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Die vorliegende Erfindung betrifft ein schaltbares Hydrolager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen schaltbaren Hydrolager gemäß dem Patentanspruch 11 sowie ein schaltbares Ventil für ein derartiges schaltbares Hydrolager gemäß dem Patentanspruch 12.
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Kleine Schaltaktoren, beispielsweise zum Verschließen bzw. zum Öffnen von Luftvolumen, werden üblicherweise als Hubmagnet mit Dichtkopf ausgelegt. Derartige Schaltaktoren bestehen üblicherweise aus einer feststehenden Spule, aus einem feststehenden Joch und aus einem beweglichen Anker, auf dem der Dichtkopf befestigt ist. Der Dichtkopf besteht üblicherweise aus einem Elastomer während die flussführenden Bauteile, d.h. das Joch und der Anker, aus einem weichmagnetischen Metall bestehen. Bei Bestromung der Spule wird der Anker an das Joch angezogen und eine Öffnung für den Luftstrom entweder geöffnet („normally closed“) oder geschlossen („normally open“). Die Rückstellung in die Ausgangslage des Ankers erfolgt üblicherweise durch eine metallische Rückstellfeder.
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Derartige Schaltaktoren können bei Hydrolagern dazu verwendet werden, eine Membran, welche mit dem Fluid der Arbeitskammer in Kontakt steht, in ihrem Dämpfungsverhalten zu beeinflussen und insbesondere zwischen zwei Zuständen zu schalten, so dass mittels eines derartigen schaltbaren Hydrolagers zwei unterschiedliche Kennlinien zur Verfügung gestellt werden können, zwischen denen gewechselt werden kann. Wird ein derartiges schaltbares Hydrolager bei einem Kraftfahrzeug zum Beispiels als Fahrwerklager eingesetzt, kann vom Benutzer bzw. von Fahrer oder mittels eines Steuerungsalgorithmus zwischen einer komfortableren und einer sportlicheren Lagerung umgeschaltet werden. Hierdurch können die Fahreigenschaften des Kraftfahrzeugs während des Betriebs an die Bedürfnisse bzw. an die Vorzüge des Benutzers angepasst werden.
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Nachteilig an der Verwendung von Hubmagneten bei derartigen Schaltaktoren ist, dass Hubmagnete üblicherweise eine relativ hohe Anzahl an Einzelkomponenten besitzen und die damit verbundenen Kosten für Fertigung und Montage entsprechend hoch sein können.
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Nachteilig ist auch, dass der Anker des Hubmagneten in einer Gleitführung eine Relativbewegung zu Spule und Joch ausführen können muss, wobei stets ein gewisser Reibungsverlust entsteht. Um diese Reibungsverluste so gering wie möglich zu halten, muss ein ausreichendes Radialspiel vorgehalten werden. Gleichzeitig muss das Radialspiel allerdings so gering wie möglich gehalten werden, um keine asymmetrischen Magnetkräfte und damit wiederrum keine erhöhten Reibkräfte zu erzeugen. Insgesamt sind daher sehr hohe Toleranzanforderungen an die einzelnen Bauteile mit Anteil an der Relativbewegung gestellt, was die Fertigungskosten erhöht.
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Bei derartigen Schaltaktoren ist es auch bekannt, magnetorheologische Elastomere (MRE) als beweglichen Anker zu verwenden. Magnetorheologische Elastomere bestehen üblicherweise aus mindestens einem nicht-magnetisierbaren Trägermedium und darin eingebetteten magnetisierbaren Partikeln. Diese Materialart wird bisher eingesetzt, um das E-Modul des entsprechenden Elastomers durch das Anlegen eines Magnetfeldes zu beeinflussen. Dadurch können z.B. Bauteile mit adaptiven Steifigkeiten oder Resonanzfrequenzen (adaptive Tilger) hergestellt werden, wie zum Beispiel in der
DE 10 2004 041 651 A1 beschrieben.
