebenen Quetschverstärkungseffekts nochmals zu einem deutlich erhöhten übertragbaren Drehmoment.
Eine zwanzigste Variante der Erfindung wird nun anhand der 27 geschildert. Dabei verfügt die erfindungsgemäße Kupplung 1 über drei Kupplungsglieder 2, nämlich das erste Kupplungsglied 3, das zweite Kupplungsglied 4 und ein drittes Kupplungsglied 58. Die Kammern 14, welche eine hohlzylindrische Form haben, werden durch das erste Kupplungsglied 3 und das zweite Kupplungsglied 4, welche jeweils ebenfalls eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form haben, definiert, gebildet oder begrenzt. Das zweite Kupplungsglied 4 ist dreigeteilt und umfasst eine radial außen liegende Hülse 59, eine radial innen liegende Hülse 60 und, diese dicht und drehfest verbindend, den Isolierungskörper 13. Dabei ist das erste Kupplungsglied 3 mit dem Anschlussabschnitt 5 versehen, um drehfest mit einer ersten Welle (nicht gezeigt) verbunden zu werden. Das dritte Kupplungsglied 58 ist mit einem Anschlussabschnitt 61 versehen, um mit einer zweiten Welle (nicht dargestellt) oder mit einem Gehäuse (nicht dargestellt) verbunden zu werden.
Die Kupplung 1 gemäß der zwanzigsten Variante hat den Vorteil, dass sogar die geringen Strömungsverluste der magnetorheologischen Flüssigkeit 18, welche durch die Förderkonturen 8 während eines Nicht-Anliegens des Magnetfelds 78, also bei geöffneter Kupplung 1, durchmischt wird, sich nicht als Schleppmoment auf die Energieeffizienz der Kupplung 1 auswirken. Die Kupplung 1 ist daher für besonders kraftstoffsparende Anwendungsszenarien vorsehbar.
Das zweite Kupplungsglied 4 und das dritte Kupplungsglied 58 habe jeweils zumindest eine Kupplungsgliedverbindungseinrichtung 62. Die Kupplungsgliedverbindungseinrichtungen 62 sind zum Übertragen eines Drehmoments zwischen diesen beiden Kupplungsgliedern 2 vorbereitet und angeordnet. Insbesondere können die Kupplungsgliedverbindungseinrichtungen 62 zum kraftschlüssigen, etwa reibschlüssigen, oder formschlüssigen, etwa verzahnungsformschlüssigen, Übertragen eines Drehmoments vorbereitet sein.
Die radial äußerer Hülse 59 und die radial innere Hülse 60 sind jeweils aus dem Werkstoff 43 mit einer hohen Permeabilität gefertigt. Das dritte Kupplungsglied 58 ist axial verlagerbar. Da die Spule 12 fest mit dem dritten Kupplungsglied 58 verbunden ist, wirkt bei einem Einschalten der Spule 12 eine magnetische Anziehungskraft zwischen dem dritten Kupplungsglied 58 und den Hülsen 59 und 60. Diese magnetische Anziehungskraft bewirkt eine Verlagerung des dritten Kupplungsgliedes 58 hin zu dem zweiten Kupplungsglied 4, um die Kupplungsgliedverbindungseinrichtungen 62 miteinander in einen Eingriff oder eine Drehmoment übertragende Wirkbeziehung zu bringen. Ein externer Aktor zum axialen Verlagern des dritten Kupplungsglieds 58 ist also nicht notwendig.
Zum Trennen der Kupplungsgliedverbindungseinrichtungen 62 zum Nicht-Übertagen eines Drehmoments zwischen den Kupplungsgliedern 2 zweites Kupplungsglied 4 und drittes Kupplungsglied 58 kann das dritte Kupplungsglied 58 beispielsweise mittels einer Feder (nicht dargestellt) zum Beenden des Eingriffs oder der ein Drehmoment übertragenden Wirkbeziehung zwischen den Kupplungsgliedverbindungseinrichtungen 62 versehen sein.
