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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten translatorischen oder rotatorischen Bewegung unter Ausnutzung der magnetfeldabhängigen Eigenschaften eines magnetorheologischen Materials (MRM).
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Es ist bekannt, dass Vibrationen periodische, meist mittel- bis höherfrequente und niederamplitudige Schwingungen von Stoffen und Körpern sind, die entweder selbst elastisch sind oder aus elastisch verbundenen Einzelteilen oder Bausteinen bestehen. Dabei sind Schwingungen Vorgänge, bei denen ein Wechsel zwischen kinetischer und potentieller Energie periodisch mit doppelter Schwingungsfrequenz stattfindet.
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In technischen Anwendungen sind Vibrationen meist ungewollte, jedoch nicht vollständig vermeidbare Nebeneffekte. Allerdings kann die in einem vibrierenden Stoff oder Körper vorhandene Energie für technische Systeme nutzbar gemacht werden. Beispielhaft sei hier das sogenannte „Energy Harvesting“ (Energy Harvesting Technologies, S. Priya et al., New York, 2009) genannt, bei dem kleine Energiemengen aus Vibrationen, Umgebungstemperatur oder Luftströmungen gewonnen und in mobilen Geräten mit geringem Leistungsbedarf genutzt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind Antriebssysteme bekannt, die mit Hilfe elektrischer Energie Schwingungen generieren und diese anschließend zur Erzeugung einer linearen oder rotatorischen Bewegung nutzen. Eine Auswahl derartiger Systeme wird von H. Janocha in „Actuators - Basics and Applications“ (Springer-Verlag, Berlin, 2004) beschrieben. Bei diesen Antrieben wird mit Hilfe magnetostriktiver, piezoelektrischer, elektrostatischer oder magnetischer Wandler ein Oszillator zu Schwingungen angeregt und ein Läufer oder Rotor durch die periodische Interaktion mit dem Oszillator angetrieben. Hierbei wird zur Kraftübertragung überwiegend äußere Reibung genutzt. Derartige Aktoren werden im Stand der Technik unter anderem als Trägheitsmotoren, Inchworm-Motoren oder Schreitmotoren beschrieben.
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Die Trägheitsmotoren nutzen die Trägheit einer Masse 1 aus, um die Haftreibung einer Masse 2 zu überwinden und somit eine Bewegung in Antriebsrichtung zu bewirken. Mit einer zweiten langsamen Bewegung der Masse 1 stellt das System die Ausgangslage wieder her. Durch die periodische Wiederholung dieses Vorgangs kann eine Linearbewegung realisiert werden. Die Aktuierung der Masse 1 erfolgt hierbei piezoelektrisch.
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Inchworm- und Schreitmotoren nutzen in spezieller Anordnung Piezoaktoren derart, dass ein Festkörperreibkontakt periodisch hergestellt und getrennt wird. Ist der Kontakt geschlossen übertragen die Aktoren eine Linearbewegung auf den Läufer.
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Zur Erzeugung einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung mit gleichbleibender Richtung basierend auf einem vibrierenden Oszillator können ebenfalls anisotrope Reibungseigenschaften genutzt werden. Bei derartigen Antriebssystemen wird ein Oszillator mit elektrischer Energie zu Schwingungen anregt, mit denen mittels äußerer, meist anisotroper Reibung eine fortlaufende Bewegung eines Antriebselements erzeugt wird. Wirkelemente zur Realisierung einer solchen Anisotropie sind beispielsweise Schuppen, Borsten und geneigte Härchen, die einen Formschluss mit einer rauen Oberfläche herstellen.
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So wird beispielsweise in der
US 4,548,090 ein vibrationsgetriebener Ultraschallmotor beschrieben, welcher Schwingungen im Ultraschallbereich sowie anisotrope Reibung zur Erzeugung einer kontinuierlichen translatorischen oder rotatorischen Bewegung ausnutzt. Der anisotrope Reibungseffekt wird hierbei durch mehrere plattenförmige nachgiebige Körper realisiert. Ähnliche Umsetzungen für rotatorische und lineare Antriebe sowie für autonome Robotersysteme sind aus der
US 5,770,913 bekannt. Hier werden Schwingungen magnetostriktiv, piezoelektrisch, elektromagnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder kraftstoffbetrieben erzeugt und gleichfalls mit Hilfe einer Reibfläche, vorzugsweise mit anisotropen Eigenschaften, in eine kontinuierliche Bewegung umgewandelt.