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Nachteilig bei der Verwendung von magnetorheologischen Elastomeren als beweglicher Anker derartiger Schaltaktoren ist, dass der magnetische Rückschluss zwischen Anker und Joch stark sensitiv bzgl. der exakten Geometrien der Polflächen im Luftspalt ist, da die Magnetkräfte u.a. exponentiell vom Abstand zwischen den Polflächen abhängen. Die Fertigung der Polflächen unterliegt daher auch besonders hohen Toleranzanforderung und treibt damit die Fertigungskosten.
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Nachteilig ist auch, dass Schaltaktoren auf Basis von magnetorheologischen Elastomeren, welche durch ein rein radiales oder axiales Dehnen des Elastomers arbeiten können, relativ geringe Stellwege ausführen können, da die Rückstellkräfte des Elastomers sehr hoch sind und durch Verringerung der Materialstärke nicht beliebig abgesenkt werden können.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein schaltbares Hydrolager der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, dessen Schaltbarkeit mit geringeren Herstellungs- und Montagekosten als bisher bekannt umgesetzt werden kann. Dies soll vorzugsweise möglichst einfach, kompakt, leicht, haltbar und bzw. oder flexibel anwendbar erfolgen. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten derartigen schaltbaren Hydrolagern bereitgestellt werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein schaltbares Hydrolager mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 11 sowie durch ein schaltbares Ventil mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein schaltbares Hydrolager mit einer fluidgefüllten Arbeitskammer, mit einer fluidgefüllten Ausgleichskammer, mit einem Kanal, welcher die Arbeitskammer und die Ausgleichskammer fluidführend miteinander verbindet, und mit einer Entkopplungsmembran, welche mit dem Fluid der Arbeitskammer in Kontakt steht.
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Das erfindungsgemäße schaltbare Hydrolager weist eine Luftkammer auf, welche, der Arbeitskammer abgewandt, mit der Entkopplungsmembran in Kontakt steht, und ein schaltbares Ventil, welches ausgebildet ist, die Luftkammer zwischen einem zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, geschlossenen Zustand und einem offenen Zustand, in welche die Luftkammer mit der Umgebung oder mit einem weiteren Volumen verbunden ist, zu schalten. Unter einer der Arbeitskammer abgewandten Luftkammer kann auch eine Luftkammer angesehen werden, welche auf einer dem Fluid abgewandten Seite der Entkopplungsmembran angeordnet ist, was zum Beispiel seitlich oder über Kopf zur Arbeitskammer erfolgen kann.
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Diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Relativbewegung des beweglichen Ankers, vorzugsweise durch eine erzeugte Relativbewegung eines magnetorheologischen elastomeren Dichtkopfs, wie weiter unten näher beschrieben werden wird, zwischen den beiden Zuständen gegenüber einem Ventilelement bzw. gegenüber einem Ventilsitz die Luftkammer gegenüber der Umgebung geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Dies kann erfindungsgemäß mittels eines derartigen erfindungsgemäßen schaltbaren Ventil allgemein für zwei Räume gelten, wie hier die Luftkammer und die Umgebung, welche strömungstechnisch getrennt bzw. verbunden werden können. Dadurch kann einerseits ein Volumenstrom ermöglicht bzw. unterbunden werden und andererseits kann die Volumensteifigkeit in der Luftkammer verändert werden. Dies kann vergleichsweise einfach, kompakt, kostengünstig und bzw. oder langlebig erfolgen.
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Im konkreten Anwendungsfall des erfindungsgemäßen schaltbaren Hydrolagers wird somit im Gegensatz zu bekannten derartigen schaltbaren Hydrolagern durch das schaltbare Ventil bzw. durch einen Schaltaktor des schaltbaren Ventils keine Kraft direkt auf die Entkopplungsmembrane zwischen der Arbeitskammer und der Ausgleichskammer ausgeübt. Stattdessen wird bei bekannten derartigen schaltbaren Hydrolagern ein weiterer Raum, welcher die Entkopplungsmembrane einseitig abschließt, geschlossen bzw. geöffnet. Dadurch ändert sich nicht die Entkopplungsmembrane selbst in ihren physikalischen Eigenschaften, sondern es lässt sich zusätzlich zur Steifigkeit der Entkopplungsmembrane die Volumensteifigkeit des angrenzenden Mediums innerhalb des verschließbaren Raumes hinzuschalten bzw. entfernen.