Eine einundzwanzigste Variante wird nachfolgend anhand der 28 beschrieben. Bei dieser erfindungsgemäßen Kupplung 1 sind das erste Kupplungsglied 3 und die Kammern 14 scheibenringartig gebildet. Das zweite Kupplungsglied 4 wird durch zwei Kupplungsgliedplatten 63 gebildet, welche die jeweilige Kammer 14 axial begrenzen bzw. definieren. Radial außen an die Kammern 14 schließt sich der Isolierungskörper 13 an, und radial außen des Isolierungskörpers 13 ist ein Plattenverbindungsbauteil 64 angeordnet, welches die Kupplungsgliedplatten 63 fest, das heißt in diesem Fall drehfest und axialfest, miteinander verbindet bzw. koppelt. Das Plattenverbindungsbauteil 64 sowie der Isolierungskörper 13 sind aus einem Werkstoff mit einer geringen Permeabilität hergestellt. Die Kupplungsgliedplatten 63 sind aus einem Werkstoff 43 mit einer hohen Permeabilität gefertigt. Die Spule 12 ist in dem dritten Kupplungsglied 58 ebenfalls fest gelagert. Das Kupplungsglied 58 und die Kupplungsgliedplatten 63 des zweiten Kupplungsgliedes 4 weisen jeweils die Kupplungsgliedverbindungseinrichtungen 62 auf. Zum Kuppeln des zweiten Kupplungsgliedes 4 mit dem dritten Kupplungsglied 58, zum Entkuppeln oder Entkoppeln derselben und zu den erreichbaren technischen Effekten und den Vorteilen daraus wird auf die zwanzigste Variante der Erfindung verwiesen.
Es wird also, mit anderen Worten, bei der zwanzigsten und der einundzwanzigsten Variante vorgeschlagen, einen Antrieb und einen Abtrieb mechanisch zu trennen, wobei die mechanische Trennung mittels einer magnetischen Kupplung 65 erfolgt. Die magnetische Kupplung 65, die auch als eine magnetische Vorkupplung bezeichnet wird, umfasst beispielsweise die Kupplungsgliedverbindungseinrichtungen 62, die Spule 12, sowie die axiale Verlagerbarkeit des dritten Kupplungsgliedes 58.
Wenn nun ein Strom auf die Spule 12 aufgebracht wird, schließt sich zuerst die magnetische Kupplung 65, was auch als ein Greifen einer durch die Hülsen 59, 60 oder durch die Kupplungsgliedplatten 63 gebildeten sogenannten Eisenführung und der durch das dritte Kupplungsglied 58 gebildeten Eisenführung bezeichnet sein kann. Nach dem Schließen der magnetischen Kupplung 65 wird dann in den Kammern 14 entsprechend der zu den 5a bis 7 gegebenen Beschreibung das durch die Kupplung 1 zu übertragende Drehmoment aufbaut, während bei geöffneter magnetischer Kupplung 65 Verluste, insbesondere Schleppmomente, vermieden werden.
Die 29 zeigt eine zweiundzwanzigste Variante der erfindungsgemäßen Kupplung 1, wobei die Führungskonturen 8 nicht an dem ersten Kupplungsglied 3, sondern an dem zweiten Kupplungsglied 4 ausgebildet sind. Das erste Kupplungsglied 3, das zweite Kupplungsglied 4, sowie die Kammern 14 weisen jeweils eine scheibenringartige Form auf. Die Führungskonturen 8 sind jeweils als Spiralen 9 ausgebildet.
Auch bei feststehendem zweitem Kupplungsglied 4 kann durch eine Drehung des ersten Kupplungsgliedes 3 wegen einer Flüssigkeitsreibung zwischen den Seitenwänden 17 und der magnetorheologischen Flüssigkeit 18 eine Vermischung oder Durchmischung der magnetorheologischen Flüssigkeit 18 zum Abbau einer Kompression in den Kompressionsräumen 23 erreicht werden.
Gemäß einer dreiundzwanzigsten, nicht figürlich dargestellten Variante der Erfindung ist als erfindungsgemäßer Magnet anstelle der Spule 12 ein Permanentmagnet angeordnet. Eine solche erfindungsgemäße Kupplung 1 kann beispielsweise bevorzugt als Sicherungskupplung verwandt werden. Eine solche Kupplung 1 kann aus einem Stillstand der Kupplungsglieder 2 heraus ein Drehmoment erst mit einem gewissen zeitlichen Versatz, nämlich nach Aufbau der Kompression in den jeweiligen Kompressionsräumen 23 übertragen, so dass beispielsweise ein Antrieb einer Maschine bei Anlaufen derselben von einem Abtrieb der Maschine getrennt sein kann.
