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Die Erfindung betrifft ein Aktuatorelement, das unter Nutzung der Eigenschaften einer magnetorheologischen Flüssigkeit Kräfte und Momente übertragen kann. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Teil einer Bremse oder eines Dämpfungselements handeln.
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So ist in
EP 1482 200 B1 eine Bremse beschrieben, bei der eine magnetorheologische Flüssigkeit über Ein- und Austrittsöffnungen in ein Gehäuse gefördert wird. Im Bereich einer außerhalb des Gehäuses angeordnete Strömungsumleitung wird die magnetorheologische Flüssigkeit dem Einfluss eines elektromagnetischen Feldes ausgesetzt. Die dadurch veränderten Eigenschaften der Flüssigkeit beeinflussen dann die Drehung zweier Zahnräder, die im Inneren des Gehäuses angeordnet sind.
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Diese bekannte technische Lösung hat den Nachteil, dass die Einflussnahme auf die Drehung der Zahnräder eine relativ große Zeitkonstante auf weist, so dass eine Veränderung einer Kraftwirkung entsprechend zeitverzögert erfolgen kann. Außerdem können insbesondere bei wirkenden hohen Kräften und Drücken Abdichtungsprobleme an den Zu- und Ableitungen in das Gehäuse auftreten.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine verbesserte Einflussnahme auf erreichbare Kraftwirkungen an einem Aktuatorelement, bei dem die Eigenschaften einer magnetorheologischen Flüssigkeit genutzt werden, zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Aktuatorelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Aktuatorelement ist in einem geschlossenen und abgedichteten Gehäuse mindestens ein um eine Rotationsachse rotierendes Element angeordnet und das Gehäuse mit einer magnetorheoligischen Flüssigkeit ausgefüllt. Am oder zumindest teilweise im Gehäuse ist mindestens ein Elektromagnet, der an eine steuer- oder regelbare elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist, oder mindestens ein bewegbarer Permanentmagnet, dessen Bewegungsmechanismus an eine Steuerung oder Regelung angeschlossen ist, angeordnet.
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Somit ist es lediglich im Bereich der Lagerung des rotierenden Elements oder einer Öffnung, über die das Gehäuseinnere mit magnetorheologischer Flüssigkeit befüllt werden kann, erforderlich Dichtungsmaßnahmen vorzusehen. Dies kann auch der Fall sein, wenn ein Teil eines Elektromagneten bis in das Innere des Gehäuses geführt ist oder einen Teil der Gehäusewandung bildet. Dann muss auch in diesem Bereich für eine Abdichtung gesorgt sein.
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Eine Beeinflussung der Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit kann durch Änderung der magnetischen Feldstärke des magnetischen Feldes, das auf einen Bereich der magnetorheologischen Flüssigkeit innerhalb des Gehäuses wirkt, erreicht werden. Dazu kann man die Leistung, mit der der mindestens eine Elektromagnet betrieben wird, steuern oder regeln. Bei einem Permanentmagnet kann man den Abstand zur magnetorheologischen Flüssigkeit durch entsprechende Bewegung eines Permanentmagneten verändern. So kann die Viskosität erhöht werden, wenn ein Permanentmagnet in Richtung Gehäuse oder die Viskosität verringert werden, wenn er in entgegen gesetzter Richtung bewegt wird. Bei Elektromagneten kann man die Leistung mit der der Elektromagnet betrieben wird erhöhen, um eine Erhöhung der Viskosität zu erreichen. Dabei ist eine zeitnahe und nahezu stufenlose Beeinflussung möglich.
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Vorteilhaft sollte der mindestens eine Elektromagnet oder Permanentmagnet so angeordnet sein, dass sein elektromagnetisches oder magnetisches Feld im Bereich einer Engstelle, die zwischen der Innenwand des Gehäuses und dem mindestens einen rotierenden Element angeordnet ist, wirksam sein. Die Engstelle kann im Bereich eines Kanals, der Bestandteil des Gehäuses ist, und durch den magnetorheolgische Flüssigkeit strömt, ausgebildet sein. Anstelle einer Engstelle kann auch in diesem Bereich oder an einer anderen geeigneten Position ein Strömungsführungselement angeordnet sein.