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Weiterhin weist das schaltbare Ventil ein Ventilelement auf, welches eine Ventilöffnung bildet, und das schaltbare Ventil weist einen Schaltaktor auf, welcher ausgebildet ist, einen beweglichen Anker zwischen dem geschlossenen Zustand und dem offenen Zustand zu schalten. Hierdurch können die zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile umgesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße schaltbare Hydrolager ist dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Anker als magnetorheologischer elastomerer Dichtkopf ausgebildet ist. Hierzu kann der Dichtkopf zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig aus einem elastomeren Material bestehen, welche magnetorheologische Eigenschaften aufweist und entsprechend mittels eines Magnetfelds, welches der Schaltaktor erzeugen kann, verformt und insbesondere gebogen werden kann. Die magnetorheologischen Eigenschaften können durch dispergierte magnetisch aktive Partikel im elastomeren Material umgesetzt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der magnetorheologische elastomere Dichtkopf ausgebildet, zwischen dem geschlossenen Zustand und dem offenen Zustand biegeelastisch verformt zu werden. Dies kann eine besonders einfache, kompakte und bzw. oder wirksame Umsetzung der zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Schaltaktor eine feststehende Spule, ein feststehendes Joch und den beweglichen Anker auf, wobei zwischen dem feststehenden Joch und dem beweglichen Anker in dem unbestromten Zustand ein Luftspalt gebildet wird und wobei zwischen dem feststehenden Joch und dem beweglichen Anker in dem bestromten Zustand der Luftspalt geschlossen wird. Dies kann eine besonders einfache, kompakte und bzw. oder wirksame Umsetzung der zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile ermöglichen. Das Joch und der Anker bilden dabei einen Eisenkreis des Schaltaktors. Der Eisenkreis kann wenigstens an einer Stelle bzw. über ein Polflächenpaar, d.h. einseitig, oder an wenigstens zwei Stellen bzw. über wenigstens zwei Polflächenpaare, d.h. beidseitig, geschlossen sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der magnetorheologische elastomere Dichtkopf ausgebildet, zwischen dem geschlossenen Zustand und dem offenen Zustand eine Schwenkbewegung gegen eine Rückstellkraft eines Federelements auszuführen. Somit kann der magnetorheologische elastomere Dichtkopf in die eine Richtung mittels des magnetorheologischen Effekts aktiv geschwenkt und in die entgegengesetzte Richtung selbsttätig durch die Federkraft des Federelements, zum Beispiel als metallische Feder, wieder zurück in die Ausgangsstellung bewegt werden. Dies kann eine alternative Möglichkeit zur Umsetzung der zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der magnetorheologische elastomere Dichtkopf ausgebildet, zwischen dem geschlossenen Zustand und dem offenen Zustand eine translatorische Bewegung gegen eine Rückstellkraft eines Federelements auszuführen. Somit kann der magnetorheologische elastomere Dichtkopf in die eine Richtung mittels des magnetorheologischen Effekts aktiv translatorisch bzw. geradlinig bewegt und in die entgegengesetzte Richtung selbsttätig durch die Federkraft des Federelements, zum Beispiel als metallische Feder, wieder zurück in die Ausgangsstellung bewegt werden. Dies kann eine alternative Möglichkeit zur Umsetzung der zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der bewegliche Anker über wenigstens eine erste Polfläche mit dem feststehenden Joch verbunden und der bewegliche Anker ist gegenüber einer zweiten Polfläche des feststehenden Jochs beweglich. Dies kann eine besonders einfache, kompakte und bzw. oder wirksame Umsetzung der zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die erste Polfläche und die zweite Polfläche winkelig, vorzugsweise senkrecht, zueinander ausgerichtet. Dies kann den Gestaltungspielraum der Umsetzung erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die