Eine weitere Anwendung einer Sicherheitskupplung stellt die Verwendung der Kupplung 1 mit Permanentmagnet als Rutschkupplung dar, indem das durch die Kompression erreichbare maximale Drehmoment als ein Rutschgrenzdrehmoment dimensioniert wird.
Anhand der 30a bis 30g wird im Folgenden der sogenannte Quetschungsverstärkungseffekt näher beschrieben, welcher auch als „Squeeze-strenghten-Effekt“ bezeichnet werden kann. Den „Squeeze-strengthen-Effekt“ kann man zusätzlich zu einer herkömmlichen Kompressionswirkung erreichen, wenn das von magnetrheologischer Flüssigkeit umgebene Kupplungsglied magnetisch oder wenigstens magnetisierbar ausgestaltet ist. Andernfalls, wenn das Kupplungsglied nicht-magnetisch ausgestaltet ist, fehlt dieser „Squeeze-strengthen-Effekt“ und es kann nur herkömmliche Kompression genutzt werden. Bei Ausnutzen des „Squeeze-strengthen-Effekts“ kommt bevorzugt eine Kombination aus einer Kompression und einer magnetischen Scherung zum Tragen.
Dabei zeigen die 30a und 30b eine feststehende Wanne 66, welche mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit 67 gefüllt ist. Wird unter Einwirkung eines Magnetfelds 68 nun ein Stempel 69 unter Wirkung einer Druckkraft 70 und eines Drehmoments 71 in die magnetorheologische Flüssigkeit 67 gedrückt bzw. eingeführt, kommt es zu einer weiteren Kompression der Partikelketten 72 dadurch, dass ein Trägermaterial, etwa eine Trägerflüssigkeit, der magnetorheologischen Flüssigkeit 67 aus einem Wirkungsbereich 73 des Stempels 69 heraus verdrängt wird. Zur Verdeutlichung dieser Verdrängung ist in den 30a bis 30b ein Anfangspegel 74 der magnetorheologischen Flüssigkeit 67 angezeigt.
Dabei zeigen die 30e bis 30g die Kompression der Partikelketten 72 bei verschiedenen Druckkräften 70. Ferner zeigt die 30c in einem Schubspannungs-Druckkraft-Diagramm diesen Verstärkungseffekt. An der Abszisse der 30c ist die Druckkraft 70, die hierbei als Druckkraft Fd bezeichnet ist, angetragen, während entlang der Ordinate die Schubspannung τ angetragen ist. Aus einem Drehmoment-Zeit-Diagramm der 30d wird der Unterschied zwischen einem Magnetfeld 75 ohne Kompression und einem Magnetfeld 76 mit Kompression nochmals verdeutlicht.
Mit anderen Worten beschrieben, der Quetschungsverstärkungseffekt der magnetorheologischen Flüssigkeit bedeutet eine deutliche Scherspannungserhöhung der zwischen zwei magnetischen Flächen komprimierten Partikelketten 72 bzw. Eisenketten.
Der Quetschungsverstärkungseffekt bewirkt erstens eine Verbesserung der maximalen Scherspannung τ der magnetorheologischen Flüssigkeit 67 um aktuell bis zu einem Faktor 50, und zweitens ist diese Kompressionswirkung vorteilhafterweise reversibel.
Schlaglichtartig kann die vorgestellte erfindungsgemäße Kupplung 1 mit den folgenden Stichworten beschrieben werden: Sie ist eine selbstverstärkende Visko-Kupplung, sie ist eine Visko-Kupplung mit Einsatz eines magnetorheologischen Mediums. Insbesondere stellt die erfindungsgemäße Kupplung 1 eine Kombination eines magnetorheologischen Mediums mit einer Förderkontur 8, wie einer Spirale 9 oder einem Gewinde 19, in einer Anwendung zum Kuppeln und/oder Bremsen zumindest eines rotatorisch angetriebenen Körpers dar. Das magnetorheologische Medium, genauer gesagt eine feste Phase des magnetorheologischen Mediums, wird durch einen durch die Förderkontur 8 gebildeten Fördermechanismus, welcher auf die Partikel 21 und/oder Partikelketten 22 wirkt, unter Einwirkung eines Magnetfelds komprimiert. Die erfindungsgemäße Kupplung 1 benötigt keine externe mechanische Betätigung. Die erfindungsgemäße Kupplung 1 ist auch wegen der Nutzung der Antriebsenergie zur Betätigung besonders effizient.
