DE102021126498A1 - Haptic operating device with a magnetorheological braking device and method - Google Patents
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Abstract
Haptische Bedieneinrichtung (100) mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung (1) mit einem feststehenden Halter (4) und mit zwei Bremskomponenten (2, 3). Eine der beiden Bremskomponenten (2, 3) ist mit dem Halter (4) drehfest verbunden. Die beiden Bremskomponenten (2, 3) sind relativ zueinander kontinuierlich um eine Rotationsachse (20) drehbar. Eine erste Bremskomponente (2) erstreckt sich entlang der Rotationsachse (20) und umfasst einen Kern (21) aus einem magnetisch leitfähigen Material. Die zweite Bremskomponente (3) umfasst ein sich um die erste Bremskomponente (2) herum erstreckendes hohl ausgebildetes Mantelteil (13). Zwischen der ersten und der zweiten Bremskomponente (2, 3) sind axial voneinander beabstandete und umlaufende und wenigstens zum Teil mit einem magnetorheologischen Medium (6) gefüllte Bremsspaltabschnitte (5a, 5b, 5c) ausgebildet. Axial ist zwischen einem ersten Bremsspaltabschnitt (5a) und einem zweiten Bremsspaltabschnitt (5b) wenigstens ein dritter Bremsspaltabschnitt (5c) angeordnet. Dem ersten Bremsspaltabschnitt (5a) ist eine erste elektrische Spule (261) und dem zweiten Bremsspaltabschnitt (5b) ist eine separat steuerbare zweite elektrische Spule (262) zugeordnet.Haptic operating device (100) with a magnetorheological braking device (1) with a fixed holder (4) and with two braking components (2, 3). One of the two brake components (2, 3) is non-rotatably connected to the holder (4). The two brake components (2, 3) can be continuously rotated relative to one another about an axis of rotation (20). A first brake component (2) extends along the axis of rotation (20) and comprises a core (21) made of a magnetically conductive material. The second brake component (3) comprises a hollow shell part (13) extending around the first brake component (2). Between the first and the second brake component (2, 3) are formed circumferential brake gap sections (5a, 5b, 5c) which are axially spaced apart from one another and are at least partially filled with a magnetorheological medium (6). At least one third brake gap section (5c) is arranged axially between a first brake gap section (5a) and a second brake gap section (5b). A first electric coil (261) is assigned to the first brake gap section (5a) and a separately controllable second electric coil (262) is assigned to the second brake gap section (5b).
Description
Die Erfindung betrifft eine haptische Bedieneinrichtung und insbesondere einen haptischen Bedienknopf mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung mit einem feststehenden Halter und mit wenigstens zwei Bremskomponenten, die um eine Rotationsachse relativ zueinander kontinuierlich drehbar sind, und ein Verfahren sowie die Verwendung der Vorrichtung.The invention relates to a haptic operating device and in particular a haptic operating button with a magnetorheological braking device with a fixed holder and with at least two braking components that can be continuously rotated relative to one another about an axis of rotation, and a method and the use of the device.
Die haptische Bedien- oder Betätigungseinrichtung kann insbesondere bei der Bedienung von technischen Einrichtungen in Kraftfahrzeugen und anderen Fahrzeugen verwendet werden, so zum Beispiel als Drehsteller, Dreh-/Drücksteller, für das Infotainment, die Klimaanlage (Temperatur, Lüftungsstufe, Verteilung), als Getriebewahlschalter, zur Navigation, bei dem Tempomat, bei der Abstandsregelung, als Sitzverstellung, in der Lenkung (Steer by wire oder Lenkung allgemein) oder im Lenkrad, im Lenker oder Lenkstrang von einem Zweirad, Dreirad, oder Vierrad (z.B. OFF-Highway Fahrzeug wie z.B. Fahrzeuge der Firma Polaris), Jetski, Schneemobile, ALL Terrain Vehicle, bei den Pedalen, bei der Fahrwerksverstellung, bei der Fahrmodiverstellung, zur Scheibenwischereinstellung, zur Fensterverstellung oder zur Schiebedachverstellung, beim Parkassistenten oder zum Einstellen des (teil-) autonomen Fahrens oder sogar als Lenkradersatz.The haptic operating or actuating device can be used in particular when operating technical equipment in motor vehicles and other vehicles, for example as a turntable, turntable/push button, for infotainment, air conditioning (temperature, ventilation level, distribution), as a gear selector switch, for navigation, with cruise control, with distance control, as seat adjustment, in the steering (steer by wire or steering in general) or in the steering wheel, in the handlebar or steering column of a two-wheeler, three-wheeler or four-wheeler (e.g. OFF-Highway vehicle such as vehicles Polaris), jet ski, snowmobile, ALL Terrain Vehicle, for the pedals, for adjusting the chassis, for changing the driving mode, for setting the windscreen wipers, for adjusting the windows or for adjusting the sunroof, for the parking assistant or for setting (partly) autonomous driving or even as a replacement steering wheel .
Der Einsatz ist bei Kraftfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen, Booten, in der Landtechnik bei zum Beispiel Traktoren oder Mähdrescher, Erntemaschinen und sonstigen Feldmaschinen für die Landwirtschaft möglich. Der Einsatz ist auch bei Baumaschinen und zum Beispiel Gabelstaplern oder ähnlichen Maschinen oder auch bei medizinischen oder industriellen Anlagen möglich.It can be used in motor vehicles, aircraft, airplanes, ships, boats, in agricultural engineering, for example in tractors or combine harvesters, harvesters and other field machines for agriculture. It can also be used in construction machinery and, for example, forklifts or similar machines or in medical or industrial systems.
Die Erfindung kann auch bei der Bedienung oder als Eingabegerät von Waschmaschinen, Küchengeräten und Haushaltsgeräten, Radios, Fotoapparaten und Filmkameras, Hi-Fi- und Fernsehanlagen, Smart Devices, Smart-Home-Geräten, Laptops, PCs, Smartwatches, in einem Kronenrad von Armbanduhren oder als Computermaus oder als Drehrad in einer Computermaus, an Spiele-Konsolen, beim Gamingequipment, als Drehknopf in einer Tastatur oder an anderen Geräten verwendet werden.The invention can also be used in the operation or as an input device of washing machines, kitchen appliances and household appliances, radios, cameras and film cameras, hi-fi and television systems, smart devices, smart home devices, laptops, PCs, smartwatches, in a crown wheel of wristwatches or used as a computer mouse or as a wheel in a computer mouse, on game consoles, in gaming equipment, as a knob in a keyboard or on other devices.
Magnetorheologische Fluide weisen beispielsweise in einem Öl verteilt feinste ferromagnetische Partikel wie beispielsweise Carbonyleisenpulver auf. In magnetorheologischen Flüssigkeiten werden annähernd runde oder kugelförmige Partikel mit einem herstellungsbedingten Durchmesser von 1 µm bis 10 µm verwendet, wobei die Partikelgröße und Partikelform nicht einheitlich ist. Wird ein solches magnetorheologisches Fluid mit einem Magnetfeld beaufschlagt, so verketten sich die Carbonyleisenpartikel des magnetorheologischen Fluides oder des magnetorheologischen Mediums oder des magnetorheologischen Fluides entlang der Magnetfeldlinien, sodass die rheologischen Eigenschaften des magnetorheologischen Mediums abhängig von Form und Stärke des Magnetfeldes erheblich beeinflusst werden (übertragbare Schubspannungen).Magnetorheological fluids have, for example, very fine ferromagnetic particles, such as carbonyl iron powder, distributed in an oil. In magnetorheological fluids, approximately round or spherical particles with a manufacturing-related diameter of 1 μm to 10 μm are used, with the particle size and particle shape not being uniform. If such a magnetorheological fluid is subjected to a magnetic field, the carbonyl iron particles of the magnetorheological fluid or the magnetorheological medium or the magnetorheological fluid link up along the magnetic field lines, so that the rheological properties of the magnetorheological medium are significantly influenced depending on the shape and strength of the magnetic field (transmissible shear stresses ).
Bremseinheiten mit magnetorheologisches Flüssigkeiten sind aus dem Stand der Technik bekannt, z.B. die MRF Bremse der Firma Lord Corporation in verschiedenen Baugrößen (5 Nm, 12 Nm, 20 Nm): https://www.lord.com/products-and-solutions/steer-by-wiretactile-feedback-device. Diese werden u.a. auch als „Steer-by-Wire Tactile Feedback“ eingesetzt. Diese Bremsen funktionieren an sich. Ein Nachteil dieser MRF Bremsen ist aber deren relativ hohe Grundreibung (Grundmoment) in Relation zum Maximalmoment (Arbeitsbereich). Der Arbeitsbereich der 5 Nm Bremse ist laut Webseite/Spezifikation der Firma Lord 0,5 bis 5 Nm (Faktor 10), bei der 12 Nm Bremse liegt der Arbeitsbereich zwischen 1 Nm und 12 Nm (Faktor 12) und bei der 20 Nm Bremse liegt der Arbeitsbereich zwischen 1 Nm und 20 Nm (Faktor 20). Dieser relativ geringe Arbeitsbereich ist für viele Anwendungen nicht ausreichend, weshalb diese Serienprodukte primär bei grobmotorischen Anwendungen im Einsatz sind (u.a. Bedienung meist mit Handschuhen, wie in der Industrie, bei Landmaschinen, an Gabelstaplern...).Brake units with magnetorheological fluids are known from the prior art, e.g. the MRF brake from Lord Corporation in various sizes (5 Nm, 12 Nm, 20 Nm): https://www.lord.com/products-and-solutions/ steer-by-wiretactile-feedback-device. These are also used, among other things, as “steer-by-wire tactile feedback”. These brakes work by themselves. A disadvantage of these MRF brakes is their relatively high basic friction (basic torque) in relation to the maximum torque (working range). According to the Lord website/specification, the working range of the 5 Nm brake is 0.5 to 5 Nm (factor 10), with the 12 Nm brake the working range is between 1 Nm and 12 Nm (factor 12) and with the 20 Nm brake the working range between 1 Nm and 20 Nm (factor 20). This relatively small working range is not sufficient for many applications, which is why these series products are primarily used in applications with large motors (e.g. operation mostly with gloves, as in industry, on agricultural machines, on forklifts...).
Feinmotorische Anwendungen wie die Bedienung vom Infotainment mit Dreh-/Drückstellern mittels dreier Finger im Auto, die Bedienung von Spielekonsolen beim Gaming, aber auch das Lenken eines Personenkraftwagens benötigen ein wesentlich niederes Grundmoment bei gleichzeitig höherem Maximalmoment, also einen erheblich größeren Arbeitsbereich. Besonders das hohe Grundmoment führt rasch zum Ermüden bzw. ganz feine Einstellvorgänge werden damit haptisch schwierig. Die bekannten MRF Bremsen lassen einen großen Arbeitsbereich aber nicht zu, da die Reibflächen zu groß sind. Kleinere Reibflächen würden zwar das Grundmoment verringern, aber damit würde auch das Maximalmoment kleiner werden.Fine motor applications such as operating infotainment with rotary/push controls using three fingers in the car, operating game consoles when gaming, but also steering a car require a significantly lower basic torque with a higher maximum torque at the same time, i.e. a significantly larger working range. The high basic torque in particular quickly leads to fatigue and makes very fine adjustments difficult to feel. However, the well-known MRF brakes do not allow a large working range because the friction surfaces are too large. Although smaller friction surfaces would reduce the basic torque, the maximum torque would also be smaller.
Mit der
In der
Nachteilig ist aber, dass das hohe maximal Drehmoment nur bei geringen Drehzahlen der haptischen Bedieneinrichtung erzielbar ist. Überschreitet die Drehzahl einen von der jeweiligen Konstruktion abhängigen Wert, so sinkt das Maximalmoment erheblich ab und erfüllt die Anforderungen nicht immer.The disadvantage, however, is that the high maximum torque can only be achieved at low speeds of the haptic operating device. If the speed exceeds a value that depends on the respective design, the maximum torque drops considerably and does not always meet the requirements.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine haptische Bedieneinrichtung und insbesondere einen haptischen Bedienknopf mit einer magnetorheologischen Brems- oder Dämpfeinrichtung zu Verfügung zu stellen, womit ein geringes Grundmoment und ein relativ hohes Maximaldrehmoment bei unterschiedlichen Drehzahlen erzeugbar ist.It is therefore the object of the present invention to provide a haptic operating device and in particular a haptic operating button with a magnetorheological braking or damping device, with which a low basic torque and a relatively high maximum torque can be generated at different speeds.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine haptische Bedieneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand von Anspruch 39 und 42 und die erfindungsgemäße Verwendung ist Gegenstand von Anspruch 51. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.This object is achieved by a haptic operating device with the features of
Eine erfindungsgemäße haptische Bedieneinrichtung kann insbesondere als haptischer Bedienknopf oder Drehknopf oder Drehelement ausgebildet sein. Die haptische Bedieneinrichtung weist wenigstens eine magnetorheologische Bremseinrichtung mit einem feststehenden Halter und mit wenigstens zwei Bremskomponenten auf. Eine der beiden Bremskomponenten ist mit dem Halter drehfest verbunden. Die beiden Bremskomponenten sind relativ zueinander kontinuierlich um eine (gemeinsame) Rotationsachse drehbar. Eine erste Bremskomponente erstreckt sich entlang der Rotationsachse (in axialer Richtung) und umfasst einen Kern aus einem magnetisch leitfähigen Material. Das bedeutet, dass sich die erste Bremskomponente wenigstens abschnittsweise entlang der Rotationsachse erstreckt. Oder dass sich wenigstens ein Abschnitt der ersten Bremskomponente oder vorzugsweise ein wesentlicher Teil der ersten Bremskomponente entlang der Rotationsachse erstreckt. Die zweite Bremskomponente umfasst ein sich um die erste Bremskomponente herum erstreckendes hohl ausgebildetes Mantelteil (aus einem magnetisch leitfähigen Material). Zwischen der ersten und der zweiten Bremskomponente sind umlaufende und insbesondere axial voneinander beabstandete und wenigstens zum Teil mit einem magnetorheologischen Medium gefüllte Bremsspaltabschnitte ausgebildet. Zwischen einem ersten Bremsspaltabschnitt und einem zweiten Bremsspaltabschnitt ist (in axialer Richtung) wenigstens ein dritter oder mittlerer Bremsspaltabschnitt angeordnet. Dem ersten Bremsspaltabschnitt ist eine erste elektrische Spule und dem zweiten Bremsspaltabschnitt ist eine separat steuerbare zweite elektrische Spule zugeordnet.A haptic control device according to the invention can be designed in particular as a haptic control knob or rotary knob or rotary element. The haptic operating device has at least one magnetorheological braking device with a stationary holder and with at least two braking components. One of the two brake components is non-rotatably connected to the holder. The two brake components are continuously rotatable relative to one another about a (common) axis of rotation. A first braking component extends along the axis of rotation (in the axial direction) and includes a core of magnetically conductive material. This means that the first braking component extends at least in sections along the axis of rotation. Or that at least a portion of the first braking component, or preferably a substantial part of the first braking component, extends along the axis of rotation. The second brake component includes a hollow shell portion (of magnetically conductive material) extending around the first brake component. Between the first and the second brake component are circumferential and in particular axially spaced apart brake gap sections that are at least partially filled with a magnetorheological medium. At least one third or middle brake gap section is arranged (in the axial direction) between a first brake gap section and a second brake gap section. A first electric coil is assigned to the first brake gap section and a separately controllable second electric coil is assigned to the second brake gap section.