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Bei den in diesem Kontext bekannten Lösungen findet jedoch stets eine Relativbewegung der Reibflächen von Oszillator und Antriebselement zueinander statt, die wiederum hohe reibungsinduzierte Energieverluste und einen erhöhten Bauteil-Verschleiß bedingt.
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Daneben sind im Stand der Technik Antriebssysteme mit adaptiven Kupplungs- und Dämpfungselementen beschrieben, bei denen eine translatorische beziehungsweise rotatorische Bewegung mit Hilfe einer magnetorheologischen Flüssigkeit übertragen wird. Beispielhaft offenbart die
DE 10 2009 034 055.6 B4 ein drehmomentenbegrenztes Kupplungselement mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit. Dieses Kupplungselement realisiert in einem ersten Betriebsmodus eine formschlüssige Verbindung sowie in einem zweiten eine relative Lagerung zwischen An- und Abtriebsteil. Der Übergang zwischen den beiden Modi erfolgt in Abhängigkeit von einem Grenzdrehmoment und wird mithilfe der magnetfeldabhängigen Eigenschaften der magnetorheologischen Flüssigkeit geschaltet. Weiterhin ist aus der
US 8,193,670 B2 ein multifunktionaler Aktuator bekannt, welcher in den Betriebsmodi Motor, Generator, Bremse und Kupplung nutzbar ist. Das System ist in die Baugruppen Motor/Generator und Bremse/Kupplung aufgeteilt. Zur Realisierung der letzteren wird die magnetfeldabhängige Steuerbarkeit der Schubspannung einer magnetorheologischen Flüssigkeit genutzt.
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Schließlich wird in
EP 2 394 068 B1 ein System zur Kraft- beziehungsweise Momentenübertragung vorgeschlagen, welches zwei zueinander bewegliche Bauteile aufweist, die durch einen mit magnetorheologischem Material gefüllten Übertragungsspalt voneinander getrennt sind. Ein Magnetkreis sowie eine Einrichtung zur Magnetfelderzeugung sorgen im Übertragungsspalt für einen variablen magnetischen Fluss und dementsprechend für adaptive Übertragungseigenschaften.
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In all diesen bekannten Lösungen wird eine magnetorheologische Flüssigkeit oder ein magnetorheologisches Material lediglich für die Übertragung einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung verwendet, nicht jedoch für die Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten translatorischen oder rotatorischen Bewegung aus einer schwingenden Bewegung (Vibration).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine energieeffiziente und verschleißarme Vorrichtung, ein System und ein dazugehöriges Verfahren zur Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten translatorischen oder rotatorischen Bewegung unter Ausnutzung der magnetfeldabhängigen Eigenschaften eines magnetorheologischen Materials (MRM) bereitzustellen, mit denen zudem größere Kräfte übertragen werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des ersten und siebenten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Kern der vorliegenden Erfindung ist es, eine überwiegend gleichgerichtete translatorische oder rotatorische Bewegung durch Nutzung der magnetfeldabhängigen Eigenschaften eines magnetorheologischen Materials (MRM) aus Vibrationen (Schwingungen) zu erzeugen, wobei die Relativbewegungen der Übertragungsflächen des Oszillators und Läufers / Rotors zueinander nur geringe Energieverluste sowie einen reduzierten Bauteil-Verschleiß zur Folge haben.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1- eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten rotatorischen Bewegung
- 2- eine Prinzipdarstellung des Ausführungsbeispiels nach 1 mit einer Drehmomentenübertragung
- 3- eine Prinzipdarstellung des Ausführungsbeispiels nach 1 ohne Drehmomentenübertragung
- 4- eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten translatorischen Bewegung
- 5- eine Prinzipdarstellung des Ausführungsbeispiels nach 4 mit einer Kraftübertragung
- 6- eine Prinzipdarstellung des Ausführungsbeispiels nach 4 ohne Kraftübertragung
- 7- eine Prinzipdarstellung eines Systems zur Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten translatorischen Bewegung in einer ersten Phase der Kraftübertragung
- 8- eine Prinzipdarstellung des Systems nach 7 in einer zweiten Phase der Kraftübertragung
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In den 1, 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des dazugehörigen Verfahrens zur Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten rotatorischen Bewegung veranschaulicht. Diese Vorrichtung umfasst ein Gehäuse (1), ein erstes, rotatorisch gelagertes Bauteil (2), ein parallel zu diesem angeordnetes zweites, rotatorisch gelagertes Bauteil (3) und einen mit einem magnetorheologischen Material (MRM) gefüllten Übertragungsspalt (4). Das erste Bauteil (2) ist hier und im Folgenden als schwingungsfähiges, mechanisches System ausgeführt. Die in Kontakt mit dem magnetorheologischen Material (MRM) stehenden Funktionsflächen des ersten und zweiten Bauteils werden im Folgenden als Übertragungsflächen (7) bezeichnet. Dichtungselemente (6) verhindern das Austreten des magnetorheologischen Materials (MRM) aus dem Gehäuse (1). Von einem nichtdargestellten Magnetsystem wird ein schalt- oder regelbares Magnetfeld (5) zumindest teilweise im Übertragungsspalt (4) bereitgestellt. Dabei werden die Schalt- und Regelbarkeit des Magnetfeldes derart definiert, dass eine Schaltbarkeit dann besteht, wenn das Magnetsystem ein Magnetfeld (5) mit einer bestimmten magnetischen Feldstärke aufrechterhalten oder abschalten kann. Eine Regelbarkeit besteht, wenn der zeitliche Verlauf der magnetischen Feldstärke kontrollierbar ist.