Die vorgestellte Kupplung 1 nutzt wie beschrieben die Kompression der MRF in festem Zustand. Die Kompression kann mit dem Fördermechanismus sichergestellt werden, um dadurch die Reibkraft zwischen den Kupplungsgliedern zu erhöhen. Eine symmetrische Förderwirkung durch unterschiedliche Gewindewicklungsrichtungen, Spiralwicklungsrichtungen oder dergleichen erlaubt, die Kompressionskräfte auszugleichen.
Eine Kupplung 1 gemäß einer dreiundzwanzigsten Variante, welche in der 31 dargestellt ist und im Wesentlichen wie die Variante aus 24 aufgebaut ist, hat wiederum eine Kammer 14 an nur einer Seitenwand 17 des ersten Kupplungsgliedes 3. Darüber hinaus umgibt das zweite Kupplungsglied 4 nicht das erste Kupplungsglied 3, sondern die Kammer 14 ist wieder sowohl radial innen wie auch radial außen mit jeweils einer Dichtung 15 abgedichtet / abgeschlossen / begrenzt. Die Spule 12 ist von den Kupplungsgliedern 2 entkoppelt. Bei der Spule 12 handelt es sich hierbei bevorzugt um eine feststehende Spule 12 mit den voranstehend erwähnten Vorteilen bei der Energieversorgung derselben. Zudem weist der Kompressionsbereich 7 wiederum einen Werkstoff hoher Permeabilität 43 auf.
Ähnlich weist auch die radial geschachtelte Anordnung nach 32 einen solchen Kompressionsbereich 7 aus einem Werkstoff hoher Permeabilität 43 auf. Die Variante nach 32 zeigt ähnlich wie die Variante aus 11 eine Kupplung 1 in einer entlang der Rotationsachse X geschnittenen Darstellung. Bei der vierundzwanzigsten Variante ist der Förderkonturbereich 6 des ersten Kupplungsgliedes 3 mit einer als Gewinde 19 gebildeten Förderkontur 8 versehen. Das erste Kupplungsglied 3 wird durch einen zylindrischen Grundkörper 36 gebildet.
Die 33 zeigt eine Kupplung 1 gemäß einer fünfundzwanzigsten Variante. Dabei hat das erste Kupplungsglied 3 an jeweils einer Seitenwand 17, nämlich der radial innen liegenden Seitenwand 17 und der radial außen liegenden Seitenwand 17, jeweils nur einen Förderkonturbereich 6, mit einer als Gewinde 19 ausgebildeten Förderkontur 8 und einem Kompressionsbereich 7, der als eine zylindermantelartige Fläche gebildet ist. Die jeweiligen Kompressionsräume 23 werden in der Axialrichtung an einer Seite durch das Gewinde 19 und an der anderen Seite durch den Isolierungskörper 13 begrenzt. Die fünfundzwanzigsten ist im Wesentlichen wie die siebte Variante ausgebildet und hat ebenfalls den Vorteil, dass Dichtungen 15 von den Kompressionsräumen 23 beabstandet sind. Wiederum besteht der Kompressionsbereich 7 aus einem Werkstoff hoher Permeabilität 43.
In anderen Worten ausgedrückt, nutzt die erfinderische Lösung das Prinzip des „Squeeze-Strengthen“-Effektes, um die gescherte MRF in dem Kupplungsspalt einer MRF Kupplung zu komprimieren und dadurch die Scherspannung bzw. die Momentkapazität um Größenordnung zu erhöhen. Der Antrieb bzw. die Kupplungsscheibe bzw. die Kupplungshülse weist in der Mitte eine magnetische Scheibe bzw. Hülse auf („Kupplungszone“ genannt), die zwischen zwei „Förderzonen“ liegt. Um den Fördermechanismus sicherzustellen sollen die Förderzonen nicht magnetisch oder nur gering magnetisch sein, um zu vermeiden, dass die Partikel sich mit dem Antrieb drehen (Die sollen nur am Abtrieb magnetisch fest gehalten werden, wobei es sonst keinen Drehzahlunterschied und keine Förderwirkung gibt).