Die erfindungsgemäße haptische Bedieneinrichtung hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen haptischen Bedieneinrichtung besteht darin, dass zwei separate elektrische Spulen (mit damit zusammenwirkenden Bremsspaltabschnitten) vorgesehen und unterschiedlich ansteuerbar sind. The haptic operating device according to the invention has many advantages. A significant advantage of the haptic operating device according to the invention is that two separate electrical coils (with braking gap sections that interact with them) are provided and can be controlled differently.
Dadurch kann die haptische Wirkung noch besser und feinfühliger dosiert eingestellt werden. Damit kann die Bremswirkung z.B. bei geringen Drehzahlen oder im Stillstand mit der einen bzw. ersten elektrischen Spule (und dem damit zusammenhängenden Bremsspalt) eingestellt werden, während mit der zweiten elektrischen Spule (plus Bremsspalt) das Bremsmoment z.B. bei höheren Drehzahlen optimal eingestellt werden kann. Die Einstellung der jeweiligen Stromstärken und Stromverläufe kann unabhängig voneinander erfolgen.As a result, the haptic effect can be adjusted even better and more sensitively. In this way, the braking effect can be set, e.g. at low speeds or at a standstill, with one or the first electrical coil (and the associated braking gap), while the braking torque can be optimally set, e.g. at higher speeds, with the second electrical coil (plus braking gap). The respective current intensities and current curves can be set independently of one another.
Besonders wenn die zur Verfügung stehende Elektronik keine große Regelspanne aufweist, ist es vorteilhaft, wenn zwei (gleiche oder mitunter auch unterschiedliche) Spulen für verschiedene Drehmomente und Drehzahlen unabhängig voneinander geregelt werden können. Das ist z.B. bei PKWs der Fall, wo die Bordelektronik nur eine limitierte Leistung bzw. Spannung zur Verfügung stellt. Die haptische Bedieneinrichtung kann als Dreh-/Drückknopf den Bordcomputer oder die verschiedenen Funktionen der Komponenten des Fahrzeugs steuern, oder im Lenkrad als Bedienwalze oder für eine für Steer-by-wire Anwendung. Dort kann eine erste elektrische Spule (mit z.B. einer Sternkontur im Bremsspaltabschnitt) für die niedrigen Bremsmomente verwendet werden, bei der kleine Momente (z.B. 0,1Nm) mit hoher Auflösung erzeugt werden sollen. Das regelbare Drehmoment ist in dem Fall auch nicht (oder nur minimal) geschwindigkeitsabhängig. Die zweite elektrische Spule kann z. B. das Magnetfeld in einem anderen und z. B. dem zweiten oder dritten Bremsspaltabschnitt (z.B. Keillager mit Wälzkörpern) für hohe Sperrmomente bzw. das Maximalmoment einstellen bzw. regeln, wie es bei einem Endanschlag notwendig ist. Derart hohe Momente benötigen keine hohe Auflösung und die Geschwindigkeitsabhängigkeit ist in dem Fall nicht ausschlaggebend.Especially if the available electronics do not have a large control range, it is advantageous if two (same or sometimes different) coils for different torques and speeds can be controlled independently of each other. This is the case, for example, in passenger cars, where the on-board electronics only provide limited power or voltage. The haptic operating device can be used as a rotary/push button to control the on-board computer or the various functions of the vehicle's components, or in the steering wheel as an operating roller or for steer-by-wire applications. There, a first electric coil (eg with a star contour in the braking gap section) can be used for the low braking torques, in which small torques (eg 0.1Nm) are to be generated with high resolution. In this case, the controllable torque is also not (or only minimally) dependent on the speed. The second electrical coil can, for. B. the magnetic field in another and z. B. the second or third brake gap section (e.g. wedge bearing with rolling elements) for high locking torques or the maximum torque or regulate, as is necessary for a limit stop. Such high torques do not require a high resolution and the speed dependency is not decisive in this case.
Die Erfindung ermöglicht es, dass für das Bremsen im Stillstand (Blockieren) z.B. eine elektrische Spule bzw. ein (extra dafür ausgelegter) Magnetkreis verwendet wird, womit ein besonders hohes Bremsmoment erzeugbar ist. Dabei muss (im Stillstand bei hohen Momenten) oft die Reproduzierbarkeit nicht besonders genau sein, was den konstruktiven Aufwand und die Kosten verringert. Eine stillstehende Bremskomponente dreht sich ja nicht, solange das Bremsmoment hoch genug ist und nicht überschritten wird. Die andere elektrische Spule bzw. der andere Magnetkreis können dann z.B. dafür ausgelegt sein, im laufenden Betrieb beim Drehen die entsprechende Bremskomponente gezielt abzubremsen. Das erfordert regelmäßig eine höhere Reproduzierbarkeit, damit haptisch kein Unterschied oder nur ein geringer Unterschied zu merken ist. Meist erfordert das höhere Anforderungen an die konstruktiven Bedingungen und kann einen größeren technischen Aufwand erfordern und höhere Kosten bedingen. Die Erfindung ermöglicht beide Eigenschaften auf einfache Art und Weise und insgesamt eine kostengünstige Gestaltung.The invention makes it possible, for example, to use an electrical coil or a (specially designed) magnetic circuit for braking at a standstill (blocking), with which a particularly high braking torque can be generated. The reproducibility often does not have to be particularly precise (at a standstill with high torques), which reduces the design effort and costs. A stationary brake component does not rotate as long as the braking torque is high enough and not exceeded. The other electrical coil or the other magnetic circuit can then be designed, for example, to specifically brake the corresponding braking component during operation when rotating. This regularly requires a higher level of reproducibility, so that no difference or only a small difference can be felt haptically. This usually requires higher demands on the structural conditions and can require greater technical effort and higher costs. The invention makes both properties possible in a simple manner and, overall, a cost-effective design.
Wenigstens ein Bremsspaltabschnitt ist an einem Bremsspalt ausgebildet. Es ist möglich und bevorzugt, dass zwei oder mehr Bremsspaltabschnitte an einem gemeinsamen oder an verschiedenen (und gegebenenfalls räumlich oder baulich getrennten) Bremsspalten vorgesehen oder ausgebildet sind. So können alle Bremsspaltabschnitte an einem einzigen Bremsspalt ausgebildet sein. Möglich ist es auch, dass jeder einzelne Bremsspaltabschnitt an einem separaten Bremsspalt ausgebildet ist.At least one braking gap portion is formed at a braking gap. It is possible and preferred that two or more braking gap sections are provided or formed on a common braking gap or on different (and optionally spatially or structurally separate) braking gaps. Thus, all braking gap sections can be formed at a single braking gap. It is also possible for each individual braking gap section to be formed on a separate braking gap.
Besonders bevorzugt sind wenigstens zwei unterschiedlich ausgebildete Bremsspaltabschnitte umfasst. Insbesondere sind der erste und der zweite Bremsspaltabschnitte verschieden voneinander ausgestaltet. Der erste und der zweite Bremsspaltabschnitte sind vorzugsweise in radialer und/oder axialer (und/oder schräger) Richtung unterschiedlich ausgebildet und/oder sind funktional unterschiedlich ausgebildet.At least two differently designed brake gap sections are particularly preferably included. In particular, the first and the second brake gap sections are designed differently from one another. The first and the second brake gap sections are preferably designed differently in the radial and/or axial (and/or oblique) direction and/or are designed differently in terms of function.
Dadurch kann bei unterschiedlichen Drehzahlen der haptischen Bedieneinrichtung auf unterschiedliche Art und Weise gebremst werden. Während z. B. der erste Bremsspaltabschnitt (funktional bedingt) ein höheres Drehmoment bei geringeren Drehzahlen erzeugen kann, kann z. B. der zweite Bremsspaltabschnitt durch den anderen Aufbau bedingt auch bei höheren Drehzahlen ein relativ hohes Drehmoment erzeugen. Solche Wirkungen können auch durch die beiden elektrischen Spulen erzeugt und insbesondere erheblich verstärkt werden. Es kann im Stillstand ein besonders hohes Drehmoment erzeugt werden und bei hohen Drehzahlen ein fein steuerbares niedriges oder bei Bedarf auch hohes Drehmoment, je nach Ansteuerung der beiden elektrischen Spulen.As a result, the haptic operating device can be braked in different ways at different speeds. while e.g. B. the first brake gap section (functional) can produce a higher torque at lower speeds, z. B. the second brake gap portion due to the other structure produce a relatively high torque even at higher speeds. Such effects can also be generated by the two electrical coils and, in particular, can be significantly intensified. A particularly high torque can be generated at standstill and at high speeds a finely controllable low torque or, if necessary, a high torque, depending on the activation of the two electric coils.
Dadurch kann auch über den gesamten Drehzahlbereich ein konstantes maximales Drehmoment erreicht werden, was in vielen Anwendungen auch sehr vorteilhaft ist.As a result, a constant maximum torque can also be achieved over the entire speed range, which is also very advantageous in many applications.
Vorteilhaft ist auch die Redundanz, die ein solches System mit zwei elektrischen Spulen liefert. Wenn eine Spule ausfallen sollte, kann die zweite Spule immer noch ein Magnetfeld erzeugen, und somit über den zugehörigen Bremsspaltabschnitt ein regelbares Drehmoment bereitstellen (wenn auch nicht immer mit der gleichen Güte). Für Anwendungen, bei denen eine hohe Ausfallsicherheit gefordert wird, ist Redundanz sehr vorteilhaft.The redundancy provided by such a system with two electrical coils is also advantageous. If one coil should fail, the second coil can still generate a magnetic field and thus provide a controllable torque (although not always with the same quality) via the associated brake gap section. Redundancy is very beneficial for applications that require a high level of reliability.
Insbesondere sind der erste Bremsspaltabschnitt und der zweite Bremsspaltabschnitt unterschiedlich ausgebildet. Es sind vorzugsweise wenigstens zwei (funktional) unterschiedliche und radial ausgebildete Bremsspaltabschnitte umfasst. Die Bremsspaltabschnitte sind vorzugsweise separat voneinander ausgebildet und in vorteilhaften Ausgestaltungen in axialer Richtung voneinander getrennt.In particular, the first brake gap section and the second brake gap section are designed differently. At least two (functionally) different and radially designed brake gap sections are preferably included. The braking gap sections are preferably formed separately from one another and, in advantageous configurations, are separated from one another in the axial direction.
Vorzugsweise sind der erste Bremsspaltabschnitt und der zweite Bremsspaltabschnitt unterschiedlich weit (Spalthöhe) ausgebildet und/oder weisen unterschiedliche Querschnittsverläufe auf.Preferably, the first braking gap section and the second braking gap section have different widths (gap height) and/or have different cross-sectional profiles.
Besonders bevorzugt ist es auch, dass an dem ersten Bremsspaltabschnitt und dem zweiten Bremsspaltabschnitt wenigstens teilweise unterschiedliche Materialien eingesetzt sind. Insbesondere können sich in den Bereichen des ersten Bremsspaltabschnitts und des zweiten Bremsspaltabschnitts die eingesetzten Materialien an dem Kern und/oder dem Mantelteil wenigstens abschnittsweise unterscheiden. Es können gleiche oder unterschiedliche Materialien und Konstruktionen für die elektrischen Spulen verwendet werden.It is also particularly preferred that at least partially different materials are used on the first braking gap section and the second braking gap section. In particular, the materials used on the core and/or the casing part can differ at least in sections in the areas of the first braking gap section and the second braking gap section. The same or different materials and constructions can be used for the electrical coils.
Die zwei Bremsspaltabschnitte können verschiedene Laufspiele und Spaltabmessungen und/oder Spaltkonturen und Spaltverläufe (der sich zueinander bewegenden Teile) haben. Eine kleine Spalthöhe kann höhere Momente bringen, ist aber oft schwerer regelungstechnisch zu beherrschen. Eine große Spalthöhe verhält sich in der Regel gegenteilig (niederes Moment, aber besser regelbar). Je nach Anforderungen kann somit die eine (erste) oder die andere (zweite) elektrische Spule (Elektrospule) bestromt werden. So benötigt z.B. ein Endstop (Anschlag, Barriere) meist sehr hohe Momente und wenig Regelungstechnik, da der Aktor quasi steht (Stillstand). Hier sind ein kleiner Spalt (Spalthöhe) oder mögliche Drehkörper/Walzen in dem Bremsspaltabschnitt effizient. Ein möglichst konstantes Bremsen bei höheren Drehzahlen benötigt regelmäßig hingegen eine hohe Regelgüte, hier ist eine größere Spalthöhe und/oder eine Scheiben-/Sternkontur an einem Bremsspaltabschnitt von Vorteil.The two brake gap sections can have different running clearances and gap dimensions and/or gap contours and gap profiles (of the parts moving towards one another). A small gap height can result in higher moments, but is often more difficult to control in terms of control technology. A large gap height usually behaves in the opposite way (lower moment, but better controllable). Depending on the requirements, one (first) or the other (second) electric coil (electrical coil) can be energized. For example, an end stop (stop, barrier) usually requires very high torque and little control technology, since the actuator is virtually stationary (standstill). Here a small gap (gap height) or possible rotating bodies/rollers in the braking gap section are efficient. Braking that is as constant as possible at higher speeds, on the other hand, regularly requires high control quality; a larger gap height and/or a disc/star contour on a braking gap section is advantageous here.
Ein erheblicher Vorteil einer solchen haptischen Bedieneinrichtung besteht darin, dass zwei funktional unterschiedliche und jeweils in radialer Richtung ausgebildete Bremsspaltabschnitte umfasst sind. Dadurch kann bei unterschiedlichen Drehzahlen der haptischen Bedieneinrichtung auf unterschiedliche Art und Weise gebremst werden. Während einer der Bremsspaltabschnitte (funktional bedingt) ein höheres Drehmoment bei geringeren Drehzahlen erzeugt, erzeugt der andere Bremsspaltabschnitt durch den anderen Aufbau bedingt auch bei höheren Drehzahlen ein relativ hohes Drehmoment. Dadurch wird über den gesamten Drehzahlbereich ein konstantes maximales Drehmoment erreicht, was in vielen Anwendungen sehr vorteilhaft ist.A significant advantage of such a haptic operating device is that it includes two functionally different brake gap sections that are each formed in the radial direction. As a result, the haptic operating device can be braked in different ways at different speeds. While one of the brake gap sections (functionally related) generates a higher torque at lower speeds, the other brake gap section generates a relatively high torque even at higher speeds due to the different structure. As a result, a constant maximum torque is achieved over the entire speed range, which is very advantageous in many applications.
Die haptische Bedieneinrichtung ist einfach aufgebaut, verwendet nur wenige Teile und erlaubt eine leichte und kostengünstige Fertigung. Die Grundreibung ist gering und es kann für unterschiedliche Drehzahlen und auch im Stillstand ein hohes Maximaldrehmoment bereitgestellt werden. Die Fertigung ist einfach und kostengünstig.The haptic control device has a simple structure, uses only a few parts and allows easy and inexpensive production. The basic friction is low and a high maximum torque can be provided for different speeds and also at standstill. Manufacturing is simple and inexpensive.
Die erste Bremskomponente definiert eine axiale Richtung. Insbesondere ist eine Symmetrieachse der ersten Bremskomponente die Rotationsachse. Vorzugsweise erstreckt sich der Kern der ersten Bremskomponente in der axialen Richtung, kann aber auch einen leichten Winkel zur axialen Richtung aufweisen.The first braking component defines an axial direction. In particular, an axis of symmetry of the first braking component is the axis of rotation. Preferably, the core of the first brake component extends in the axial direction, but may also have a slight angle to the axial direction.
Die Erfindung ermöglicht es, ein hohes Bremsmoment bei unterschiedlichen Drehzahlen bei einem kleinen Bauraum zu erzeugen. Das Magnetfeld durchtritt die zwei unterschiedlichen Bremsspaltabschnitte zwischen dem Kern und dem Mantelteil jeweils im Wesentlichen radial oder jedenfalls doch quer zu der Rotationsachse.The invention makes it possible to generate a high braking torque at different speeds in a small space. The magnetic field passes through the two different brake gap sections between the core and the casing part, each essentially radially or at least transversely to the axis of rotation.