erste Polfläche und die zweite Polfläche parallel zueinander mit versetzten Polflächennormalen ausgerichtet. Dies kann den Gestaltungspielraum der Umsetzung erhöhen. Der Versatz der Polflächennormalen kann wenigstens so groß, vorzugsweise wenigstens eineinhalbmal so groß, besonders vorzugsweise wenigstens zweimal so groß, wie der Hub des magnetorheologischen elastomeren Dichtkopfs sein. Dies kann die Beweglichkeit des magnetorheologischen elastomeren Dichtkopfs entsprechend sicherstellen bzw. erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der bewegliche Anker über ferner eine dritte Polfläche mit dem feststehenden Joch verbunden, wobei die erste Polfläche und die dritte Polfläche winkelig, vorzugsweise senkrecht, zueinander ausgerichtet sind. Dies kann den Gestaltungspielraum der Umsetzung erhöhen. Insbesondere kann hierdurch die Befestigung des beweglichen Ankers am feststehenden Joch verbessert bzw. die Gestaltungsmöglichkeiten hierzu erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der bewegliche Anker, vorzugsweise mittig, ein Verstärkungselement auf. Dies kann den Gestaltungspielraum der Umsetzung erhöhen. Insbesondere kann der magnetische Fluss durch den Eisenkreis hierdurch verstärkt werden, vorzugsweise ohne die Biegsamkeit des beweglichen Ankers hierdurch zu reduzieren.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem schaltbaren Hydrolager wie zuvor beschrieben. Dies kann die Umsetzung und Nutzung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Hydrolagers bei einem Kraftfahrzeug ermöglichen, um die Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen schaltbaren Hydrolagers dort nutzen zu können.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein schaltbares Ventil zur Verwendung in einem schaltbaren Hydrolager wie zuvor beschrieben. Hierdurch kann ein schaltbares Ventil zur Verfügung gestellt werden, um ein erfindungsgemäßes schaltbares Hydrolager zu realisieren. Ein derartiges schalbares Ventil kann jedoch auch für andere Anwendungen genutzt und entsprechend ausgelegt, angepasst und umgesetzt werden.
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Mit anderen Worten kann erfindungsgemäß anstelle eines Ankers mit Rückstellfeder und Gleitführung vorzugsweise ein magnetorheologisches Elastomer (MRE) bei einem schaltbaren Ventil, insbesondere eines schaltbaren Hydrolagers, eingesetzt werden. Durch die Bestromung mindestens einer Spule kann ein Magnetfeld erzeugt werden, welches über den Eisenkreis geleitet werden kann. Der Eisenkreis weist mindestens eine Unterbrechung auf, welche teilweise über das MRE geschlossen wird. Ein Luftspalt zu mindestens einer Polfläche des Eisenkreises bleibt dabei offen.
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Das MRE ist dabei so befestigt, dass mindestens einer der beiden Luftspalte primär durch eine Biegedeformation des MRE und eines resultierenden lokalen Hubs geschlossen oder zumindest deutlich verringert werden kann. Im Falle eines mehrseitig oder ringförmig anliegenden MREs kann das Verhältnis aus Längenänderung mindestens zwei Mal kleiner als der Hub sein. Die Polflächen können dabei gegenüberliegend angeordnet sein, d.h. eine 180°-Orientierung aufweisen, wobei ein Abstand größer als Null zwischen den Mittennormalen der Polflächen gegeben sein kann. Alternativ können die Polflächen mit einer Orientierung kleiner als 180° zueinander angeordnet werden, z.B. mit einer Orientierung von 90° oder von 0°.
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Durch die primäre Biegedeformation des MREs kann eine vergleichsweise geringe Steifigkeit erreicht werden. Dadurch kann entweder ein vergleichsweise großer Hubweg oder eine vergleichsweise hohe Haltekraft im angezogenen Zustand erreicht werden. Gleichzeitig können sowohl die Teileanzahl als auch die Komplexität gegenüber einem Hubmagneten deutlich reduziert werden. Ferner kann eine wirtschaftlichere Herstellung als bei einem Hubmagneten ermöglicht werden.