In einem erfindungsgemäßen (ersten) Betriebszustand wirkt die Förderkontur 8 derart auf die magnetorheologische Flüssigkeit (MRF), dass die Momentkapazität der MRF-Kupplungszone / des Kompressionsraums 23 nicht reicht, um den Abtrieb direkt anzutreiben. In diesem Fall wird der Abtrieb stehen bleiben, so dass die Förderzonen jetzt aktiv werden und die Partikelketten in die Kupplungszone / den Kompressionsraum 23 transportieren / fördern. Dadurch wird eine Kompression der MRF in der Kupplungszone 23 erreicht, die die Momentkapazität durch den „Squeeze-Strengthen“-Effekt erhöht. In einem weiteren (zweiten) Betriebszustand wirkt die Förderkontur 8 derart auf die magnetorheologische Flüssigkeit (MRF), dass die Momentkapazität der MRF-Kupplungszone 23 ausreicht, um den Abtrieb anzutreiben. Beide Elemente werden dadurch gekoppelt (wie in einer Standard MRF Kupplung). Die MRF bleibt in dem Magnetfeld homogen.
Bezugszeichenliste

1: Kupplung
2: Kupplungsglied
3: erstes Kupplungsglied
4: zweites Kupplungsglied
5: Anschlussabschnitt
6: Förderkonturbereich
7: Kompressionsbereich
8: Förderkontur
9: Spirale
10: Spiralensteigung
11: Förderkontursteigung
12: Spule
13: Isolierungskörper
14: Kammer
15: Dichtung
16: Innenwand
17: Seitenwand
18: magnetorheologische Flüssigkeit
19: Gewinde
20: Gewindesteigung
21: Partikel
22: Partikelketten
23: Kompressionsraum
24: Gewindeflanke
25: mehrgängiges Gewinde
26: Gewinde mit zunehmender Steigung
27: Förderkonturgrund
28: Gewindegrund
29: Förderkonturgrunddurchmesser
30: Gewindegrunddurchmesser
31: Kompressionsraumabschnitt
32: Kompressionsraumabschnitt
33: Innendurchmesser
34: Innendurchmesser
35: Eisenstruktur
36: zylindrischer Grundkörper
37: Blechstanzteil
38: Spindelgrund
39: Förderkonturgrunddicke
40: Kompressionsbereichsdicke
41: Kammerförderkonturdicke
42: Kompressionsraumdicke
43: Werkstoff mit einer hohen Permeabilität
44: Werkstoff mit einer geringen Permeabilität
45: Weg
46: Weg
47: Weg
48: Weg
49: Aussparung
50: Durchbruch
51: mehrgängige Spirale
52: Anschlussabschnitt
53: Mehrscheibenkupplung
54: scheibenringförmiger Grundkörper
55: spiralfederförmiges Blechstanzteil
56: Scheibe
57: Nabe
58: drittes Kupplungsglied
59: radial äußere Hülse
60: radial innere Hülse
61: Anschlussabschnitt
62: Kupplungsgliedverbindungseinrichtung
63: Kupplungsgliedplatte
64: Hülsenverbindungsbauteil
65: magnetische Kupplung
66: Wanne
67: magnetorheologische Flüssigkeit
68: Magnetfeld
69: Stempel
70: Druckkraft
71: Drehmoment
72: Partikelkette
73: Wirkungsbereich des Stempels
74: Anfangspegel
75: Magnetfeld ohne Kompression
76: Magnetfeld mit Kompression
77: Förderrichtung
78: Magnetfeld
79: Abschnitt aus einem Werkstoff mit einer hohen Permeabilität
t: Zeit
t0: Zeitpunkt
t1: Zeitpunkt
t2: Phase
t3: Phase
t4: Zeitpunkt
t5: Zeitpunkt
t6: Phase
t7: Zeitpunkt
t8: Zeitpunkt
t9: Zeitpunkt
g1: Gang
g2: Gang
g3: Gang
g4: Gang
g5: Gang
g6: Gang
l_max: radiale Dicke der Reibfläche
Fd: Druckkraft
M: Drehmoment
M_{max stat}: maximal übertragbares Drehmoment
R_i: Innenradius der Reibfläche
X: Rotationsachse
τ: Schubmodul bzw. -spannung
π: Kreiszahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0026033 A1 [0005, 0006]
US 2009/0205917 A1 [0005, 0007]
US 2008/0135367 A1 [0005, 0008]
US 2008/0236979 A1 [0005]
US 2005/0252744 A1 [0005, 0010]
WO 2004/018889 [0005, 0011]
US 2008/0236976 A1 [0009]
DE 19737766 A1 [0013, 0014]

Claims