Besonders bevorzugt ist an wenigstens einem und insbesondere dem ersten Bremsspaltabschnitt eine Scheibenkontur zwischen dem Mantelteil und dem Kern angeordnet oder ausgebildet. Der erste Bremsspaltabschnitt ist insbesondere ein axial äußerer Bremsspaltabschnitt, insbesondere wenn insgesamt drei (oder vier) Bremsspaltabschnitte umfasst sind.A disc contour is particularly preferably arranged or formed between the casing part and the core on at least one and in particular the first braking gap section. The first brake gap section is in particular an axially outer brake gap section, in particular if a total of three (or four) brake gap sections are included.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass alle Bremsspaltabschnitte wenigstens teilweise mit einem magnetorheologischen Medium gefüllt sind.In all configurations it is preferred that all braking gap sections are at least partially filled with a magnetorheological medium.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die Bremsspaltabschnitte an einem gemeinsamen Spalt ausgebildet sind, der sich umlaufend zwischen den beiden Bremskomponenten erstreckt.In all configurations, it is preferred that the braking gap sections are formed in a common gap that extends circumferentially between the two braking components.
Vorzugsweise ist eine Scheibenkontur an dem ersten oder an wenigstens einem Bremsspaltabschnitt an dem Mantelteil und/oder dem Kern angeordnet, befestigt oder ausgebildet. Praktisch wird durch die Scheibenkontur vorzugsweise der (erste) Bremsspaltabschnitt definiert. Unter einer Scheibenkontur wird auch eine scheibenkonturähnliche Form verstanden.A disk contour is preferably arranged, fastened or formed on the first brake gap section or on at least one brake gap section on the casing part and/or the core. In practice, the (first) brake gap section is preferably defined by the disc contour. A disk contour is also understood to mean a shape similar to a disk contour.
Die Scheibenkontur kann als Ringflansch integral mit dem Kern ausgebildet sein, kann aber auch ein separates Teil sein, welches an dem Kern angeordnet oder befestigt wird. Die Scheibenkontur kann auch mehrteilig sein. Denkbar ist es auch, dass die Scheibenkontur integral an dem Mantelteil ausgebildet ist oder daran befestigt ist. In dem ersten Fall ragt die Scheibenkontur radial von dem Kern nach außen und in dem zweiten Fall radial von dem Mantelteil aus nach innen.The disk contour can be formed integrally with the core as an annular flange, but can also be a separate part which is arranged or attached to the core. The disc contour can also be in several parts. It is also conceivable that the disk contour is formed integrally on the casing part or is attached to it. In the first case the disk contour projects radially outwards from the core and in the second case radially inwards from the shell part.
Möglich sind auch zwei Scheibenkonturen, von denen eine von dem Kern aus radial nach außen und die andere von dem Mantelteil aus radial nach innen absteht. Der zugehörige Bremsspaltabschnitt wird dann (insbesondere radial) zwischen den Scheibenkonturen ausgebildet. Denkbar ist es auch, dass zwischen einer von dem Kern radial nach außen abstehenden Scheibenkontur und einer von dem Mantelteil radial nach innen abstehenden Scheibenkontur ein definierter Axialspalt gebildet wird, der zu dem Bremsspaltabschnitt gehört. Radialspalte haben aber den Vorteil, dass sich ein axiales Spiel nicht auf die Spalthöhe bzw. Spaltweite auswirkt.Two disc contours are also possible, one of which protrudes radially outwards from the core and the other protrudes radially inwards from the casing part. The associated brake gap section is then formed (in particular radially) between the disc contours. It is also conceivable that between one of the core radially outwardly protruding disc contour and a disc contour protruding radially inward from the casing part, a defined axial gap is formed, which belongs to the braking gap section. However, radial gaps have the advantage that axial play does not affect the gap height or gap width.
Vorzugsweise ist an dem zweiten (oder wenigstens einem) Bremsspaltabschnitt eine Mehrzahl von Wälzkörpern auf dem Umfang des Kerns angeordnet. Dabei sind die Wälzkörper vorzugsweise an einer Halterung (Wälzkörperhalterung) aufgenommen. Die Halterung bzw. Wälzkörperhalterung besteht besonders bevorzugt aus einem nicht magnetisch leitfähigen Material.A plurality of rolling elements are preferably arranged on the circumference of the core at the second (or at least one) braking gap section. In this case, the rolling elements are preferably accommodated on a holder (rolling element holder). The holder or rolling body holder particularly preferably consists of a non-magnetically conductive material.
Der zweite Bremsspaltabschnitt ist vorzugsweise auch ein axial äußerer Bremsspaltabschnitt.The second braking gap section is preferably also an axially outer braking gap section.
Insbesondere ist an dem zweiten (oder wenigstens an einem) Bremsspaltabschnitt zwischen dem Mantelteil und dem Kern wenigstens eine Sternkontur angeordnet. Dadurch ergibt sich in dem Bereich der Sternkontur eine veränderliche Spalthöhe über den Umfang des Bremsspaltabschnitts. Auch in dieser Ausgestaltung ist der zweite Bremsspaltabschnitt vorzugsweise auch ein axial äußerer Bremsspaltabschnitt.In particular, at least one star contour is arranged on the second (or at least on one) braking gap section between the casing part and the core. This results in a variable gap height over the circumference of the braking gap section in the area of the star contour. In this configuration, too, the second brake gap section is preferably also an axially outer brake gap section.
An einer Sternkontur sind vorzugsweise Magnetfeldkonzentratoren ausgebildet oder angeordnet, welche (radial) in den Spalt hineinragen, sodass sich in dem Bereich der Sternkontur der umlaufende zweite Bremsspaltabschnitt mit veränderlicher Spalthöhe ergibtMagnetic field concentrators are preferably formed or arranged on a star contour, which protrude (radially) into the gap, so that in the region of the star contour the circumferential second brake gap section with a variable gap height results
Die als Magnetfeldkonzentratoren dienenden Elemente können radial nach innen oder radial nach außen oder axial von einer Sternkontur abstehen. Die Magnetfeldkonzentratoren können z. B. zahnförmig, bogenförmig, sinusförmig, trapezförmig ausgebildet sein und können regelmäßig oder auch unregelmäßig verteilt angeordnet und unterschiedlich hoch sein.The elements serving as magnetic field concentrators can protrude radially inwards or radially outwards or axially from a star contour. The magnetic field concentrators can, for. B. tooth-shaped, arc-shaped, sinusoidal, trapezoidal and can be arranged regularly or irregularly distributed and be of different heights.
Ein (einzelner) Magnetfeldkonzentrator kann auch als Arm ausgebildet sein. Ein Magnetfeldkonzentrator kann jeweils einzeln befestigt oder integral ausgebildet sein.A (single) magnetic field concentrator can also be designed as an arm. A magnetic field concentrator may be attached individually or integrally formed.
Vorzugsweise sind die erste elektrische Spule und die zweite elektrische Spule jeweils (radial) zwischen dem Mantelteil und dem Kern aufgenommen und sind jeweils um die Rotationsachse herum gewickelt.Preferably, the first electrical coil and the second electrical coil are each received (radially) between the shell portion and the core and are each wound around the axis of rotation.
Der dritte Bremsspaltabschnitt wird insbesondere durch wenigstens eine Ringkontur ausgebildet, welche zwischen dem Mantelteil und dem Kern angeordnet oder ausgebildet ist. Die Ringkontur kann analog zu einer zuvor beschriebenen Scheibenkontur integral oder als separates Teil auch mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere ist die Ringkontur in axialer Richtung länger ausgestaltet als die Scheibenkontur.The third brake gap section is formed in particular by at least one ring contour, which is arranged or formed between the casing part and the core. Analogous to a previously described disk contour, the ring contour can be designed integrally or as a separate part, also in several parts. In particular, the ring contour is longer in the axial direction than the disc contour.
Die Ringkontur bildet vorzugsweise einen umlaufenden dünnen Spaltabschnitt zwischen dem Mantelteil und dem Kern aus, nämlich den dritten Bremsspaltabschnitt.The ring contour preferably forms a peripheral thin gap section between the casing part and the core, namely the third braking gap section.
Vorzugsweise ist die erste elektrische Spule axial zwischen dem ersten Bremsspaltabschnitt und der Ringkontur angeordnet. Die zweite elektrische Spule ist vorzugsweise axial zwischen der Ringkontur und dem zweiten Bremsspaltabschnitt angeordnet.The first electrical coil is preferably arranged axially between the first braking gap section and the annular contour. The second electric coil is preferably arranged axially between the ring contour and the second brake gap section.
Die Ringkontur kann als separates Teil ausgebildet sein.The ring contour can be designed as a separate part.
In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass die Magnetfelder der ersten elektrischen Spule und der zweiten elektrischen Spule jeweils zu einem erheblichen Anteil durch die Ringkontur verlaufen.In all configurations, it is particularly preferred that the magnetic fields of the first electric coil and the second electric coil each run through the ring contour to a significant extent.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die erste elektrische Spule und die zweite elektrische Spule unterschiedlich ausgebildet sind. Dadurch können den Bremsspaltabschnitten unterschiedliche Eigenschaften zugeordnet werden.In all configurations, it is preferred that the first electrical coil and the second electrical coil are designed differently. As a result, different properties can be assigned to the braking gap sections.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens zwei elektrische Spulen und insbesondere die erste elektrische Spule und die zweite elektrische Spule sich in wenigstens einem Parameter aus einer Gruppe von Parametern und insbesondere von Spulenparametern unterscheiden. Die Gruppe der Parameter umfasst insbesondere den Drahtdurchmesser und Drahtquerschnitt (rund, eckig...), die Wicklungszahl, das Wickelfenster, die Wickelart, die Spulenbreite, die Spulengeometrie, den Spulenquerschnitt, den Spulendurchmesser und das Material der Spule und/oder das angrenzende Material.It is preferred that at least two electrical coils and in particular the first electrical coil and the second electrical coil differ in at least one parameter from a group of parameters and in particular coil parameters. The group of parameters includes in particular the wire diameter and wire cross-section (round, square...), the number of windings, the winding window, the type of winding, the coil width, the coil geometry, the coil cross-section, the coil diameter and the material of the coil and/or the adjacent material .
Die elektrischen Spulen können unterschiedliche Drahtdurchmesser, Materialien und auch Wickelfenster (Gesamtquerschnittsfläche der Wicklung) haben. Eine Spule kann z.B. einen dickeren Draht mit einem geringeren elektrischen Widerstand haben, wodurch diese Spule regelungstechnisch schneller wird. Die Spulen können so optimal mit den speziellen Eigenschaften der damit in Zusammenhang stehenden Bremsabschnitte ausgelegt werden.The electrical coils can have different wire diameters, materials and also winding windows (total cross-sectional area of the winding). For example, a coil can have a thicker wire with a lower electrical resistance, which makes this coil faster to control. The coils can thus be optimally designed with the special properties of the associated braking sections.
Durch Variation von Parametern oder Eigenschaften der elektrischen Spulen und/oder der zugehörigen Magnetkreisläufe kann eine elektrische Spule in Richtung „schnell“ oder energieeffizient getrimmt werden. Eine elektrische Spule und die Bremseinrichtung insgesamt kann so hohe und schnelle Bremsmomente erzeugen, während die andere elektrische Spule z. B. energieeffiziente Bremsmomente erzeugt. Letzteres ist besonders bei batteriegetriebenen Fahrzeugen vorteilhaft.By varying parameters or properties of the electrical coils and / or the assigned For magnetic circuits, an electric coil can be trimmed in the direction of "fast" or energy-efficient. An electric coil and the braking device as a whole can generate high and fast braking torques, while the other electric coil z. B. generates energy-efficient braking torques. The latter is particularly advantageous for battery-powered vehicles.
Es können aber auch drei und mehrere elektrische Spulen und Bremsspaltabschnitte umfasst oder vorgesehen sein.However, three or more electrical coils and braking gap sections can also be included or provided.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen und Weiterbildungen ist an dem ersten Bremsspaltabschnitt eine Scheibenkontur zwischen dem Mantelteil und dem Kern ausgebildet und in dem zweiten Bremsspaltabschnitt ist eine Mehrzahl von Wälzkörpern auf dem Umfang des Kerns angeordnet und in dem dritten Bremsspaltabschnitt ist die Ringkontur angeordnet. Die Ringkontur ist insbesondere breiter ausgebildet als die Scheibenkontur an dem ersten Bremsspaltabschnitt.In particularly preferred configurations and developments, a disk contour is formed between the casing part and the core on the first brake gap section, and a plurality of rolling elements are arranged on the circumference of the core in the second brake gap section, and the ring contour is arranged in the third brake gap section. The ring contour is in particular wider than the disk contour on the first brake gap section.
Vorzugsweise umfasst der Halter eine Achse bzw. Welle, an der eine Kabeldurchführung ausgebildet ist, durch welche elektrische Kabel über ein mit der Achse verbundenes Innenteil zu der ersten und der zweiten elektrischen Spule geleitet werden.The holder preferably comprises an axle or shaft, on which a cable bushing is formed, through which electrical cables are routed via an inner part connected to the axle to the first and the second electrical coil.
Die beiden elektrischen Spulen können an einer (gemeinsamen oder an separaten) Halterung (Spulenhalterung) aufgenommen sein.The two electrical coils can be accommodated on a (common or separate) holder (coil holder).
Insbesondere sind an den axialen Enden ein erster und ein zweiter Deckel mit dem Mantelteil verbunden, wobei die Achse nur durch einen Deckel durchgeführt ist und gegenüber der Achse abgedichtet ist.In particular, a first and a second cover are connected to the casing part at the axial ends, with the axle being passed through only one cover and being sealed off from the axle.
Es ist auch möglich und bevorzugt, dass wenigstens ein vierter Bremsspaltabschnitt umfasst ist. Dann ist es möglich, dass der ersten elektrischen Spule z. B. der erste und der dritte Bremsspaltabschnitt zugeordnet sind und dass der zweiten elektrischen Spule z. B. der zweite und der vierte Bremsspaltabschnitt zugeordnet sind. Möglich ist auch eine andere Zuordnung. Möglich ist es auch, dass das Magnetfeld wenigstens einer elektrischen Spule wenigstens drei Bremsspaltabschnitte durchtritt.It is also possible and preferred that at least a fourth braking gap section is included. Then it is possible that the first electric coil z. B. the first and the third brake gap section are assigned and that the second electric coil z. B. the second and the fourth brake gap section are assigned. Another assignment is also possible. It is also possible that the magnetic field of at least one electric coil passes through at least three brake gap sections.
Werden Wälzkörper an dem zweiten Bremsspaltabschnitt eingesetzt, so dienen diese praktisch insbesondere als Magnetfeldkonzentratoren. Aufgrund der (als Magnetfeldkonzentratoren dienenden) Wälzkörper können sich zwischen den einzelnen Magnetfeldlinien und der radialen Ausrichtung spitze Winkel ergeben, aber generell oder im Durchschnitt verläuft das Magnetfeld im Wesentlichen radial. Das Gleiche gilt auch für den anderen Bremsspaltabschnitt mit der Scheibenkontur, bei der sich an dem radialen Ende der Scheibenkontur auch eine dreidimensionale Ausrichtung der Magnetfeldlinien ergeben kann, die aber im Durchschnitt oder insgesamt doch wieder im Wesentlichen radial ausgerichtet sind.If rolling bodies are used in the second brake gap section, then these serve in practice, in particular, as magnetic field concentrators. Due to the rolling elements (serving as magnetic field concentrators) there can be acute angles between the individual magnetic field lines and the radial orientation, but generally or on average the magnetic field is essentially radial. The same also applies to the other brake gap section with the disk contour, in which a three-dimensional alignment of the magnetic field lines can also result at the radial end of the disk contour, but which are again essentially radially aligned on average or overall.