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Ein derartiger Schaltaktor kann besonders für Ventilanwendungen zum Öffnen oder Verschließen von Durchflussöffnungen für verschiedenste flüssige oder gasförmige Medien geeignet sein. Weiterhin kann das Prinzip des erfindungsgemäßen Schaltaktors auch als elektrischer Schalter eingesetzt werden, indem die elektrische Leitfähigkeit des MREs ausgenutzt wird, um einen Stromkreis zwischen den Polflächen zu schließen und zu öffnen. Durch Kombination mehrerer Aktoren ist auch ein Betrieb als kompakte Pumpe denkbar.
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Mehrere Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Hydrolagers mit einem erfindungsgemäßen schaltbaren Ventil gemäß des dritten Ausführungsbeispiels;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels mit einer axialen Beweglichkeit des Ankers und zu 0° ausgerichteten Polflächen;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen nicht-rotationssymmetrisch ausgebildeten schaltbaren Ventils gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einer axialen Beweglichkeit des Ankers und zu 0° ausgerichteten Polflächen;
- 4 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels mit einer axialen Beweglichkeit des Ankers und zu 90° ausgerichteten Polflächen;
- 5 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels als Kombination des zweiten Ausführungsbeispiels der 3 und des dritten Ausführungsbeispiels der 4;
- 6 eine Darstellung der 2 mit den Längen in beiden Schaltstellungen;
- 7 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels mit einer axialen Beweglichkeit des Ankers und zu 90° ausgerichteten kontaktfreien Polflächen;
- 8 eine Schnittansicht der 7;
- 9 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines sechsten Ausführungsbeispiels vergleichbar dem fünften Ausführungsbeispiel mit zusätzlichen zu 0° ausgerichteten Polflächen;
- 10 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines siebten Ausführungsbeispiels vergleichbar dem fünften Ausführungsbeispiel der 7 und 8 mit zusätzlichem Federelement;
- 11 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines achten Ausführungsbeispiels vergleichbar dem fünften Ausführungsbeispiel der 7 und 8 mit zusätzlichem Federelement;
- 12 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines neunten Ausführungsbeispiels vergleichbar dem sechsten Ausführungsbeispiel der 9 mit zusätzlichem Federelement;
- 13 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines zehnten Ausführungsbeispiels mit einer radialen Beweglichkeit des Ankers und zu 180° ausgerichteten Polflächen;
- 14 eine Detailansicht der 13;
- 15 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines elften Ausführungsbeispiels mit einer radialen Beweglichkeit des Ankers und zu 90° ausgerichteten Polflächen;
- 16 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß des dritten Ausführungsbeispiels mit zusätzlich dargestellten Ventilelementen;
- 17 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines zwölften Ausführungsbeispiels mit Ventilelementen;
- 18 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines dreizehnten Ausführungsbeispiels mit Ventilelementen;
- 19 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines vierzehnten Ausführungsbeispiels mit Ventilelementen; und
- 20 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils gemäß eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels mit Ventilelementen.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Hydrolagers 2 mit einem erfindungsgemäßen schaltbaren Ventil 1 gemäß des dritten Ausführungsbeispiels.
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Das erfindungsgemäße schaltbare Hydrolager 1 weist, in der vertikalen Richtung im Wesentlichen von oben nach unten betrachtet, eine Motoranbindung 20 auf, mit welcher das schaltbare Hydrolager 1 feststehend mit einem Motor, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, verbunden werden kann. Die Motoranbindung 20 ist über einen kegelförmigen Tragkörper 21 als Tragfeder 21 bzw. als Elastomerkörper 21 mit einer Karosserieanbindung 24 als Lagerfußpunkt 24 verbunden, wobei die Tragfeder 21 federnd im Wesentlichen in der vertikalen Richtung Z wirken kann.