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Das Volumen des Kanals und das Volumen eines Hohlraumes innerhalb des Gehäuses, in dem ein um eine Rotationsachse rotierendes Element angeordnet ist, sollten gleich groß sein. Dadurch kann magnetorheologische Flüssigkeit bei Rotation des rotierenden Elements aus dem Hohlraum in den Kanal strömen, ohne dass ein erhöhter Druck im Inneren des Gehäuses auftreten kann, wenn keine oder keine ausreichende magnetische Feldstärke erreicht worden ist, um die magnetorheologische Flüssigkeit in einen Zustand zu versetzen, bei dem die Rotationsbewegung des rotierenden Elements be- oder sogar verhindert wird.
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Bei einer Engstelle kann es sich um einen Spalt zwischen der Gehäuseinnenwand und der äußeren Oberfläche eines rotierenden Elements handeln. Es kann auch ein Kanal in Form eines Bypasses direkt am Gehäuse vorhanden sein. Im Bereich einer Engstelle ist der freie Querschnitt durch den die magnetorheologische Flüssigkeit strömen kann, kleiner als in anderen Bereichen zwischen Gehäuseinnenwand und äußerer Oberfläche eines rotierenden Elements. Dadurch kann die Beeinflussung der erreichbaren Kraftwirkung eines Aktuatorelements noch weiter verbessert und ihrer Wirkung verstärkt werden. Dies kann bis in einem Bereich führen, dass sich ein rotierendes Element nicht mehr drehen kann und blockiert ist.
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Im letztgenannten Fall kann dann im Gehäuse eine Kraftwirkung erreicht werden, wenn das rotierende Element mittels der magnetorheologischen Flüssigkeit blockiert ist und die Antriebswelle des rotierenden Elements dadurch entsprechend direkt beeinflusst wird.
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Vorteilhaft kann eine Engstelle in einem Bereich der Innenwand des Gehäuses angeordnet sein, in dem die Innenwand des Gehäuses konkav gekrümmt ist und ein rotierendes Element eine konvex gekrümmte äußere Oberfläche aufweist.
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Um die Wirkung zu erhöhen können Oberflächen, die mit der magnetorheologischen Flüssigkeit in Kontakt stehen strukturiert sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann ein zylinderförmiges Element, dessen Rotationsachse bevorzugt exzentrisch innerhalb des Gehäuses angeordnet und an dem zylinderförmigen Element mindestens ein mit einer Druckkraft beaufschlagtes Dichtelement federnd gegen die Innenwand des Gehäuses mit seiner Dichtfläche gedrückt wird, ein rotierendes Element sein.
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Dazu kann im Inneren des rotierenden Elements in einer Führung ein Dichtelement angeordnet sein, dass mit einer Druckfeder mit seiner Dichtfläche gegen die Gehäuseinnenwand gedrückt wird. Es können aber auch zwei Dichtelemente zwischen denen im Inneren des rotierenden Elements in der Führung eine Druckfeder angeordnet ist, eingesetzt werden. Beide Dichtelemente können so mit ihren Dichtflächen gegen die Innenwand des Gehäuses in entgegengesetzter Richtung gedrückt werden.
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In einer anderen Ausführungsform können mindestens zwei in einem Abstand zueinander angeordnete jeweils um eine Rotationsachse rotierende Zahnräder rotierende Elemente sein. Vorteilhaft sollten die mindestens zwei Zahnräder als rotierende Elemente unterschiedliche Außendurchmesser aufweisen und die Engstelle im Bereich des Zahnrades mit dem kleinsten Außendurchmesser angeordnet sein. Zähne der Zahnräder sollten im Eingriff miteinander sein.