Insbesondere ist in einem axialen Bereich (direkt) benachbart zu der ersten elektrischen Spule eine Scheibenkontur oder ein Scheibenkörper zwischen dem Mantelteil und dem Kern ausgebildet und in einem (anderen) axialen Abschnitt ist (direkt) benachbart zu der zweiten elektrischen Spule eine Mehrzahl von Wälzkörpern (als Magnetfeldkonzentratoren) auf dem Umfang des Kerns angeordnet. Die Wälzkörper sind insbesondere in einer gemeinsamen Ebene quer oder senkrecht zur Rotationsachse angeordnet. Vorzugsweise können sich die Wälzkörper vollständig um den Kern herum bewegen. Eine Außenoberfläche des Kerns ist in dem zweiten Bremsspaltabschnitt vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Vorzugsweise ist (direkt) zwischen der ersten elektrischen Spule und der zweiten elektrischen Spule die Ringkontur angeordnet.In particular, in an axial area (directly) adjacent to the first electrical coil, a disk contour or a disk body is formed between the casing part and the core, and in a (different) axial section (directly) adjacent to the second electrical coil, a plurality of rolling elements ( as magnetic field concentrators) arranged on the circumference of the core. In particular, the rolling elements are arranged in a common plane transversely or perpendicularly to the axis of rotation. Preferably, the rolling elements can move completely around the core. An outer surface of the core is preferably cylindrical in the second braking gap portion. The ring contour is preferably arranged (directly) between the first electrical coil and the second electrical coil.
Vorzugsweise ist ein Radius bzw. (typischer oder maximaler) Durchmesser des ersten Bremsspaltabschnittes etwa und insbesondere genau so groß wie ein Radius bzw. (typischer oder maximaler) Durchmesser des zweiten Bremsspaltabschnittes und/oder des dritten Bremsspaltabschnittes. Dadurch werden große Momente auch bei höheren Drehzahlen und beim Anlaufen aus dem Stand erzeugbar.A radius or (typical or maximum) diameter of the first brake gap section is preferably approximately and in particular exactly the same size as a radius or (typical or maximum) diameter of the second brake gap section and/or the third brake gap section. This means that large torques can be generated even at higher speeds and when starting from a standstill.
Das magnetorheologische Medium benetzt insbesondere die erste und die zweite Bremskomponente wenigstens abschnittsweise.The magnetorheological medium particularly wets the first and the second brake component at least in sections.
Die erste elektrische Spule und die zweite elektrische Spule sind vorzugsweise um die Rotationsachse herumgewickelt und erzeugen im Wesentlichen ein Magnetfeld in axialer Richtung innerhalb des Kerns. Die beiden elektrischen Spulen sind dabei radial zwischen dem Kern und dem Mantelteil aufgenommen. Die elektrischen Spulen können dabei um den Kern gewickelt oder auch innen an dem Mantelteil befestigt sein.The first electrical coil and the second electrical coil are preferably wound around the axis of rotation and substantially generate a magnetic field in the axial direction within the core. The two electrical coils are accommodated radially between the core and the casing part. The electrical coils can be wound around the core or attached to the inside of the casing part.
Der Kern besteht aus einem magnetisch (gut) leitfähigen Material. Die erste Bremskomponente umfasst den Kern und insbesondere eine Achse oder einen Schaft, der insbesondere wenigstens zum Teil oder vollständig aus einem magnetisch nichtleitenden Material besteht. Vorzugsweise sind die Achse (der Schaft) und der Kern lösbar miteinander verbunden.The core consists of a magnetically (well) conductive material. The first braking component comprises the core and in particular an axle or a shaft which in particular consists at least partially or completely of a magnetically non-conductive material. Preferably, the axle (the shaft) and the core are detachably connected to each other.
Die Scheibenkontur besteht wenigstens teilweise oder vollständig auch aus einem magnetisch (gut) leitfähigen Material.The disc contour consists at least partially or completely of a magnetically (well) conductive material.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Scheibenkontur als separater Scheibenkörper ausgebildet. Möglich ist es auch, dass die Scheibenkontur einstückig mit dem Kern ausgebildet ist und z. B. T-förmig gestaltet ist, wobei der lange Schenkel des „T“ entlang der Rotationsachse verläuft. Möglich ist es auch, dass ein Teil der Scheibenkontur einstückig mit dem Kern ausgebildet ist und durch einen separaten Scheibenkörper ergänzt wird. In einfachen und besonders bevorzugten Ausgestaltungen wird die Scheibenkontur durch einen separaten Scheibenkörper gebildet, der an oder auf dem Kern befestigt wird.In a preferred development, the disk contour is designed as a separate disk body. It is also possible that the disk contour is formed in one piece with the core and z. B. T-shaped, with the long leg of the “T” running along the axis of rotation. It is also possible that a part of the disk contour is designed in one piece with the core and is supplemented by a separate disk body. In simple and particularly preferred configurations, the disk contour is formed by a separate disk body that is attached to or on the core.
Vorzugsweise wird der Scheibenkörper auf den Kern aufgebracht. Dazu weist der Kern insbesondere eine angepasste Aufnahme auf. Möglich und bevorzugt ist es zum Beispiel, dass der Scheibenkörper mit dem Kern verbunden oder aufgepresst wird. The disk body is preferably applied to the core. For this purpose, the core has, in particular, an adapted receptacle. It is possible and preferred, for example, for the disc body to be connected or pressed onto the core.
Möglich ist es aber auch, dass die Scheibenkontur bzw. der Scheibenkörper mit dem Mantelteil verbunden und zum Beispiel darin eingepresst wird. Denkbar ist es auch, dass zwei aufeinander angepasste Scheibenkörper eingesetzt werden, zwischen denen ein radialer Bremsspaltabschnitt gebildet wird. Dabei kann eine erste hohlzylindrische Scheibenkontur auf den Kern aufgebracht werden und eine zweite hohlzylindrische Scheibenkontur mit einem entsprechend großen Innendurchmesser in das Mantelteil eingebracht werden, sodass die beiden Scheibenkonturen zum Beispiel in axialer Richtung zueinander ausgerichtet sind und einen kleinen (radialen) Spalt zwischen sich belassen. Zwischen den beiden Scheibenkonturen verbleibt dann ein insbesondere im Wesentlichen radial ausgebildeter Bremsspaltabschnitt.However, it is also possible for the disk contour or the disk body to be connected to the casing part and, for example, to be pressed into it. It is also conceivable that two disk bodies adapted to one another are used, between which a radial braking gap section is formed. A first hollow-cylindrical disc contour can be applied to the core and a second hollow-cylindrical disc contour with a correspondingly large inner diameter can be introduced into the casing part, so that the two disc contours are aligned with one another in the axial direction, for example, and leave a small (radial) gap between them. Between the two disk contours then remains a brake gap section that is in particular designed essentially radially.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen weist die Scheibenkontur wenigstens ein Scheibenpaket auf. Das Scheibenpaket wird insbesondere durch eine Mehrzahl von vorzugsweise direkt aneinander anliegenden Scheibenblechen gebildet. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht beispielsweise die Fertigung der Scheibenbleche als Stanzteil. Stanzteile können besonders leicht und kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden. Werden sie aufeinandergestapelt und zum Beispiel miteinander verpresst, so kann leicht und kostengünstig ein Scheibenpaket bzw. ein Scheibenkörper mit erheblich größerer Dicke bereitgestellt werden. Dadurch werden Scheibenbleche (auch Scheiben genannt) und auch Scheibenpakete sehr kostengünstig herstellbar. Einzelne Scheiben können auch verschiedene Eigenschaften haben (z.B. aufgrund von unterschiedlichem Materialien). Einzelne Scheiben können auch aus (gesintertem) Magnetwerkstoff sein (z.B. Neodym).In particularly preferred configurations, the pane contour has at least one pane pack. The pack of disks is formed in particular by a plurality of sheet metal disks that preferably lie directly against one another. Such a configuration enables, for example, the production of the sheet metal discs as a stamped part. Punched parts can be produced particularly easily and inexpensively in large numbers. If they are stacked on top of one another and, for example, pressed together, a disk package or a disk body with a significantly greater thickness can be provided easily and inexpensively. As a result, disk sheets (also called disks) and also disk packages can be produced very cost-effectively. Individual panes can also have different properties (e.g. due to different materials). Individual discs can also be made of (sintered) magnetic material (e.g. neodymium).
Es ist bevorzugt, dass wenigstens einige Scheibenbleche oder nahezu alle Scheibenbleche oder alle Scheibenbleche jeweils rund ausgebildet sind und den gleichen Durchmesser oder doch ähnliche Durchmesser aufweisen. Möglich ist aber auch der Einsatz von einigen oder einzelnen unrund ausgebildeten Scheibenblechen, an denen beispielsweise radial außen eine unrunde Außenkontur oder eine Zahnstruktur oder Sternkontur ausgebildet ist. Werden rund und unrund ausgebildete Scheibenbleche zu einem Scheibenpaket gestapelt, so kann eine komplexe Außenkontur erzeugt werden, die lokal zu einer größeren Magnetfeldkonzentration führen kann. Möglich ist es auch, dass ein Scheibenpaket mehrere rund (oder unrund) ausgebildete Scheibenbleche mit unterschiedlichen Außendurchmessern umfasst. So können abwechselnd runde Scheibenbleche mit geringerem und mit größerem Durchmesser vorgesehen sein.It is preferred that at least some sheet metal disks or almost all sheet metal disks or all sheet metal disks are each round and have the same diameter or at least similar diameters. However, it is also possible to use a few or individual non-round disc plates on which, for example, a non-round outer contour or a toothed structure or star contour is formed radially on the outside. If circular and non-circular disk sheets are stacked to form a disk pack, a complex outer contour can be created, which can locally lead to a greater magnetic field concentration. It is also possible for a disk pack to include a plurality of round (or non-round) disk sheets with different outside diameters. In this way, round sheet metal plates with a smaller and a larger diameter can be provided alternately.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen weist die Scheibenkontur insgesamt eine zylindrische Außenkontur auf.In particularly preferred configurations, the disc contour has a cylindrical outer contour overall.
Es ist möglich und bevorzugt, dass die Scheibenkontur an wenigstens einer axialen Seite eine (axial) nach außen abstehende Außenkontur aufweist. Die Scheibenkontur kann dabei insgesamt konisch, bauchig, abgerundet oder abgestuft ausgebildet sein. Insbesondere ist die Scheibenkontur rotationssymmetrisch im Bereich der Außenkontur ausgebildet. Die nach außen abstehende Außenkontur kann sich beispielsweise an einem Deckel oder dergleichen abstützen oder dort geführt werden. Die nach außen abstehende Außenkontur ermöglicht dadurch die Bereitstellung eines Reservoirs an magnetorheologischen Partikeln.It is possible and preferred for the disk contour to have an (axially) outwardly protruding outer contour on at least one axial side. The disk contour can be conical, bulbous, rounded or stepped overall. In particular, the disc contour is rotationally symmetrical in the area of the outer contour. The outwardly projecting outer contour can, for example, be supported on a cover or the like or be guided there. The outwardly protruding outer contour thereby makes it possible to provide a reservoir of magnetorheological particles.
In allen Ausgestaltungen mit Einsatz von Wälzkörpern ist es bevorzugt, dass ein radialer Freiraum für einen Wälzkörper zwischen dem Mantelteil und dem Kern in dem zweiten Bremsspaltabschnitt größer ist als eine Spalthöhe in dem ersten Bremsspaltabschnitt (in dem Bereich der Scheibenkontur). Ein radialer Freiraum ergibt sich dabei als Differenz der Spalthöhe in dem zweiten Bremsspaltabschnitt abzüglich des Durchmessers des Wälzkörpers. Typischerweise teilt sich der radiale Freiraum etwa gleichmäßig radial außerhalb des Wälzkörpers und radial innerhalb des Wälzkörpers auf. In einfachen Fällen ist der Wälzkörper radial mittig angeordnet und der radiale Abstand der Außenfläche des Wälzkörpers zur inneren Oberfläche des Mantelteils und der radiale Abstand von der äußeren Umfangsfläche des Kerns zur radial inneren Außenoberfläche des Wälzkörpers sind etwa gleich.In all configurations using rolling elements, it is preferred that a radial free space for a rolling element between the shell part and the core in the second brake gap section is larger than a gap height in the first brake gap section (in the area of the disk contour). A radial free space results from the difference in the gap height in the second brake gap section minus the diameter of the rolling element. The radial free space is typically divided approximately equally radially outside of the rolling body and radially inside of the rolling body. In simple cases, the rolling element is arranged radially centrally and the radial distance between the outer surface of the rolling element and the inner surface of the shell part and the radial distance from the outer peripheral surface of the core to the radially inner outer surface of the rolling element are approximately the same.
Vorzugsweise ist der radiale Freiraum (insgesamt) für einen Wälzkörper in dem zweiten Bremsspaltabschnitt mehr als doppelt und insbesondere wenigstens dreimal so groß wie die Spalthöhe in dem ersten Bremsspaltabschnitt. Das bedeutet, dass im Normalfall der Wälzkörper radial nach außen und radial nach innen mehr Spielraum hat als die Spalthöhe an dem Scheibenkörper in dem ersten Bremsspaltabschnitt beträgt. Es ist auch möglich und bevorzugt, dass der radiale Freiraum für einen Wälzkörper in dem zweiten Bremsspaltabschnitt viermal so groß oder noch größer ist als die Spalthöhe in dem ersten Bremsspaltabschnitt. Vorzugsweise ist eine Spalthöhe an dem Bremsspaltabschnitt an der Scheibenkontur kleiner als 0,15 mm und vorzugsweise kleiner als 0,1 mm.The radial free space (total) for a rolling body in the second brake gap section is preferably more than twice and in particular at least three times as large as the gap height in the first brake gap section. This means that in the normal case, the rolling element has more play radially outwards and radially inwards than the gap height on the disk body in the first braking gap section. It is also possible and preferred that the radial free space for a rolling body in the second brake gap section is four times or even greater than the gap height in the first brake gap section. A gap height at the braking gap section on the disc contour is preferably less than 0.15 mm and preferably less than 0.1 mm.
Vorzugsweise sind der radiale Freiraum in dem zweiten Bremsspaltabschnitt und die Spalthöhe in dem ersten Bremsspaltabschnitt an der Scheibenkontur und die Spalthöhe in dem dritten Bremsspaltabschnitt (erheblich) kleiner als ein radialer Abstand in anderen Bereichen des Spaltes. Der radiale Abstand von den Außendurchmessern der elektrischen Spulen oder von dem Außendurchmesser eines Überzugs über die elektrischen Spulen oder einer Umspritzung der elektrischen Spulen bis zur radialen Innenwandung des Mantelteils ist (axial) außerhalb der beiden Bremsspaltabschnitte vorzugsweise (erheblich) größer als in den beiden Bremsspaltabschnitten. Der Größenunterschied kann den Faktor 2 oder 3 erreichen und weit übersteigen.Preferably, the radial clearance in the second brake gap section and the gap height in the first brake gap section at the disc contour and the gap height in the third brake gap section are (considerably) smaller than a radial distance in other areas of the gap. The radial distance from the outer diameters of the electrical coils or from the outer diameter of a coating over the electrical coils or an extrusion coating of the electrical coils to the radial inner wall of the casing part is (axially) outside of the two brake gap sections preferably (considerably) larger than in the two brake gap sections. The difference in size can reach and far exceed a factor of 2 or 3.