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Die Tragfeder 21 bildet ferner eine Arbeitskammer 22 aus, welche mit einer Hydraulikflüssigkeit als Fluid gefüllt ist. Die Arbeitskammer 22 schließt nach unten und in der Horizontalen mittig mit einer Entkopplungsmembran 23 ab, welche randseitig von der Karosserieanbindung 24 gehalten wird. Die Karosserieanbindung 24 bildet ferner einen Ringkanal 25 aus, welcher die Arbeitskammer 22 fluidisch mit einer Ausgleichkammer 26 unterhalb der Karosserieanbindung 24 verbindet. Die Ausgleichskammer 26 wird von einer Rollmembran 27 begrenzt.
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Mittig wird unterhalb der Entkopplungsmembran 23 eine Luftkammer 28 gebildet, welcher über eine Ventilöffnung 17 als Durchflussöffnung 17 eines Ventilelements 16 als Ventilsitz 16 mit der Umgebung verbunden werden kann. Unterhalb der Ventilöffnung 17 ist das schaltbare Ventil 1 derart angeordnet, dass die Ventilöffnung 17 mittels des schaltbaren Ventils 1 geöffnet und hierdurch die Luftkammer 28 mit der Umgebung verbunden oder die Ventilöffnung 17 mittels des schaltbaren Ventils 1 geschlossen und hierdurch die Luftkammer 28 von der Umgebung getrennt werden kann. Hierdurch können zwei Zustand der Entkopplungsmembran 23 mittels des schaltbaren Ventils 1 gewählt bzw. zwischen diesen beiden Zuständen geschaltet werden, wodurch die Steifigkeit der Entkopplung variiert und das dynamische Verhalten des schaltbaren Hydrolagers 1 gezielt beeinflusst werden kann.
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2 bis 20 zeigen verschiedene Darstellung erfindungsgemäßer schaltbarer Ventile 1 gemäß einem ersten bis fünfzehnten Ausführungsbeispiels.
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Generell weist das schaltbare Ventil 1 einen Schaltaktor 10 auf, welcher eine feststehende Spule 11, ein feststehende Joch 12, und einen beweglichen Anker 13 aufweist, wobei das Joch 12 und der Anker 13 gemeinsam einen Eisenkreis 12, 13 bilden. Der bewegliche Anker 13 ist als magnetorheologischer elastomerer Dichtkopf 13 ausgebildet und kann durch Bestromung der Spule 11, welche zu einem magnetischen Feld im Eisenkreis 12, 13 führt, eine Biegeverformung ausführen.
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Durch eine geeignete Ausbildung und Anordnung des Schaltaktors 10 kann der magnetorheologische elastomere Dichtkopf 13 derart gebogen bzw. verformt werden, dass hierdurch die Ventilöffnung 17 wie zuvor beschrieben zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand der Luftkammer 28 hin und her geschaltet werden kann. Hierzu tragen auch ein Luftspalt 14 sowie eine ersten Polfläche 15a, eine zweite Polfläche 15b und ggfs. eine dritte Polfläche 15 c bei, wie im Folgenden näher beschrieben werden wird.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in der 2 dargestellt. Der magnetorheologische elastomere Dichtkopf 13 liegt an zwei randseitigen erste Polflächen 15a des Jochs 12 dauerhaft an. Durch die Bestromung der Spule 11 entsteht ein Magnetfeld, welches zwischen den ersten Polflächen 15a und einer mittigen zweiten Polfläche 15b über den magnetorheologischen elastomeren Dichtkopf 13 und den Luftspalt 14 geschlossen wird. Im Luftspalt 14 entsteht dadurch eine Anziehungskraft auf den magnetorheologischen elastomeren Dichtkopf 13, welcher zu einem Hub x führt. Der magnetorheologische elastomere Dichtkopf 13 führt aufgrund der Anziehungskraft eine Biegedeformation b aus und schließt dadurch den Luftspalt 14. Hierdurch wird die Ventilöffnung 17 geöffnet. Andernfalls ist die Ventilöffnung 17 geschlossen.