Kupplung (1) für ein Kraftfahrzeug oder eine Industrieanwendung, mit zumindest zwei konzentrisch zu einer Rotationsachse (X) angeordneten Kupplungsgliedern (2), die zusammen eine mit einem magnetorheologischen Medium (18) befüllte und die Rotationsachse (X) umgebende Kammer (14) definieren, wobei zumindest eines der Kupplungsglieder (2) rotatorisch um die Rotationsachse (X) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kupplungsglieder (2) innerhalb der Kammer (14) mit einer an einen Kompressionsraum (23) der Kammer (14) anschließenden Förderkontur (8) versehen ist, welche Förderkontur (8) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass sie in zumindest einem Betriebszustand zum Übertragen eines Drehmoments zwischen den Kupplungsgliedern (2) eine Grenzscherspannung eines sich in dem Kompressionsraum (23) befindlichen, komprimierten Anteils an einer sich unter Einfluss eines Magnetfelds (78) bildenden festen Phase des magnetorheologischen Mediums (18) erhöht.
Kupplung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderkontur (8) teilweise oder vollständig aus einem Werkstoff (43) mit einer hohen Permeabilität aufgebaut ist, etwa einem Eisenwerkstoff, und/oder die Förderkontur (8) in dem zumindest einen Betriebszustand derart auf die feste Phase des magnetorheologischen Mediums (18) einwirkt, dass der in dem Kompressionsraum (23) befindliche Anteil des magnetorheologischen Mediums (18) einen höheren Massenanteil an magnetischen Partikeln (21) aufweist als ein im Bereich (6) der Förderkontur (8) befindlicher Anteil des magnetorheologischen Mediums (18).
Kupplung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (14) eine zylindrische oder hohlzylindrische Form um die Rotationsachse (X) herum aufweist, wobei sich die Kupplungsglieder (2) zum Bilden der Kammer (14) axial überlappen, oder dass die Kammer (14) eine scheibenartige oder scheibenringartige Form aufweist, wobei sich die Kupplungsglieder (2) zum Bilden der Kammer (14) radial überlappen.
Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsraum (23) durch einen sich an die Förderkontur (8) anschließenden und förderkonturlosen Kompressionsbereich (7) des mit der Förderkontur (8) versehenen Kupplungsgliedes (2) gebildet ist.
Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe oder Dicke (42) der Kammer (14) im Kompressionsraum (23) zumindest abschnittsweise näherungsweise gleich wie oder größer als oder kleiner als eine Höhe oder Dicke (41) der Kammer (14) im Bereich der Förderkontur (8), bezogen auf einen Förderkonturgrund (27), ist.
Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Förderkontur (8) versehene Kupplungsglied (2) eine zu einer ersten Förderkontur (8) gegengleiche zweite Förderkontur (8) aufweist, wobei der Kompressionsraum (23) sich in Förderungsrichtung (77) befindet.
Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kupplungsglieder (2) im Bereich des Kompressionsraums (23) durchbrochen ist.
Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungsglied (2) im Bereich des Kompressionsraumes (23) einstückig oder mehrstückig mit einem Abschnitt (79) aus einem Werkstoff (43) mit einer hohen Permeabilität gebildet ist.
Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Förderkontur (8) eine konstante Steigung (11) oder eine zu dem Kompressionsraum (23) hin zunehmende oder abnehmende Steigung (11) aufweist, und/oder dass die Förderkontur (8) eingängig oder mehrgängig (25) ist, und/oder dass die Förderkontur (8) zumindest abschnittsweise eine Kombination daraus aufweist.
Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kupplungsglieder (2) drehfest mit einem Magneten (12) zum Erzeugen eines die Kammer (14) durchdringenden Magnetfelds verbunden ist, oder dass die Kupplungsglieder (2) zumindest zeitweise von dem Magneten (12) zum Erzeugen des die Kammer (14) durchdringenden Magnetfelds entkoppelt sind.