In konkreten Ausgestaltungen beträgt der radiale Freiraum für einen Wälzkörper in dem zweiten Bremsspaltabschnitt etwa 0,2 mm, während die Spalthöhe in dem ersten Bremsspaltabschnitt etwa 0,05 mm beträgt. Dabei sind jeweils Abweichungen von +/- 50 % möglich. Insgesamt beträgt dann das radiale Spiel an einem haptischen Bedienknopf im Bereich der Wälzkörper das Doppelte des radialen Freiraums, da auf gegenüberliegenden Seiten des Kerns jeweils Wälzkörper angeordnet sind, insgesamt in diesem Beispiel 0,4 mm. Im Bereich des ersten Bremsspaltabschnitts mit einer Spalthöhe von 0,05 mm ergibt sich dann insgesamt ein radiales Spiel von 2 × 0,05 mm, also von 0,1 mm.In specific configurations, the radial clearance for a rolling element in the second brake gap section is approximately 0.2 mm, while the gap height in the first brake gap section is approximately 0.05 mm. Deviations of +/- 50% are possible in each case. Overall, the radial play on a haptic control button in the area of the rolling bodies is twice the radial free space, since rolling bodies are arranged on opposite sides of the core, a total of 0.4 mm in this example. In the area of the first brake gap section with a gap height of 0.05 mm, there is a total radial play of 2×0.05 mm, ie 0.1 mm.
Aufgrund dieses sehr geringen Spiels kann wenigstens an dem Ende der haptischen Bedieneinrichtung mit der Scheibenkontur in vielen Fällen auf ein separates Lager verzichtet werden. Die Scheibenkontur übernimmt dann zusammen mit dem Mantelteil die Führung oder Lagerung des Mantelteils gegenüber dem Kern. Das ermöglicht eine nochmals einfachere und noch kostengünstigere Konstruktion.Because of this very small amount of play, in many cases a separate bearing can be dispensed with, at least at the end of the haptic operating device with the disk contour. The disk contour then, together with the shell part, takes over the guidance or bearing of the shell part relative to the core. This enables an even simpler and more cost-effective construction.
In allen Ausgestaltungen kann die Innenkontur oder bevorzugt das Mantelteil unrund sein (z.B. elliptisch...). Auch kann der Kern exzentrisch zu dem Mantelteil gelagert sein. Dadurch ergibt sich bei der Drehung ein sich ändernder Relativspalt(abschnitt).In all configurations, the inner contour or preferably the casing part can be non-round (e.g. elliptical...). The core can also be mounted eccentrically to the casing part. This results in a changing relative gap (section) during rotation.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen sind die elektrischen Spulen axial zwischen dem ersten und dem zweiten Bremsspaltabschnitt angeordnet. Besonders bevorzugt grenzt wenigstens ein Bremsspaltabschnitt axial mittelbar oder unmittelbar an eine der elektrischen Spulen an.In particularly preferred configurations, the electrical coils are arranged axially between the first and the second brake gap section. Particularly preferably, at least one braking gap section is axially directly or indirectly adjacent to one of the electrical coils.
In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass das Magnetfeld der Magnetkreisläufe wenigstens zum Teil jeweils axial durch den Kern und das Mantelteil und zu einem erheblichen Teil radial und besonders bevorzugt im Wesentlichen radial durch den dritten Bremsspaltabschnitt durchtritt. Weiterhin durchtritt das Magnetfeld der ersten elektrischen Spule zu einem erheblichen Teil radial und besonders bevorzugt im Wesentlichen radial durch den ersten Bremsspaltabschnitt und das der zweiten elektrischen Spule durch den zweiten Bremsspaltabschnitt. In einfachen Ausgestaltungen sind die elektrischen Spule jeweils um den Kern gewickelt und erzeugen in der axialen Richtung der Rotationsachse innerhalb des Kerns jeweils ein Magnetfeld, welches an den jeweiligen Enden der elektrischen Spulen radial nach außen geleitet wird und an einem axialen Ende durch die Scheibenkontur und den ersten bzw. zweiten Bremsspaltabschnitt und an dem anderen axialen Ende jeweils durch den dritten Bremsspaltabschnitt jeweils vom Kern in das Mantelteil bzw. umgekehrt übertritt. Eine solche Ausgestaltung erlaubt einen besonders einfachen, kostengünstigen und dennoch effektiven Aufbau.In all configurations, it is particularly preferred that the magnetic field of the magnetic circuits passes at least partly axially through the core and the casing part and to a considerable extent radially and particularly preferably essentially radially through the third brake gap section. Furthermore, a significant part of the magnetic field of the first electrical coil passes radially and particularly preferably essentially radially through the first brake gap section and that of the second electrical coil through the second brake gap section. In simple configurations, the electrical coils are each wound around the core and generate a magnetic field in the axial direction of the axis of rotation within the core, which is conducted radially outwards at the respective ends of the electrical coils and at one axial end through the disk contour and the first or second brake gap section and at the other axial end in each case passes through the third brake gap section from the core into the casing part or vice versa. Such a configuration allows a particularly simple, inexpensive and yet effective construction.
Vorzugsweise bestehen die Wälzkörper wenigstens teilweise und insbesondere nahezu vollständig oder vollständig aus einem magnetisch leitenden Material.Preferably, the rolling bodies consist at least partially and in particular almost completely or completely of a magnetically conductive material.
Magnetisch nichtleitende Körper oder Wälzkörper können auch vorhanden sein. Nichtleitende Körper können als Platzhalter oder Führungselemente dienen und beliebige Formen aufweisen. So können zwischen den (magnetisch leitenden) Wälzkörpern magnetisch nichtleitende Körper angeordnet sein. Mehrere nichtleitende Körper (z. B. Führungselemente) können untereinander verbunden sein, z.B. in Form eines Käfigs. Dies erleichtert die Montage.Magnetic non-conductive bodies or rolling elements can also be present. Non-conductive bodies can serve as placeholders or guide elements and can have any shape. Thus, magnetically non-conductive bodies can be arranged between the (magnetically conductive) rolling bodies. Several non-conductive bodies (e.g. guide elements) can be connected to one another, e.g. in the form of a cage. This makes assembly easier.
Besonders bevorzugt führt die Scheibenkontur das Mantelteil drehbar und dient als Lagerstelle.The disk contour particularly preferably guides the casing part in a rotatable manner and serves as a bearing point.
Vorzugsweise ist zwischen den Bremskomponenten eine geschlossene Kammer ausgebildet. Insbesondere ist die geschlossene Kammer wenigstens zu einem erheblichen Anteil und insbesondere im Wesentlichen mit einem magnetorheologischen Medium wie einem magnetorheologischen Fluid und/oder z. B. (trockenem oder pulverförmigen) Carbonyleisenpulver gefüllt. Insbesondere ist die zweite Bremskomponente an der ersten Bremskomponente drehbar aufgenommen.A closed chamber is preferably formed between the brake components. In particular, the closed chamber is at least to a significant extent and in particular essentially with a magnetorheological medium such as a magnetorheological fluid and/or z. B. (dry or powdered) carbonyl iron powder filled. In particular, the second brake component is rotatably accommodated on the first brake component.
Die erste Bremskomponente umfasst vorzugsweise eine Achse, die wenigstens zu einem Teil aus einem nicht magnetisch leitfähigen Material ausgebildet ist. An der Achse oder einem Innenteil ist der Kern aus einem magnetisch leitfähigen Material befestigt.The first braking component preferably includes an axle formed at least in part from a non-magnetically conductive material. The core made of a magnetically conductive material is attached to the axle or an inner part.
Vorzugsweise ist die zweite Bremskomponente axial verschieblich an der ersten Bremskomponente aufgenommen. Das kann beispielsweise (auch) dazu dienen, einen Volumenausgleich bei Temperaturänderungen und/oder bei Leckage zu ermöglichen. Bevorzugt ist es, dass eine radiale und/oder axiale Position der beiden Bremskomponenten zueinander sensorisch erfasst wird.The second brake component is preferably accommodated in an axially displaceable manner on the first brake component. This can (also) serve, for example, to enable volume equalization in the event of temperature changes and/or in the event of a leak. It is preferred that a radial and/or axial position of the two brake components relative to one another is detected by sensors.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass an den einem und insbesondere dem distalen Ende der Kammer ein Klickelement angeordnet ist. Ein solches Klickelement ermöglicht insbesondere zwei Zustände, wobei nach dem Betätigen des Klickelements z. B. ein Blech hörbar und/oder taktil fühlbar umschaltet und dabei eine (geringe) axiale Verschiebung durchführt. Solche z. B. als Schnappteile oder Schnappscheiben ausgeführten Klickelemente sind beispielsweise von Tastaturen oder anderen Einrichtungen bekannt und ermöglichen eine kostengünstige und effektiv fühlbare Rückmeldung bei Betätigung eines Tasters oder dergleichen.In all of the configurations, it is preferred that a click element is arranged at one and in particular at the distal end of the chamber. Such a click element allows in particular two states, after pressing the click element z. B. switches over a metal sheet in an audible and/or tactile manner and thereby performs a (small) axial displacement. Such z. B. designed as snap parts or snap disks click elements are known for example from keyboards or other devices and allow an inexpensive and effective tactile feedback when pressing a button or the like.
Vorzugsweise ist das Klickelement an einem Ende der Kammer angeordnet. Besonders bevorzugt trennt eine elastische Membran die Kammer von dem Klickelement. Das Klickelement kann als Schnappteil oder Schnappscheibe ausgeführt sein. Dadurch kann ein Volumenausgleich an der Kammer bereitgestellt werden, wenn die Achse in die Kammer weiter eintaucht oder wieder austaucht.The click element is preferably arranged at one end of the chamber. An elastic membrane particularly preferably separates the chamber from the click element. The click element can be designed as a snap part or snap disk. This can provide volume compensation to the chamber as the axle continues to enter or exit the chamber.
In besonders bevorzugten Weiterbildungen wird die Schnappscheibe so ausgebildet, dass eine Änderung des aufgespannten Volumens der Schnappscheibe zwischen den beiden Zuständen der Schnappscheibe an eine Querschnittsfläche der Achse multipliziert mit einem Axialversatz der Schnappscheibe bei Betätigung angepasst ist. Insbesondere unterscheiden sich die beiden Volumina um weniger als 50 % oder 25 % und vorzugsweise um weniger als 10 % oder weniger als 5 %. Eine derartige Ausgestaltung, bei der die Schnappscheibe an die Achse angepasst wird, sorgt dafür, dass nur ein geringes oder gegebenenfalls gar kein Volumen für einen Volumenausgleich bei der Betätigung der Schnappscheibe bereitgestellt werden muss.In particularly preferred developments, the snap-action disk is designed such that a change in the spanned volume of the snap-action disk between the two states of the snap-action disk is adapted to a cross-sectional area of the axis multiplied by an axial offset of the snap-action disk when actuated. In particular, the two volumes differ by less than 50% or 25% and preferably by less than 10% or less than 5%. Such a configuration, in which the snap-action disk is adapted to the axis, ensures that only a small volume or possibly no volume at all has to be provided for volume compensation when the snap-action disk is actuated.
Der Einsatz eines Klickelements oder Schnappteils am distalen Ende der Kammer in Zusammenhang mit der Ausbildung des ersten Bremsspaltabschnitts mit der Scheibenkontur ebenfalls nahe dem distalen Ende der Kammer ermöglicht eine besonders einfache und effektive Führung und Lagerung des Mantelteils, da nur ein geringes radiales Spiel vorliegt und die Scheibenkontur deshalb eine (in vielen Fällen) ausreichende Führung in radialer Richtung des Mantelteils übernehmen kann.The use of a click element or snap part at the distal end of the chamber in connection with the formation of the first brake gap section with the disc contour also near the distal end of the chamber enables the casing part to be guided and supported in a particularly simple and effective manner, since there is only little radial play and the Disc contour can therefore take over (in many cases) sufficient guidance in the radial direction of the shell part.
In bevorzugten Weiterbildungen ist eine Sensoreinrichtung oder wenigstens eine Sensoreinrichtung zur Erfassung eines relativen Drehwinkels zwischen dem Kern und dem Mantelteil umfasst.In preferred developments, a sensor device or at least one sensor device for detecting a relative angle of rotation between the core and the casing part is included.
Bevorzugt ist eine Sensoreinrichtung oder wenigstens eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer relativen Axialposition von dem Mantelteil zu dem Kern umfasst. Besonders bevorzugt umfasst die Sensoreinrichtung oder wenigstens eine Sensoreinrichtung wenigstens einen Magnetfeldsensor, der zur Erfassung eines Drehwinkels und einer Axialposition ausgebildet ist. In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen umfasst die Sensoreinrichtung wenigstens einen Hall-Sensor.A sensor device or at least one sensor device for detecting a relative axial position of the casing part in relation to the core is preferably included. Particularly preferably, the sensor device or at least one sensor device comprises at least one magnetic field sensor, which is designed to detect a rotation angle and an axial position. In particularly advantageous configurations, the sensor device includes at least one Hall sensor.
In einfachen bevorzugten Ausgestaltungen wird der Magnetfeldsensor an der feststehenden Bremskomponente aufgenommen und wird einem in radialer Richtung wirkenden Magnetfeld ausgesetzt. Darüber kann über die Orientierung des Magnetfeldsensors relativ zu dem Magnetfeld ein Drehwinkel ermittelt werden. Eine axiale Verschiebung der Sensoreinrichtung relativ zu dem Mantelteil kann über eine Intensität der Magnetfeldstärke abgeleitet werden.In simple, preferred configurations, the magnetic field sensor is accommodated on the stationary brake component and is exposed to a magnetic field acting in the radial direction. A rotation angle can also be determined via the orientation of the magnetic field sensor relative to the magnetic field. An axial displacement of the sensor device relative to the casing part can be derived from an intensity of the magnetic field strength.
Ein Drehmomentsensor kann das Drehmoment messen.A torque sensor can measure the torque.
Die von der Sensoreinrichtung erfassten Daten können von der Elektronik weiter verarbeitet werden und auch an externe Geräte weiter gegeben werden. Ist z.B. eine haptische Bedieneinrichtung als Drehknopf/Dreh-Drückknopf in einem Fahrzeug verbaut (im Lenkrad, in der Mittelkonsole, beim Bordcomputer etc.), zur Steuerung des Radios und/oder des Navigationssystems, zu Veränderung der Fahrwerkseinstellungen etc., können Daten über die Winkeländerung in einem Fahrzeug an den Bordcomputer/die Fahrzeugelektronik/die externe Elektronik übergeben werden. Daraus können Informationen über die Fahrbahnbeschaffenheit ermittelt werden und/oder es kann das Nutzerverhalten der Benutzer aufgezeichnet, ausgewertet und optimiert werden. Künstliche Intelligenz kann dann daraus den Wunsch des Benutzers ableiten und die Steuerung von Geräten optimieren/erleichtern.The data recorded by the sensor device can be further processed by the electronics and can also be passed on to external devices. If, for example, a haptic control device is installed in a vehicle as a rotary knob/rotary pushbutton (in the steering wheel, in the center console, on the on-board computer, etc.), to control the radio and/or the navigation system, to change the chassis settings, etc., data about the Angle change in a vehicle to the on-board computer / vehicle electronics / external electronics are transferred. From this, information about the condition of the roadway can be determined and/or the user behavior of the user can be recorded, evaluated and optimized. Artificial intelligence can then derive the desire of the user and optimize/facilitate the control of devices.