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Der Aufbau des Eisenkreises 12, 13 kann sowohl rotationssymmetrisch erfolgen, siehe 2, als auch mit flachen ersten Polflächen 15a und bzw. oder zweiten Polflächen 15b, siehe 3. Die äußeren ersten Polflächen 15a können auch einen Winkel von größer als 180° aufweisen. In 4 ist eine Variante mit 90° zwischen den Polflächennormalen bzw. Mittennormalen N1, N2 der ersten Polflächen 15a bzw. der zweiten Polflächen 15b dargestellt. Die äußeren ersten Polflächen 15a können auch aufgeteilt werden und den magnetorheologischen elastomeren Dichtkopf 13 von mehreren Seiten umschließen, siehe 5. Die innere zweite Polfläche 15b kann auch konusförmig, insbesondere aber anders als flach, ausgeformt werden, um den Magnetfluss zu optimieren, siehe 6.
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Der magnetorheologische elastomere Dichtkopf 13 gemäß der 7 ist im unbestromten Zustand mit keiner Polfläche 15a, 15b vollständig im Kontakt. Die Befestigung des magnetorheologischen elastomeren Dichtkopfs 13 erfolgt außerhalb, beispielsweise an der Umspritzung der Spule 11. Das Magnetfeld passiert so mindestens zwei Luftspalte 14, nämlich einen parasitären Luftspalt 14 an den ersten Polfläche 15a, 15b und den zu schließenden Luftspalt 14.
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Eine verstärkende Wirkung kann erreicht werden, indem eine dritte äußere Polfläche 15c eingeführt wird, welche einen Luftspalt zum magnetorheologischen elastomeren Dichtkopf 13 aufweist, welcher sich in der Endlage analog zur zweiten Polfläche 15b schließt, siehe 9.
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10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils 1 gemäß eines siebten Ausführungsbeispiels vergleichbar dem fünften Ausführungsbeispiel der 7 und 8 mit zusätzlichem Federelement 19. Das Federelement 19 ist als metallische Spiralfeder 19 ausgebildet und zwischen der zweiten Polfläche 15b und dem magnetorheologischen elastomeren Dichtkopf 13 angeordnet. Der magnetorheologische elastomere Dichtkopf 13 ist seitlich an einer Kante, in der 10 an der linken unteren Kante, drehbeweglich gelagert. Mit der Spule 11 kann somit ein magnetischer Fluss über den Eisenkreis 12, 13 erzeugt werden, welcher den magnetorheologischen elastomeren Dichtkopf 13 um seinen linke unteren Kante als Schwenkachse gegen die Federkraft des Federelements 19 mittels einer Schwenkbewegung b zur zweiten Polfläche 15b herunterzieht und hierdurch die Ventilöffnung 17 öffnet. Wird die Bestromung beendet, wird der magnetorheologische elastomere Dichtkopf 13 durch die Federkraft des gespannten Federelements 19 wieder mit der Schwenkbewegung b in der entgegengesetzten Richtung in die Ausgangslage gedrückt und hierdurch die Ventilöffnung 17 wieder geschlossen. Der magnetorheologische elastomere Dichtkopf 13 hat Kontakt zu einer Polfläche mit einer Drehachse nahe des Polflächenkontakts, ferner mit einem einseitigen Eisenrückschluss.
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11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen schaltbaren Ventils 1 gemäß eines achten Ausführungsbeispiels vergleichbar dem fünften Ausführungsbeispiel der 7 und 8 mit zusätzlichem Federelement 19, welches vergleichbar dem siebten Ausführungsbeispiels der 10 funktioniert. Hier liegt die Drehachse bzw. Auflage außerhalb des direkten magnetischen Luftspaltes zwischen einem äußerem und innerem Eisenkreis 12, 13, ferner senkrecht zum Luftspalt zwischen den Polfächen.
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12 zeigt das Wirkprinzip der 10 vergleichbar für eine lineare bzw. geradlinige translatorische Bewegung d des magnetorheologischen elastomeren Dichtkopfs 13.