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Vorteilhaft kann auch ein Eisenkern des mindestens einen Elektromagneten zumindest teilweise durch das Gehäuse in das Gehäuseinnere geführt und in unmittelbaren Kontakt mit der magnetorheologischen Flüssigkeit gebracht sein. Im Bereich des Eisenkerns, der mit der magnetorheologischen Flüssigkeit in Kontakt gebracht ist, kann eine Bohrung oder Vertiefung ausgebildet sein, in die magnetorheologische Flüssigkeit, bevorzugt mit einem Ventil gesteuert ein- und ausströmen kann. Dabei kann ausgenutzt werden, dass die magnetische Feldstärke im Bereich eines Eisenkerns eines Elektromagneten besonders hoch im Vergleich zu seinem Bereich in dem die elektrische(n) Spule(n) angeordnet sind, ist. Mit einer Bohrung oder Vertiefung, die mit einem Ventil, insbesondere einem Proportionalventil geöffnet oder verschlossen werden kann, kann ebenfalls Einfluss auf den Zustand der magnetorheologischen Flüssigkeit und deren Wirkung auf ein rotierendes Element genommen werden.
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Ein Eisenkern eines Elektromagneten kann in Richtung der zu beeinflussenden magnetorheologischen Flüssigkeit pyramidenförmig, bevorzugt mit abgerundeter Spitze ausgebildet sein.
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Ein erfindungsgemäßes Aktuatorelement kann sehr klein hergestellt werden. Dabei sind die Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten gering. Durch den erforderlichen geringen Raumbedarf ist ein vielfältiger Einsatz möglich.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung eines Beispiels mit zwei Zahnrädern als rotierende Elemente und
- 2 eine Schnittdarstellung eines Beispiels mit einem rotierenden Element und einen an einem Gehäuse ausgebildeten Kanal.
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In 1 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem in einem Gehäuse 1 zwei Zahnräder als rotierende Elemente 2 angeordnet sind. Die Rotationsachsen der Zahnräder sind parallel zueinander ausgerichtet. Das geschlossene und abgedichtete Gehäuse 1 ist zusätzlich zu den Zahnrädern als rotierende Elemente 2 mit magnetorheologischer Flüssigkeit ausgefüllt.
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Mit einem nicht dargestellten Elektromagneten kann die magnetorheologische Flüssigkeit beeinflusst werden. Ein Elektromagnet kann dabei bevorzugt an der linken und/oder rechten Stirnseite des Gehäuses 1 im Bereich, in dem die Innenwand des Gehäuses 1 konkav gekrümmt ist, angeordnet und an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen sein, die gesteuert oder geregelt betrieben werden kann. Je nach Leistung mit der der/die Elektromagnet(e) betrieben wird/werden, kann die Viskosität beeinflusst werden. Bei einer maximalen Leistung kann die magnetorheologische Flüssigkeit einen zumindest nahezu festen Zustand einnehmen, so dass eine Rotation der Zahnräder vollständig vermieden werden kann.
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Anstelle eines Elektromagneten kann auch mindestens ein Permanentmagnet zur Beeinflussung der Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit eingesetzt werden. Während des Betriebs kann die Wirkung des Permanentmagneten auf die magnetorheologische Flüssigkeit durch Bewegung des Permantmagneten in Bezug zum Gehäuse 1 verändert werden. So kann man die Position und/oder den Abstand des Permanentmagneten zum Gehäuse 1 verändern.
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Zumindest eines der Zahnräder als rotierendes Element 2 kann über eine Antriebswelle angetrieben und gedreht werden, wodurch sich das andere Zahnrad mitdrehen kann, wenn die magnetorheologische Flüssigkeit nicht unter dem Einfluss eines Magnetfeldes steht oder die Feldstärke des Magnetfeldes so gering ist, dass die Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit eine Drehung der Zahnräder ermöglicht.