Besonders bevorzugt ist wenigstens eine Abschirmeinrichtung zur wenigstens teilweisen Abschirmung der Sensoreinrichtung vor einem Magnetfeld der elektrischen Spule umfasst. Vorzugsweise umfasst die Abschirmeinrichtung wenigstens einen Abschirmkörper. Der Abschirmkörper ist insbesondere dazu ausgebildet, eine Magnetringeinheit zur Beaufschlagung des Magnetfeldsensors mit einem definierten (z. B. radialen) Magnetfeld von störenden Magneteinflüssen der elektrischen Spule abzuschirmen. Dazu gibt der Abschirmkörper die Magnetringeinheit vorzugsweise wenigstens abschnittsweise. Vorzugsweise umgibt die Abschirmeinrichtung die Magnetringeinheit nach drei Seiten, nämlich von beiden axialen Seiten und radial nach außen. Vorzugsweise umfasst die Abschirmeinrichtung wenigstens eine zwischen dem Abschirmkörper und der Magnetringeinheit angeordnete Trenneinheit. Dadurch wird das Magnetfeld der Magnetringeinheit von dem Abschirmkörper entkoppelt. Weiterhin ist vorzugsweise wenigstens eine zwischen dem Abschirmkörper und dem Mantelteil angeordnete magnetische Entkopplungseinrichtung umfasst. Vorzugsweise weisen die Trenneinheit und/oder die Entkopplungseinrichtung eine um ein Vielfaches geringere magnetische Leitfähigkeit als der Abschirmkörper auf. Vorzugsweise sind die Abschirmeinrichtung und die Magnetringeinheit voneinander beabstandet angeordnet.At least one shielding device for at least partially shielding the sensor device from a magnetic field of the electrical coil is particularly preferably included. The shielding device preferably comprises at least one shielding body. The shielding body is designed in particular to shield a magnetic ring unit for applying a defined (eg radial) magnetic field to the magnetic field sensor from interfering magnetic influences of the electric coil. For this purpose, the shielding body preferably gives at least sections of the magnetic ring unit. The shielding device preferably surrounds the magnetic ring unit on three sides, namely on both axial sides and radially outwards. The shielding device preferably comprises at least one separating unit arranged between the shielding body and the magnetic ring unit. As a result, the magnetic field of the magnetic ring unit is decoupled from the shielding body. Furthermore, at least one magnetic decoupling device arranged between the shielding body and the casing part is preferably included. The separating unit and/or the decoupling device preferably have a magnetic conductivity that is many times lower than that of the shielding body. The shielding device and the magnetic ring unit are preferably arranged at a distance from one another.
Eine Abschirmeinrichtung ermöglicht eine erhebliche Verbesserung der Messqualität. Insbesondere sind dadurch feine Winkelauflösungen und geringe axiale Abstand erfassbar.A shielding device enables a significant improvement in the measurement quality. In particular, fine angular resolutions and small axial distances can be detected as a result.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass an dem Mantelteil ein Drehknopf oder ein Drehrad ausgebildet ist. Der Drehknopf kann durch eine Art Überzug ausgebildet sein.In all configurations, it is preferred that a rotary knob or a rotary wheel is formed on the casing part. The knob can be formed by a kind of coating.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Leuchtmittel zu Beleuchtung eines wenigstens zum Teil transparent ausgebildeten Drehknopfs umfasst.At least one light source is preferably included for illuminating an at least partially transparent rotary knob.
Vorzugsweise ist zwischen den einzelnen magnetisch polarisierbaren Partikeln eine magnetische Feldstärke von größer als 300 kA/m erzielbar. Jedenfalls wenn die elektrische Spule ein maximales Magnetfeld oder ein Magnetfeld im vorgesehenen Nennbereich erzeugt. Vorzugsweise ist die (erzeugbare) magnetische Feldstärke im Bremsspalt größer als 500 kA/m.A magnetic field strength of greater than 300 kA/m can preferably be achieved between the individual magnetically polarizable particles. In any case, if the electrical coil generates a maximum magnetic field or a magnetic field in the intended nominal range. The magnetic field strength (which can be generated) in the braking gap is preferably greater than 500 kA/m.
Die haptische Bedieneinrichtung oder eine haptische Bedien- oder Betätigungseinrichtung kann auch als Joystickeinrichtung oder Joystick ausgeführt sein. Eine Joystickeinrichtung oder sonstige haptische Bedieneinrichtung kann auch über ein Getriebe, einen Riemen (Zahnriemen/Flachriemen), ein Gestänge oder anderweitig über- oder untersetzt angebracht werden, sodass der Betätigungswinkel und der Drehwinkel der damit verbundenen Bremseinrichtung unterschiedlich sind.The haptic operating device or a haptic operating or actuating device can also be designed as a joystick device or joystick. A joystick device or other haptic operating device can also be attached via a gear, a belt (toothed belt/flat belt), a linkage or otherwise over or under, so that the operating angle and the angle of rotation of the braking device connected thereto are different.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass wenigstens eine Antriebseinrichtung zur aktiven Drehung einer der Bremskomponenten umfasst ist. Dadurch kann nicht nur ein Bremsmoment erzeugt werden, sondern auch eine aktive Drehung erzielt werden, wodurch ein erweitertes haptisches Feedback gegeben werden kann. In allen Weiterbildungen und Ausgestaltungen der haptischen Bedieneinrichtung oder einer Bedien- oder Betätigungseinrichtung oder eines damit ausgerüsteten Geräts kann wenigstens eine Antriebseinrichtung zur aktiven Drehung einer der Bremskomponenten umfasst sein. Vorzugsweise ist der Bedienknopf, die Bedienwalze oder die Dreheinheit aktiv drehbar. Dadurch können dem Benutzer mehr haptische Informationen zurückgegeben werden.In all configurations it is preferred that at least one drive device is included for the active rotation of one of the brake components. As a result, not only can a braking torque be generated, but an active rotation can also be achieved, which means that extended haptic feedback can be given. At least one drive device for actively rotating one of the brake components can be included in all developments and configurations of the haptic operating device or an operating or actuating device or a device equipped therewith. The control button, the control roller or the rotary unit can preferably be actively rotated. This allows more haptic information to be returned to the user.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine haptische Bedieneinrichtung, wie zuvor beschrieben, und kann insbesondere als Gerätekomponente oder Bedienknopf ausgebildet sein oder wenigstens eine solche Gerätekomponente oder einen solchen Bedienknopf umfassen.A device according to the invention comprises a haptic operating device, as described above, and can in particular be embodied as a device component or control button or at least comprise such a device component or such a control button.
Möglich ist es auch, dass zwei oder mehr haptischen Bedieneinrichtungen umfasst sind. Eine solche Vorrichtung oder Gerätekomponente kann eine Benutzerschnittstelle, ein Bedienpanel, ein Display, ein berührungsempfindliches Display mit oder ohne haptischem Feedback und/oder wenigstens einen Sensor oder weitere Ein- und Ausgabemöglichkeiten umfassen.It is also possible that two or more haptic operating devices are included. Such a device or device component can include a user interface, a control panel, a display, a touch-sensitive display with or without haptic feedback and/or at least one sensor or other input and output options.
Die Benutzerschnittstelle kann insbesondere (auch) durch induktive Kopplung geladen werden. Da die äußere Bremskomponente, an der insbesondere der Drehknopf und damit auch die Benutzerschnittstelle befestigt sind, drehbar ist, können ohne Weiteres keine Kabel für die elektrische Anbindung zum Äußeren distalen Ende hinauf geführt werden. Eine Kontaktierung über Wickelfedern oder Schleifkontakte ist möglich, erhöht aber das Grundmoment und ist deshalb nicht besonders bevorzugt.In particular, the user interface can (also) be loaded by inductive coupling. Since the outer brake component, to which the rotary knob and thus also the user interface are attached in particular, can be rotated, cables for the electrical connection to the outer distal end cannot easily be routed up. Contacting via winding springs or sliding contacts is possible, but increases the basic torque and is therefore not particularly preferred.
Im Bereich der LEDs bzw. Leuchtmittel kann eine elektrische Spule für eine induktive Kopplung angebracht werden, die sowohl für eine Energieübertragung als auch für die Datenübertragung genutzt werden kann. So können zur Benutzerschnittstelle induktiv die benötigte elektrische Energie und die Daten zur Anzeige übermittelt werden. Eine Datenkopplung ist auch über andere drahtlose Verfahren möglich.In the area of the LEDs or light sources, an electrical coil can be attached for an inductive coupling, which can be used both for energy transmission and for data transmission. In this way, the required electrical energy and the data for the display can be transmitted inductively to the user interface. Data coupling is also possible using other wireless methods.
Die Ansteuerung der Magnetspule erfolgt vorzugsweise meist oder überwiegend während der Betriebszeit mit einer Spannung von insbesondere 12V. Haptisch ist es (oft) von erheblichem Vorteil, wenn das Bremsmoment der magnetorheologischen Bremseinrichtung so schnell wie möglich den maximalen oder eingestellten Wert erreicht. Das ist manchmal nur mit einer größeren Spannung möglich. Ein maximales Bremsmoment wird generell durch ein maximales Magnetfeld im Bremsspalt erreicht. Da das Magnetfeld durch den Strom in der elektrischen Spule (Magnetspule) erzeugt wird, muss deshalb auch der Strom so schnell wie möglich auf maximalen Wert eingestellt werden. Grundsätzlich kann man die Spannung immer auf einen hohen Wert einstellen, im konkreten Fall statt auf z. B. 12V auf z. B. 24V. Dazu müssten jedoch alle Bauteile (elektrische Spule bzw. Magnetspule, der Spulendraht etc.) entsprechend anders ausgelegt werden (und z.B. ein Draht mit größerem Durchmesser verwendet werden).The magnetic coil is preferably controlled mostly or predominantly during the operating time with a voltage of in particular 12V. In terms of haptics, it is (often) of considerable advantage if the braking torque of the magnetorheological braking device reaches the maximum or set value as quickly as possible. This is sometimes only possible with a greater voltage. A maximum braking torque is generally achieved by a maximum magnetic field in the braking gap. Since the magnetic field is generated by the current in the electrical coil (magnetic coil), the current must also be set to its maximum value as quickly as possible. In principle, you can always set the voltage to a high value, in this specific case instead of e.g. B. 12V to z. B. 24V. For this, however, all components (electrical coil or magnetic coil, the coil wire, etc.) would have to be designed differently (and, for example, a wire with a larger diameter would have to be used).
Vorzugsweise wird in bevorzugten Ausgestaltungen und Weiterbildungen nur am Beginn einer haptischen Rückmeldung eine höhere Spannung eingestellt (als im Dauerbetrieb nötig wäre). Insbesondere am Beginn oder nahezu direkt nach einer haptischen Rückmeldung wird vorzugsweise für einen Zeitraum von zwischen 0,5 ms und 50ms, vorzugsweise in einem Zeitraum zwischen 1 ms und 20 ms und besonders bevorzugt zwischen 5 ms und 15 ms, eine höhere Spannung eingestellt (z. B. um den Faktor 1,1 oder 1,2 oder 1,5 oder 2 oder 3 höher als im Dauerbetrieb nötig wäre). Die höhere Spannung wird beibehalten, bis der Strom (bzw. das Magnetfeld) den gewünschten Folgewert oder Maximalwert (nahezu, z.B. zu 90% oder 95%) erreicht und/oder der Zeitraum erreicht oder überschritten wird, den die höhere Spannung wirken kann. Danach wird die Spannung auf die geringere Spannung von z. B. 12 V zurück geregelt. Das System reagiert schneller und das gewünschte Bremsmoment wird schneller eingestellt. Dadurch wird eine stärkere Angleichung an ein Rechteck erreicht. Es kann ein (näherungsweise) stufenförmiger Verlauf eingestellt werden.In preferred refinements and developments, a higher voltage is preferably set only at the beginning of a haptic feedback (than would be necessary in continuous operation). In particular at the beginning or almost immediately after haptic feedback, a higher voltage is set (e.g (e.g. by a factor of 1.1 or 1.2 or 1.5 or 2 or 3 higher than would be necessary in continuous operation). The higher voltage is maintained until the current (or magnetic field) reaches the desired follow-up or maximum value (close to, e.g., 90% or 95%) and/or the period of time that the higher voltage can act is reached or exceeded. Thereafter, the voltage to the lower voltage of z. B. regulated back 12 V. The system reacts more quickly and the desired braking torque is set more quickly. This achieves a closer approximation to a rectangle. An (approximately) stepped progression can be set.
Besonders bei modernen Elektroautos sind mehrere Spannungen im Fahrzeug vorhanden und hohe Ströme möglich, sodass diese nicht extra erzeugt bzw. transformiert werden müssen. Bei diesen Elektrofahrzeugen sind auch viel höhere Spannungen vorhanden (z.B. bis 800 Volt) und solche Stromstärken möglich, dass die zuvor beschriebenen Eigenschaften vorteilhaft genutzt werden können.In modern electric cars in particular, there are several voltages in the vehicle and high currents are possible, so that they do not have to be generated or transformed separately. Much higher voltages are also available in these electric vehicles (e.g. up to 800 volts) and such current strengths are possible that the properties described above can be used to advantage.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Steuerung bzw. haptischen Steuerung einer Vorrichtung mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung mit zwei Bremskomponenten, wobei die beiden Bremskomponenten relativ zueinander kontinuierlich um eine Rotationsachse drehbar sind, wobei sich eine erste Bremskomponente entlang der Rotationsachse erstreckt und einen Kern aus einem magnetisch leitfähigen Material umfasst und wobei die zweite Bremskomponente ein sich um die erste Bremskomponente herum erstreckendes hohl ausgebildetes Mantelteil umfasst, wobei zwischen der ersten und der zweiten Bremskomponente wenigstens drei axial voneinander beabstandete und umlaufende und wenigstens zum Teil mit einem magnetorheologischen Medium gefüllte Bremsspaltabschnitte ausgebildet sind. Dabei erzeugt eine erste elektrische Spule ein (erstes) gesteuertes Magnetfeld in einem ersten Bremsspaltabschnitt. Unabhängig davon erzeugt eine zweite elektrische Spule ein (zweites) gesteuertes Magnetfeld in einem zweiten Bremsspaltabschnitt, um insbesondere abhängig von der Drehzahl unterschiedlich starke Bremswirkungen zu erzeugen. Dabei werden die Magnetfelder der ersten und der zweiten elektrischen Spule insbesondere beide über den dritten Bremsspalt geschlossen werden.A method according to the invention serves to control or haptically control a device with a magnetorheological braking device with two braking components, the two braking components being continuously rotatable relative to one another about an axis of rotation, a first braking component extending along the axis of rotation and a core made of a magnetically conductive material and wherein the second brake component comprises a hollow shell part extending around the first brake component, wherein at least three brake gap sections that are axially spaced apart from one another and run around the circumference and are at least partially filled with a magnetorheological medium are formed between the first and the second brake component. A first electrical coil generates a (first) controlled magnetic field in a first brake gap section. Irrespective of this, a second electrical coil generates a (second) controlled magnetic field in a second brake gap section in order to generate braking effects of different strengths, in particular depending on the speed. In this case, the magnetic fields of the first and second electric coils are in particular both closed via the third braking gap.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren dient zur haptischen Steuerung einer Vorrichtung mit wenigstens einer magnetorheologischen Bremseinrichtung. Die magnetorheologische Bremseinrichtung umfasst zwei (oder mehr) Bremskomponenten. Die beiden Bremskomponenten sind relativ zueinander bewegbar. Eine erste Bremskomponente umfasst einen Kern aus einem magnetisch leitfähigen Material. Zwischen der ersten und der zweiten Bremskomponente ist wenigstens ein wenigstens zum Teil mit einem magnetorheologischen Medium gefüllter Bremsspalt ausgebildet. Wenigstens eine elektrische Spule beaufschlagt den Bremsspalt mit einem gesteuerten Magnetfeld. Zur Erzielung einer schnellren und insbesondere stufenweisen Veränderung der Bremsintensität wird wenigstens ein Leistungsparameter wenigstens einer elektrischen Spule in einem ersten Zeitraum zu Beginn der Veränderung stärker verändert als zur Erzielung der angestrebten Bremsintensität dauerhaft nötig wäre.A further method according to the invention is used for the haptic control of a device with at least one magnetorheological braking device. The magnetorheological braking device includes two (or more) braking components. The two brake components can be moved relative to one another. A first braking component includes a core made of a magnetically conductive material. At least one brake gap that is at least partially filled with a magnetorheological medium is formed between the first and the second brake component. At least one electrical coil applies a controlled magnetic field to the braking gap. In order to achieve a faster and in particular gradual change in the braking intensity, at least one performance parameter of at least one electric coil is changed more strongly in a first period at the beginning of the change than would be permanently necessary to achieve the desired braking intensity.