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Eine weitere Ausführungsvariante ist gegeben durch eine Orientierung des Luftspalts 14 ungleich der Achse der Spule 11, siehe 13. Hierbei können die Polflächennormalen N1, N2 eine Ausrichtung von 180° zueinander aufweisen, wobei die Polflächennormalen N1, N2 einen Abstand h größer 0 zueinander aufweisen und der magnetorheologische elastomere Dichtkopf 13 diesen Abstand h überbrückt sowie zumindest an einer der beiden Polflächen 15a, 15b anliegt. Bei einer Orientierung des Luftspalts 14 ungleich der Achse der Spule 11 können die Polflächen 15a, 15b auch einen Winkel ungleich 180°, wie beispielsweise 90°, aufweisen, siehe 15.
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Die Wechselwirkung mit der Ventilöffnung 17 kann durch Andrücken und Vorspannen des magnetorheologischen elastomeren Dichtkopfs 13 durch den Ventilsitz 16 im unbestromten Zustand erfolgen, wodurch das Verhalten eines NC-Ventils (normally closed) erzielt werden kann. Durch Bestromung der Spule 11 wird der magnetorheologische elastomere Dichtkopf 13 vom Ventilsitz 16 weggezogen und die Luft als Fluid kann durch die Ventilöffnung 17 als Fluidströmung L strömen, siehe 16.
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Durch das Hinzufügen einer Öffnung durch das Innere des Schaltaktors 10 als Ventilöffnung 17, welche durch der angezogene magnetorheologischen elastomeren Dichtkopf 13 verschlossen werden kann, kann das Verhalten eines NO-Ventils (normally open) erzeugt und die Fluidströmung L bei Bestromung unterbunden werden, die 17, 18 und 19.
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Allgemein kann es zusätzlich hilfreich sein, den magnetorheologischen elastomeren Dichtkopf 13 im Bereich des zu schließenden Luftspaltes 14 mit einem Verstärkungselement 18 als Einleger 18 aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus Eisen, auszustatten. Dies kann die Kraftentwicklung des Eisenkreises 12, 13 deutlich verstärken, siehe 20. Um dabei jedoch die Biegsamkeit des magnetorheologischen elastomeren Dichtkopfs 13 möglichst wenig zu verringern, kann das Verstärkungselement 18 möglichst kompakt ausgebildet und bzw. oder dort im Verstärkungselement 18 angeordnet sein, wo die Biegsamkeit durch die Anwesenheit des Verstärkungselements 18 möglichst wenig bis gar nicht beeinträchtigt wird.
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Alternativ zur Verwendung eines magnetorheologischen elastomeren Dichtkopf 13 mit im elastomeren Material gelösten magnetisierbaren Partikeln ist auch der Einsatz eines herkömmlichen Elastomers in Kombination mit einem oder mehreren einzeln positionierten magnetisierbaren Elementen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Schnitt
- b
- Biegeverformung; Biegedeformation
- c
- Schwenkbewegung
- d
- translatorische Bewegung
- h
- Abstand zwischen Mittennormalen N1, N2
- L
- Fluidstömung
- 11, 12
- Längen
- N1, N2
- Mittennormalen
- x
- Hub bzw. Hubweg
- 1
- schaltbares Ventil
- 10
- Schaltaktor
- 11
- feststehende Spule
- 12
- feststehendes Joch
- 13
- beweglicher Anker: magnetorheologischer elastomerer Dichtkopf
- 12, 13
- Eisenkreis
- 14
- Luftspalt; Unterbrechung des Eisenkreises 12, 13
- 15a
- erste Polflächen des Eisenkreises 12, 13
- 15b
- zweite Polflächen des Eisenkreises 12, 13
- 15c
- dritte Polflächen des Eisenkreises 12, 13
- 16
- Ventilelement; Ventilsitz
- 17
- Ventilöffnung; Durchflussöffnung
- 18
- Versteifungselement bzw. Einlage des Ankers 13
- 19
- Federelement
- 2
- schaltbares Hydrolager
- 20
- Motoranbindung
- 21
- Tragkörper; Tragfeder; Elastomerkörper
- 22
- Arbeitskammer
- 23
- Entkopplungsmembran
- 24
- Karosserieanbindung; Lagerfußpunkt
- 25
- (Ring-(Kanal
- 26
- Ausgleichskammer
- 27
- Rollmembran
- 28
- Luftkammer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004041651 A1 [0006]