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Wird im Übertragungsspalt (4) ein Magnetfeld (5) bereitgestellt, erhöht sich die Viskosität und die Schubspannungen des magnetorheologischen Materials. Dies ermöglicht die Übertragung eines Drehmoments vom ersten Bauteil (2) auf das zweite Bauteil (3).
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Das erste Bauteil (2) wird nun mit Hilfe einer externen Energiezufuhr zu Vibrationen (Schwingungen) angeregt. Gleichzeitig wird ein steuerbares und / oder regelbares Magnetfeld (5) phasenversetzt zu dieser Schwingung und periodisch mit dessen Frequenz zumindest teilweise im Übertragungsspalt (4) (im Folgenden isochron) derart bereitgestellt, dass in einer ersten Phase der Schwingung, in welcher die Drehrichtung des ersten Bauteils (2) und die angestrebte Drehrichtung des zweiten Bauteils (3) gleichgerichtet sind, im Übertragungsspalt (4) ein Magnetfeld (5) mit ausreichender Feldstärke erzeugt und ein Drehmoment vom ersten Bauteil (2) auf das zweite Bauteil (3) übertragen wird. In einer zweiten Phase der Schwingung, in der die Drehrichtung des ersten Bauteils (2) und die angestrebte Drehrichtung des zweiten Bauteils (3) entgegengesetzt gerichtet sind, wirkt im Übertragungsspalt (4) kein Magnetfeld (5) oder ein Magnetfeld (5) mit reduzierter Feldstärke und es wird kein Drehmoment übertragen. Dieser Ablauf wiederholt sich periodisch, sodass eine fortlaufende Rotationsbewegung des zweiten Bauteils (3) resultiert.
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In den 4, 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des dazugehörigen Verfahrens zur Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten translatorischen Bewegung dargestellt. Es umfasst ein erstes, elastisch zum Gehäuse (1) und translatorisch gelagertes Bauteil (2) sowie ein koaxial zu diesem angeordnetes zweites, translatorisch gelagertes Bauteil (3). Zwischen dem ersten Bauteil (2) und dem zweiten Bauteil (3) befindet sich ein mit magnetorheologischem Material (MRM) gefüllter Übertragungsspalt (4). Dichtungselemente (6) verhindern das Austreten des magnetorheologischen Materials (MRM) aus dem Übertragungsspalt (4). Die in Kontakt mit dem magnetorheologischen Material (MRM) stehenden Funktionsflächen des ersten und zweiten Bauteils (2, 3) werden analog zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel als Übertragungsflächen (7) bezeichnet.
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An das erste Bauteil (2) ist ein nicht dargestelltes Magnetsystem appliziert, welches zumindest teilweise im mit dem magnetorheologischen Material (MRM) gefüllten Übertragungsspalt (4) ein steuer- und / oder regelbares Magnetfeld (5) bereitstellt. Das Magnetfeld (5) bewirkt eine Erhöhung der Viskosität und der Schubspannungen des magnetorheologischen Materials (MRM). Dies ermöglicht die Kraftübertragung zwischen den Übertragungsflächen (7) des ersten und zweiten Bauteils (2, 3). Das Verfahren zur Erzeugung der translatorischen Bewegung ist analog zu dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten rotatorischen Bewegung.