Dieses weitere erfindungsgemäße Verfahren ist auch sehr vorteilhaft. Es erlaubt eine bessere Steuerung der Bremswirkung. Es kann insbesondere eine verbesserte Sprungantwort errreicht werden. Es sind stufenförmige(re) Verläufe der Bremswirkung möglich. Dadurch kann die Bremsintensität „rechteckiger“ verlaufen als bei einer konventionellen Ansteuerung. Vorzugsweise wird wenigstens ein Leistungsparameter der elektrischen Spule in dem ersten Zeitraum wenigstens 10% oder 20% oder 30% oder 50% oder 100% stärker gegenüber dem Vorzeitpunkt verändert als in dem zweiten Zeitraum.This further method according to the invention is also very advantageous. It allows better control of the braking effect. In particular, an improved step response can be achieved. Stepped (more) progressions of the braking effect are possible. As a result, the braking intensity can be more “rectangular” than with conventional control. At least one performance parameter of the electric coil is preferably changed in the first time period by at least 10% or 20% or 30% or 50% or 100% more than the previous point in time than in the second time period.
Insbesondere ist der zweite Zeitraum mehr als dreimal oder fünfmal so lang wie der erste Zeitraum. Vorzugsweise weist der erste Zeitraum eine Länge zwischen 3 ms und 30 ms und insbesondere zwischen 5 ms und 20 ms auf. Der erste Zeitraum kann in einer konkreten Ausgestaltung etwa 10 ms +/-5 ms betragen.In particular, the second period is more than three or five times as long as the first period. The first time period preferably has a length of between 3 ms and 30 ms and in particular between 5 ms and 20 ms. In a specific embodiment, the first time period can be approximately 10 ms +/-5 ms.
In bevorzugten Weiterbildungen werden zur Veränderung der Bremsintensität der Strom und/oder die Spannung der elektrischen Spule verändert. Besonders bevorzugt wird als Leistungsparameter die Spannung verändert.In preferred developments, the current and/or the voltage of the electric coil are changed in order to change the braking intensity. The voltage is particularly preferably changed as a performance parameter.
Vorzugsweise wird die Leistung (der Leistungsparameter) von wenigstens zwei elektrischen Spulen verändert.Preferably, the power (the power parameter) of at least two electric coils is changed.
Der Bremsspalt kann wenigstens zwei oder drei Bremsspaltabschnitte umfassen. Es können auch mehr als zwei Bremsspalte vorgesehen sein. Insbesondere können wenigstens zwei Bremsspaltabschnitte mit Magnetfeldern unterschiedlicher elektrischer Spulen beaufschlagt werden.The braking gap can comprise at least two or three braking gap sections. More than two braking gaps can also be provided. In particular, at least two braking gap sections can be subjected to magnetic fields from different electrical coils.
Es ist möglich und bevorzugt, dass zur Bildung eines haptischen Anschlags oder eines fühlbaren Rasters Leistungsparameter (wenigstens ein Leistungsparameter, insbesondere die Spannung) wenigstens einer elektrischen Spule bei einer Erhöhung (gegenüber einem Vorzeitpunkt) für den ersten Zeitraum höher eingestellt wird als für den zweiten Zeitraum, der sich an den ersten Zeitraum anschließt und der länger ist als der erste Zeitraum.It is possible and preferred that, in order to form a haptic stop or a tactile grid, performance parameters (at least one performance parameter, in particular the voltage) of at least one electric coil when there is an increase (compared to a previous time) for the first time period is set higher than for the second time period , which is contiguous to the first period and which is longer than the first period.
In bevorzugten Weiterbildungen wird das Verfahren mit einer anmeldungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt, wie es im Rahmen dieser Anmeldung offenbart wird. Deshalb kann eine solche Vorrichtung die in allen Ansprüchen beschriebenen Merkmale zum Teil oder vollständig aufweisen. Das Verfahren kann mit den im Rahmen dieser Anmeldung offenbarten Merkmalen durchgeführt werden. Auch eine entsprechende Verwendung ist möglich.In preferred developments, the method is carried out using a device according to the application, as disclosed in the context of this application. Therefore, such a device can exhibit, in part or in full, the features described in all the claims. The method can be carried out with the features disclosed within the scope of this application. A corresponding use is also possible.
Eine erfindungsgemäße Verwendung beansprucht die Verwendung einer haptischen Bedieneinrichtung mit einer Bremseinrichtung, um insbesondere über einen größeren Drehzahlbereich ein gezieltes und vorzugsweise hohes Bremsmoment zu erzeugen. Die Bremseinrichtung umfasst eine erste Bremskomponente und eine zweite Bremskomponente. Die beiden Bremskomponenten sind relativ zueinander kontinuierlich um eine Rotationsachse drehbar. Eine erste Bremskomponente erstreckt sich entlang der Rotationsachse und umfasst einen Kern aus einem magnetisch leitfähigen Material. Die zweite Bremskomponente umfasst ein sich um die erste Bremskomponente herum erstreckendes hohl ausgebildetes Mantelteil. Zwischen der ersten und der zweiten Bremskomponente sind axial voneinander beabstandete und umlaufende und wenigstens zum Teil mit einem magnetorheologischen Medium gefüllte Bremsspaltabschnitte ausgebildet, wobei axial zwischen einem ersten Bremsspaltabschnitt und einem zweiten Bremsspaltabschnitt (wenigstens) ein dritter Bremsspaltabschnitt angeordnet ist. Dem ersten Bremsspaltabschnitt ist eine erste elektrische Spule und dem zweiten Bremsspaltabschnitt ist eine separat steuerbare zweite elektrische Spule zugeordnet, um unterschiedliche Bremsmomente gezielt zu erzeugen.A use according to the invention claims the use of a haptic operating device with a braking device in order to generate a targeted and preferably high braking torque, in particular over a larger speed range. The braking device includes a first braking component and a second braking component. The two brake components are continuously rotatable relative to each other about an axis of rotation. A first braking component extends along the axis of rotation and includes a core of magnetically conductive material. The second brake component includes a hollow shell portion extending around the first brake component. Between the first and the second brake component are formed axially spaced and circumferential brake gap sections that are at least partially filled with a magnetorheological medium, with (at least) a third brake gap section being arranged axially between a first brake gap section and a second brake gap section. A first electrical coil is assigned to the first brake gap section and a separately controllable second electrical coil is assigned to the second brake gap section in order to generate different braking torques in a targeted manner.
An einem ersten Bremsspaltabschnitt ist z. B. eine Scheibenkontur zwischen dem Mantelteil und dem Kern ausgebildet, um ein hohes Bremsmoment bei höheren Drehzahlen zu erzeugen. In einem zweiten Bremsspaltabschnitt ist z. B. eine Mehrzahl von Wälzkörpern auf dem Umfang des Kerns angeordnet, um ein hohes Bremsmoment bei kleineren Drehzahlen zu erzeugen. Dem ersten Bremsspaltabschnitt ist eine erste elektrische Spule zugeordnet und dem zweiten Bremsspaltabschnitt ist eine zweite elektrische Spule zugeordnet, um separat und (weitgehend) unabhängig voneinander ein Bremsmoment in den jeweiligen Bremsspaltabschnitten einzustellen. Beide Magnetfelder werden insbesondere über den dritten Bremsspaltabschnitt geschlossen.At a first braking gap portion z. B. formed a disk contour between the shell part and the core to generate a high braking torque at higher speeds. In a second braking gap section z. B. arranged a plurality of rolling elements on the circumference of the core to generate a high braking torque at lower speeds. A first electric coil is assigned to the first brake gap section and a second electric coil is assigned to the second brake gap section in order to set a braking torque in the respective brake gap sections separately and (largely) independently of one another. Both magnetic fields are closed in particular via the third brake gap section.
Zur Verwendung wird insbesondere eine Ausgestaltung oder Weiterbildung einer haptischen Bedieneinrichtung oder einer Gerätekomponente verwendet, wie zuvor beschrieben oder im Rahmen der folgenden Ausführungsbeispiele offenbart.In particular, an embodiment or development of a haptic operating device or a device component is used for use, as described above or disclosed in the context of the following exemplary embodiments.
In allen Ausgestaltungen kann die Bedien- oder Betätigungseinrichtung auch über ein Getriebe, Riemen (Zahnriemen/Flachriemen), Gestänge oder anderweitig über- oder untersetzt angebracht werden, sodass der Betätigungswinkel und der Drehwinkel der damit verbundenen Bremseinrichtung unterschiedlich sind.In all of the configurations, the operating or actuating device can also be attached via a gear, belt (toothed belt/flat belt), linkage or otherwise in a higher or lower ratio, so that the operating angle and the angle of rotation of the braking device connected thereto are different.
Die haptische Bedieneinrichtung oder eine haptische Bedien- oder Betätigungseinrichtung kann auch als Joystickeinrichtung oder Joystick ausgeführt sein. Eine Joystickeinrichtung kann auch über ein Getriebe, einen Riemen (Zahnriemen/Flachriemen), ein Gestänge oder anderweitig über- oder untersetzt angebracht werden, sodass der Betätigungswinkel und der Drehwinkel der damit verbundenen Bremseinrichtung unterschiedlich sind.The haptic operating device or a haptic operating or actuating device can also be designed as a joystick device or joystick. A joystick device can also be attached via a gear, a belt (toothed belt/flat belt), a linkage or otherwise geared up or down so that the actuation angle and the angle of rotation of the associated braking device are different.
In allen Weiterbildungen und Ausgestaltungen der haptischen Bedieneinrichtung oder einer Bedien- oder Betätigungseinrichtung oder eines damit ausgerüsteten Geräts kann wenigstens eine Antriebseinrichtung zur aktiven Drehung einer der Bremskomponenten umfasst sein. Vorzugsweise ist der Bedienknopf, die Bedienwalze oder die Dreheinheit aktiv drehbar. Dadurch können dem Benutzer mehr haptische Informationen zurückgegeben werden.At least one drive device for actively rotating one of the brake components can be included in all developments and configurations of the haptic operating device or an operating or actuating device or a device equipped therewith. Preferably is the control button, the control roller or the rotary unit can be actively rotated. This allows more haptic information to be returned to the user.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.Further advantages and features of the present invention result from the exemplary embodiments, which are explained below with reference to the enclosed figures.
Darin zeigen:
-
1a-1b schematische dreidimensionale Ansichten von haptischen Bedieneinrichtungen mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung; -
2 eine Seitenansicht einer haptischen Bedieneinrichtung mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung; -
3a-3c verschiedene Schnitte von haptischen Bedieneinrichtungen; -
4a-4b eine stark schematische Ansicht einer Sensoreinrichtung und von Messergebnissen; -
5 eine stark schematische Ansicht einer haptischen Bedieneinrichtung mit einer Schnappscheibe in unterschiedlichen Stellungen; -
6 zwei unterschiedlich ausgebildete elektrische Spulen; -
7-8 eine weitere haptische Bedieneinrichtung im Schnitt und in einer Perspektive; -
9 eine stark schematische Schaltung zur Ansteuerung der elektrischen Spule; -
10 Drehmomentverläufe eines elektrischen Motors und einer magnetorheologischen Bremseinrichtung über der elektrisch eingebrachten Leistung; -
11 die sich ergebenden Bremsmomentverläufe einer magnetorheologischen Bremseinrichtung für zwei unterschiedliche Stromstärkenverläufe über der Zeit; und -
12 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen haptischen Bedien- oder Betätigungseinrichtung mit einer Antriebseinrichtung.
-
1a-1b schematic three-dimensional views of haptic operating devices with a magnetorheological braking device; -
2 a side view of a haptic operating device with a magnetorheological braking device; -
3a-3c different cuts of haptic operating devices; -
4a-4b a highly schematic view of a sensor device and measurement results; -
5 a highly schematic view of a haptic operating device with a snap disk in different positions; -
6 two differently designed electrical coils; -
7-8 another haptic operating device in section and in a perspective; -
9 a highly schematic circuit for driving the electric coil; -
10 Torque curves of an electric motor and a magnetorheological braking device over the electrically introduced power; -
11 the resulting braking torque curves of a magnetorheological braking device for two different current strength curves over time; and -
12 a schematic view of a haptic operating or actuating device according to the invention with a drive device.
In
Eine haptische Bedieneinrichtung 100 kann beispielsweise zur Bedienung von Maschinen, Medizingeräten, Computerspielen, Musikterminals, Eingabegeräten oder zur Verwendung in und für ein Kraftfahrzeug eingesetzt werden. In einem Kraftfahrzeug kann die haptische Bedieneinrichtung 100 beispielsweise zur Bedienung von Klimaanlagen, Radios, dem Entertainment, der Navigation, der Distanzkontrolle, dem Fahrassistenten, der Rekuperationseinstellung, zur Einstellung der Sitze und zur Bedienung des Infotainments eingesetzt werden. Möglich ist auch der Einsatz an sonstigen Geräten oder anderen Vorrichtungen.A
Die haptische Bedieneinrichtung 100 ist kompakt aufgebaut und verfügt im Inneren der Abschirmeinrichtung 75, die über einen hier zweiteiligen Abschirmkörper 76 als Abschirmgehäuse verfügt, über eine hier nicht erkennbare Sensoreinrichtung 70 zur Erfassung der Drehposition und der Axialposition des Mantelteils 13. Über Stifte 16 ist das Mantelteil 13 mit einem linken Deckel 14 und einem rechten Deckel 15 verbunden, um eine innere geschlossene Kammer 110 abzudichten.The
In den
Der magnetisch leitende Kern 21 ist von zwei elektrischen Spulen 26 umgeben, die um den Kern 21 herumgewickelt sind. Die erste elektrische Spule 261 erstreckt sich über eine axiale Breite 26e. An dem dem Halter 4 zugewandten Ende des Kerns 21 ist eine Scheibenkontur 41 ausgebildet, die hier auf den Kern aufgebracht und z. B. aufgepresst ist. Die Scheibenkontur 41 weist hierzu einen hohlzylindrisch ausgebildeten Scheibenkörper 42 auf. Die Aufnahme an dem Kern kann auch unrund ausgebildet sein.The magnetically
Der Kern 21 kann insbesondere aus gesintertem Material (Metall) hergestellt werden. Der Kern kann so einfacher in gewünschter Form gefertigt werden.In particular, the core 21 can be made of sintered material (metal). The core can thus be manufactured more easily in the desired shape.