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Bei dem in 1 gezeigten Beispiel weist eines der Zahnräder einen kleineren Außendurchmesser als das andere Zahnrad auf. Zwischen der Gehäuseinnenwand und dem Zahnrad mit dem kleineren Außendurchmesser ist bei diesem Beispiel ein Strömungsführungselement 7 angeordnet, mit dem die Strömung der magnetorheologischen Flüssigkeit beeinflusst und der freie Querschnitt des Kanals, durch den die magnetorheologische Flüssigkeit zwischen der äußeren Oberfläche des Zahnrades mit dem kleineren Außendurchmesser und der Gehäuseinnenwand strömen kann, verkleinert ist. Das Strömungsführungselement 7 sollte im Bereich der Stirnseite eines ovalen Gehäuses 1 angeordnet sein. Es kann so angeordnet und ausgebildet sein, dass magnetorheologische Flüssigkeit zwischen der äußeren Oberfläche des Zahnrades mit dem kleineren Außendurchmesser und der dieser Oberfläche zugewandten Seite vorhanden sein oder dort strömen kann. Dies ist auch zwischen der Gehäuseinnenwand und der dieser zugewandten Oberfläche des Strömungsführungselements 7 möglich.
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Die im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnte Engstelle kann mit dem Strömungsführungselement 7 gebildet werden und bevorzugt im Bereich einer Stirnseite mit konkaver Innenwand des Gehäuses 1 angeordnet sein, in dem auch ein Elektromagnet angeordnet sein kann.
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Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist am Gehäuse 1 ein zusätzlicher Kanal 4 vorhanden, der einen Bypass zum Inneren des Gehäuses 1 bildet und mit dem Gehäuseinneren verbunden ist, so dass magnetorheologische Flüssigkeit bei geeigneter Viskosität den Kanal 4 durchströmen kann.
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Zwischen dem Kanal 4 und der äußeren Gehäusewand ist ein Elektromagnet 3 angeordnet, der an eine nicht dargestellte steuer- oder regelbare elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist. Wie beim Beispiel nach 1 kann die Wirkung auch mit mindestens einem Permanentmagneten erreicht werden, der dann auch genau so bewegt werden kann, um den Einfluss des Magnetfeldes auf die magnetorheologische Flüssigkeit zu verändern.
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Im Gehäuse 1 ist ein Zylinder als rotierendes Element 2 so angeordnet, dass die Rotationsachse exzentrisch im Gehäuse 1 angeordnet ist. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Rotationsachse senkrecht in Bezug zur Zeichnungsebene ausgerichtet.
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Durch die exzentrische Anordnung der Rotationsachse ist im Inneren des Gehäuses 1 im Bereich in dem auch der Elektromagnet 3 angeordnet ist, eine Engstelle ausgebildet.
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In dem rotierenden Element 2 sind zwei Dichtelemente 5 in einer Führung aufgenommen. Zwischen den Dichtelementen 5 kann eine Druckfeder 6 angeordnetsein, mit der die Dichtelemente 5 nach außen gegen die Innenwand des Gehäuses 1 gedrückt werden, so dass sich ihre Dichtflächen an die Gehäuseinnenwand anlegen. Dieser Zustand kann bei jedem Drehwinkel des rotierenden Elements 2 wegen der Druckkraftwirkung der Druckfeder 6 auf die Dichtelemente 5 eingehalten werden, obwohl sich der Abstand zur Innenwand des Gehäuses 1 während der Drehung des rotierenden Elements 5 verändern kann. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Dichtelemente 5 jeweils in einer eigenen Führung angeordnet. Zwischen der Rückseite der Führungen und den der Dichtflächen der Dichtelemente 5 abgewandten Stirnseite der Dichtelemente 5 ist jeweils eine Druckfeder 6 angeordnet, mit deren Hilfe die Dichtflächen an der Gehäuseinnenwand gehalten werden. Dies kann auch bei einer Rotation des rotierenden Elements 2 erreicht werden.
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Der Widerstand der der Drehung des rotierenden Elements 2 entgegenwirkt kann durch die magnetische Feldstärke des mit dem Elektromagneten 3 ausgebildeten Magnetfeldes beeinflusst werden, was natürlich auf alle Beispiele zutrifft.
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Beim in 2 gezeigten Beispiel ist der Kanal 4 mit Verzweigungen ausgebildet, die wieder zusammengeführt bzw. in Strömungsrichtung der magnetorheologischen Flüssigkeit dann wieder verzweigt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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