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Die 7 und 8 zeigen ein System zur Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten translatorischen Bewegung. Der Aufbau dieses Systems entspricht einer Reihenschaltung von mindestens zwei Teil-Vorrichtungen nach 4, die ein gemeinsames zweites Bauteil (3) aufwiesen. Durch eine gegenphasige Aktuierung der einzelnen Teil-Vorrichtungen kann eine Erhöhung und verbesserte Kontinuität der Vorschubgeschwindigkeit des gemeinsamen zweiten Bauteils (3) erreicht werden. Dabei wird die gegenphasige Aktuierung derart realisiert, dass in der Bewegungsphase, in welcher das erste Bauteil (2) der ersten Teil-Vorrichtung bei ausgeschaltetem oder reduziertem Magnetfeld (5) sich entgegen der gewünschten Bewegungsrichtung des zweiten Bauteils (3) zurückbewegt, vom ersten Bauteil (2) der zweiten Teil-Vorrichtung über das magnetorheologische Material (MRM) eine Kraft auf das gemeinsame zweite Bauteil (3) übertragen wird, woraus eine zusätzliche Vorwärtsbewegung in der Phase der Rückbewegung des ersten Bauteils (2) der ersten Teil-Vorrichtung resultiert und umgekehrt.
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Mit der vorliegenden Erfindung werden eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Nutzung der in vibrierenden Körpern oder Stoffen vorhandenen Energie zur Erzeugung einer überwiegend gleichgerichteten translatorischen oder rotatorischen Bewegung vorgeschlagen. In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der vibrierende Körper durch einen Oszillator (erstes Bauteil) abgebildet. Mit der Nutzung einer solchen vorhandenen Energiequelle kann die für den Läufer / Rotor (zweites Bauteil) benötigte Antriebsenergie eingespart werden. Je nach gewähltem Lösungsprinzip zur periodischen Magnetfelderzeugung fällt die eingesparte Energiemenge unterschiedlich hoch aus. Diesbezüglich ist eine permanentmagnetische Lösung als positiv zu bewerten.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet einen Vorschlag zur Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten negativen Eigenschaften während der Interaktion zwischen Oszillator und Antriebselement an. Diese wird, wie in den Ausführungsbeispielen beschrieben, mit Hilfe eines Übertragungsspaltes, gefüllt mit magnetorheologischem Material, zwischen dem Oszillator und dem Läufer / Rotor realisiert. Durch ein schalt- oder regelbares Magnetfeld wird eine richtungsabhängige und verschleißfreie Kraft- beziehungsweise Drehmomentenübertragung ermöglicht. Weiterhin kann eine Erhöhung der übertragbaren Kräfte beziehungsweise Momente gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden.
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Aus dem vorgeschlagenen Aufbau und dem dazugehörigen Verfahren resultieren ebenfalls eine Steuerbarkeit der Übertragungseigenschaften zwischen dem vibrierenden Oszillator und dem Läufer / Rotor durch eine Änderung der Parameter des Magnetfeldes ohne einen Eingriff in die Charakteristik der Oszillatorvibration.
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Mit Hilfe einer Anpassung des zeitlichen Verlaufs des bereitgestellten Magnetfeldes, insbesondere in Relation zur Oszillatorschwingung, der räumlichen Gestalt und dem Ort des erzeugten Magnetfeldes und / oder der konkreten Gestaltung der Geometrie (z.B. Vergrößerung der Übertragungsflächen) und der Eigenschaften der in Kontakt mit dem magnetorheologischen Material befindlichen Übertragungsflächen des Oszillators und des Läufers / Rotors ist es möglich, das übertragbare Kraft- oder Drehmoment beziehungsweise die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit oder Drehzahl zu optimieren.
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Anwendung findet die Erfindung vorzugsweise in der Roboter- und Mikrorobotertechnik sowie für die Aktuierung beweglicher Teile in Geräten, beispielsweise in medizinischen mikrochirurgischen Instrumenten und in optischen Geräten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- - Gehäuse
- 2
- - erstes Bauteil (Oszillator)
- 3
- - zweites Bauteil (Läufer / Rotor)
- 4
- - Übertragungsspalt
- 5
- - Magnetfeld
- 6
- - Dichtungselemente
- 7
- - Übertragungsflächen
- MRM
- - magnetorheologisches Material (vorzugsweise eine magnetorheologische Flüssigkeit)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4548090 [0008]
- US 5770913 [0008]
- DE 102009034055 B4 [0010]
- US 8193670 B2 [0010]
- EP 2394068 B1 [0011]