Der Scheibenkörper 42 besteht hier aus einem Scheibenpaket 44, welches durch eine Mehrzahl von dünnen Scheibenblechen 46 gebildet wird. Hier sind die Scheibenbleche 46 jeweils als Stanzteil ausgebildet und können zum Beispiel aus einem magnetisch leitenden Blech von 1 mm oder 2 mm oder auch 3 mm Dicke ausgestanzt werden. So kann einfach und kostengünstig die benötigte Anzahl von Scheibenblechen ausgestanzt werden, um die gewünschte Dicke des Scheibenkörpers 42 zu erzeugen.The
Die einzelnen Scheibenbleche 46 werden miteinander verpresst und auf den Kern 21 aufgebracht und damit zum Beispiel verschraubt oder verpresst. Es verbleibt ein Bremsspaltabschnitt 5a im Bereich des Scheibenkörpers 42 mit einer geringen Spalthöhe 41b zwischen dem Außendurchmesser der Scheibenkontur 41 und dem Innenumfang des Mantelteils 13. Die axiale Breite 41e der Scheibenkontur 41 bzw. dessen Bremsspaltabschnitt 5a wird hier durch die Anzahl der Scheibenbleche 46 bestimmt und kann größer oder auch kleiner als dargestellt gewählt werden.The
Die Scheibenkontur 41 grenzt hier axial unmittelbar an die erste elektrische Spule 261 an, die in einem Spulenhalter 26b aufgenommen ist und radial außen durch eine Vergussmasse 28 vollständig abgedichtet ist.Here, the
Der Scheibenkörper 42 ist mit dem Kern 21 und mit dem feststehenden Bremskomponente 2 verbunden und dreht sich im Betrieb nicht. Das ermöglicht die Bildung einer Loches oder einer Aussparung zur Durchführung der Kabel 45 zum elektrischen Anschluss der ersten und zweiten elektrischen Spulen 261, 262. Die elektrischen Spulen 261, 262 können dadurch einfach kostengünstig und schnell angeschlossen werden.The
Die Scheibenkontur 41 ist hier am proximalen Ende, also an dem Ende des Kerns 21, der dem Halter 4 zugewandt ist, ausgebildet. An dem distalen Ende, also an dem anderen Ende des Kerns 21, ist ein zweiter Bremsspaltabschnitt 5b ausgebildet. Der zweite Bremsspaltabschnitt 5b erstreckt sich über eine axiale Breite 11e. Dort sind auf dem Umfang des Kerns 21 die Wälzkörper 11 verteilt angeordnet. Die Wälzkörper 11 verstärken das Magnetfeld lokal. Die Wälzkörper 11 können eine Art von Magnetfeldkonzentratoren 80 zur lokalen Verstärkung des Magnetfeldes beim Durchtritt durch den zweiten Bremsspaltabschnitt 5b bilden.The
Durch den zweiten Bremsspaltabschnitt 5b kann mit der zweiten elektrischen Spule 262 ein sehr hohes Bremsmoment insbesondere bei niedrigen Drehzahlen des Mantelteils 13 erreicht werden. Durch den ersten Bremsspaltabschnitt 5a im Bereich der Scheibenkontur 41 kann mit der ersten elektrischen Spule 261 bei hohen Drehzahlen ein immer noch starkes Magnetfeld von dem Kern 21 in das Mantelteil 13 übertragen werden, da die Spalthöhe 41b erheblich geringer ist als der radiale Freiraum 11c im Bereich dessen Bremsspaltabschnitt 5b beträgt. Dadurch wird ein hohes Drehmoment erzeugbar, welches insbesondere auch bei höheren Drehzahlen ermöglicht wird. Dadurch kann durch gezielte und separate Ansteuerung der beiden elektrischen Spulen 261, 262 über den gesamten Drehzahlbereich ein hohes und jeweils fein justierbares Drehmoment zur Verfügung gestellt werden.The second
Die axiale Breite 11e des zweiten Bremsspaltabschnitts 5b und die Breite 41e des ersten Bremsspaltabschnitts 5a sind hier etwa gleich (+/-25 %) und jeweils kürzer als eine axiale Breite des dritten Bremsspaltabschnitts 5c. Insgesamt wird ein sehr kompakter Aufbau erreicht.The
Das Mantelteil 13 ist in
Am vorderen Ende wird die geschlossene Kammer 110 im Inneren des Mantelteils 13 durch einen vorderen Deckel 14 abgeschlossen, durch den die Bremskomponente 2 durchgeführt wird. Eine Dichtung 38 dient zur Abdichtung. Am hinteren oder distalen Ende wird die Kammer 110 zunächst durch eine elastische Membran 31 begrenzt, an die sich nach außen ein hier als Schnappscheibe ausgebildetes Klickelement 29 anschließt.At the front end, the
Durch axiale Betätigung des Drehknopfes 23 wird die Schnappscheibe bzw. das Klickelement betätigt und das Mantelteil 13 wird insgesamt etwas nach links bewegt. Diese Axialbewegung kann durch die Sensoreinrichtung 70 mit dem Magnetfeldsensor 72 im Inneren des Halters bzw. der ersten Bremskomponente 2 erfasst werden, die radial von einer Magnetringeinheit 71 umgeben ist. Der Magnetfeldsensor 72 ist insbesondere als Hall-Sensor 72 ausgeführt und detektiert die Ausrichtung des radialen Magnetfeldes relativ zu dem Magnetfeldsensor 72. Darüber kann eine Winkelstellung des Mantelteils 13 relativ zu dem Kern 21 erfasst werden. Eine axiale Verstellung des Mantelteils 13 durch Betätigung des Klickelements 29 führt zu einem relativen Axialversatz zwischen der Magnetringeinheit 71 und dem Magnetfeldsensor 72, was eine Intensitätsveränderung des detektierten Signals bedingt. Darüber kann eine Betätigung des Klickelements erfasst werden.The snap-action disk or the click element is actuated by axial actuation of the
Ein wesentlicher Unterschied zwischen den
Bei dieser Ausgestaltung kann beispielsweise außerhalb der Kammer 110 zwischen der Dichtung 38 und der Sensoreinrichtung 70 noch ein Lager zur Lagerung des Mantelteils 13 gegenüber der Bremskomponente 2 vorgesehen sein. Möglich ist es aber hier auch, dass die Lagerung an einem Ende nur über die Dichtung 38 und am anderen distalen Ende nur über die Scheibenkontur 41 erfolgt.In this configuration, for example, outside of
Die Scheibenkontur 41 kann (umlaufend) einstückig mit dem Kern ausgebildet sein, wie es im unteren Teil von
Beispielhaft eingezeichnet sind in
Der Magnetfeldsensor 72 ist auf einer Sensorplatine 79 angebracht und kann über die Kontaktpins 79a kontaktiert werden. Darüber wird auch die elektrische Spule 26 mit Strom versorgt.The
Wenigstens in dem Bereich der Sensoreinrichtung 70 und des Magnetfeldsensors 72 ist die innere Bremskomponente 2 vorzugsweise aus einem wenig oder nicht magnetisch leitenden Material ausgebildet, um eine möglichst ungestörte Detektion der Orientierung und der Intensität des Magnetfeldes der Magnetringeinheit 71 im Inneren der Achse 12 bzw. der ersten Bremskomponente 2 zu gewährleisten. Dort ist die Sensoreinrichtung 70 besonders geschützt aufgenommen (Schutz vor Wasser und Staub).At least in the area of
In
Der dritte Bremsspaltabschnitt 5c ist an der Ringkontur 61 ausgebildet. Die Ringkontur 61 kann als separater Ring auf den Kern 21 aufgeschoben oder aufgebracht sein oder die Ringkontur 61 ist einstückig mit dem Kern 21 ausgebildet. Jedenfalls ist die Ringkontur 61 magnetisch leitend mit dem Kern 21 gekoppelt.The third
Rein schematisch zeigt
Ein Aufbau mit drei Bremsspaltabschnitten, wobei der mittlere Bremsspaltabschnitt 5c für beide elektrische Spulen 261, 262 vorgesehen ist, ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau.A structure with three braking gap sections, with the central
Ein Aufbau wie in
Soll eine Drehbewegung abgebremst werden und ein Anschlag zur Verfügung gestellt werden, so ermöglicht die erste elektrische Spule 261 an dem ersten Bremsspaltabschnitt 5a bei höheren Drehzahlen eine stärkere Abbremsung als die zweite elektrische Spule 262 an dem zweiten Bremsspaltabschnitt 5b. Bei einer relativ geringen Übergangsdrehzahl wird das mit der zweiten elektrische Spule 262 an dem zweiten Bremsspaltabschnitt 5b erzeugbare Bremsmoment größer als das an dem ersten Bremsspaltabschnitt 5a bei dieser Drehzahl erzeugbare Bremsmoment. Das liegt daran, dass das über die Wälzkörper 11 erzeugbare Bremsmoment stärker von der Drehzahl abhängt und mit höheren Drehzahlen abfällt. Über eine Kombination unterschiedlicher Bremsspaltabschnitte 5a, 5b können so für verschiedene Drehzahlen jeweils optimale Bedingungen eingestellt werden.If a rotational movement is to be braked and a stop is to be made available, the first
In der Kammer 110 ist ein magnetorheologisches Medium aufgenommen, welches magnetorheologische Partikel 19 umfasst. In der Kammer 110 ist zwischen den Bremskomponenten 2 und 3 ein Spalt 5 vorgesehen. An dem Spalt 5 sind die drei Bremsspaltabschnitte 5a, 5b und 5c ausgebildet. Die Kammer 110 ist hier wenigstens teilweise mit einem magnetorheologischen Medium 6 gefüllt. Das Medium ist hier vorzugsweise ein magnetorheologisches Fluid, welches beispielsweise als Trägerflüssigkeit ein Öl umfasst, in dem ferromagnetische Partikel 19 vorhanden sind. Glykol, Fett, Wasser und dickflüssige Stoffe können auch als Trägermedium verwendet werden, ohne darauf beschränkt zu sein. Das Trägermedium kann auch gasförmig sein bzw. es kann auf das Trägermedium verzichtet werden (Vakuum). In diesem Fall werden lediglich durch das Magnetfeld beeinflussbare Partikel 19 in die Kammer 110 gefüllt.A magnetorheological medium which comprises
Die ferromagnetischen Partikel 19 sind vorzugsweise Carbonyleisenpulver, wobei die Größenverteilung der Partikel vom konkreten Einsatzfall abhängt. Konkret bevorzugt ist eine Verteilung der Partikelgröße zwischen ein und zehn Mikrometern, wobei aber auch größere Partikel von zwanzig, dreißig, vierzig und fünfzig Mikrometer möglich sind. Je nach Anwendungsfall kann die Partikelgröße auch deutlich größer werden und sogar in den Millimeterbereich vordringen (Partikelkugeln). Die Partikel können auch eine spezielle Beschichtung/Mantel (Titanbeschichtung, Keramik-, Karbonmantel etc.) aufweisen, damit sie die je nach Anwendungsfall auftretenden hohen Druckbelastungen besser aushalten. Die magnetorheologischen Partikel können für diesen Anwendungsfall nicht nur aus Carbonyleisenpulver (Reineisen), sondern z. B. auch aus speziellem Eisen (härterem Stahl) hergestellt werden.The
Es ist möglich, dass lediglich durch das Magnetfeld beeinflussbare Partikel in den Spalt 5 bzw. die Kammer 110 gefüllt werden, wobei gegebenenfalls Luft oder ein Inertgas zugegeben wird. Wenn z. B. nur Luft oder auch ein anderes Gas verwendet wird, können verschiedene Feststoffe dazu gemischt werden, um gewisse Eigenschaften zu verbessern. Z. B. kann Graphitpulver beigemischt werden, um die Reibung zwischen den Carbonyleisenpartikeln zu verringern, da Graphit eine schmierende Wirkung zeigt. Die Partikel können insbesondere mit PTFE beschichtet werden. Eine Beschichtung mit PTFE oder eine vergleichbare Beschichtung verhindert insbesondere, dass die Partikel verklumpen und größere Haufen bilden. Solche größeren Haufen zerfallen nicht leicht oder unter Umständen gar nicht mehr. Alternativ können auch die Scheibenkörper oder Walzkörper mit PTFE beschichtet werden, damit die Reibung verringert wird. Bei Verwendung von MRF ohne Öl oder anderes Flüssiges als Trägermedium muss sichergestellt werden, dass kein Wasser in der Bremskammer (MR-Raum oder MRF-Raum) kondensiert. Z. B. kann Kieselsäuregel (bekannt als Silikagel) oder ein anderes Trocknungsmittel dazu gemischt werden, welches Wasser absorbiert und so seiner Umgebung Feuchtigkeit entzieht.It is possible that only particles that can be influenced by the magnetic field are filled into the
In allen Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Ausführungsbeispielen kann vorzugsweise Pulver ohne Trägerflüssigkeit verwendet werden. Dann ist die Verwendung von bis zu etwa 80 Volumenprozent Carbonyleisen (Eisenpulver) möglich, was das Bremsmoment stark erhöht, wenn die restlichen Auslegungsparameter darauf angepasst werden (z.B. sollte die Feldstärke pro Partikel hierbei in etwa gleichbleiben wie bei einer magnetorheologischen Flüssigkeit (MRF), d.h. die Feldstärke im Bremsspaltabschnitt bzw. Bremsspalt bzw. Wirkspalt sollte beim Wechsel von z.B. LORD MRF 140 (40 Volumenprozent Carbonyleisen mit z.B. Öl als Trägerflüssigkeit) zu 80% Carbonyleisenpulver (ohne Trägerflüssigkeit) doppelt so hoch sein. Wir sprechen hier von magnetischen Feldstärke im Spalt von größer 200 kA/m bis auf Werte von bis zu 1.000 kA/m (1000000 A/m) oder mehr. Ein weiterer Vorteil von Pulver als Medium im Wirkspalt ist, dass es so zu keiner Sedimentation und auch keiner Haufenbildung im Sinne von „die Eisenpartikel bei MR-Flüssigkeiten werden in Richtung des Magnetfeldgradienten gezogen (die Kraft auf magnetisierbare Partikel wirkt immer in Richtung des stärkeren Magnetfelds, das Trägermedium wird verdrängt)“ kommen muss, um so hohe Partikelkonzentrationen zu erhalten. Die maximale Partikelkonzentration liegt so schon an. Dies verbessert die Reproduzierbarkeit der Momente (es stellt sich bei gleichem Strom immer ein ähnliches Bremsmoment ein).In all configurations, developments and exemplary embodiments, powder without a carrier liquid can preferably be used. Then the use of up to about 80 percent by volume of carbonyl iron (iron powder) is possible, which greatly increases the braking torque if the remaining design parameters are adjusted accordingly (e.g. the field strength per particle should remain about the same as with a magnetorheological fluid (MRF), i.e. the field strength in the braking gap section or braking gap or active gap should be twice as high when changing from, for example, LORD MRF 140 (40 percent by volume carbonyl iron with e.g. oil as the carrier liquid) to 80% carbonyl iron powder (without carrier liquid).We are talking about magnetic field strength in the gap of greater than 200 kA/m up to values of up to 1,000 kA/m (1000000 A/m) or more.Another advantage of powder as a medium in the active gap is that there is no sedimentation and no accumulation in the sense of "the Iron particles in MR liquids are pulled in the direction of the magnetic field gradient (the force on magnetizable particles always acts in Ri due to the stronger magnetic field, the carrier medium is displaced)” must come about in order to obtain such high particle concentrations. The maximum particle concentration is already there. This improves the reproducibility of the torques (a similar braking torque always occurs with the same current).
In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass die magnetisch polarisierbaren Partikel (insbesondere bei Verwendung als „trockenes“ Pulver) (zu einem erheblichen Teil) unrunde Partikel umfassen (nicht sphärische Partikel), bei denen ein Verhältnis von größtem Durchmesser zur größten Quererstreckung senkrecht dazu größer 1,25 oder 1,5 beträgt. Möglich ist die Bildung dieses Verhältnisses auch als ein Verhältnis von größter Längserstreckung zur größten Quererstreckung, wobei insbesondere die Längs- und Quererstreckungen senkrecht zueinander gemessen werden.In all configurations, it is particularly preferred that the magnetically polarizable particles (particularly when used as a “dry” powder) comprise (to a significant extent) non-round particles (non-spherical particles) with a ratio of the largest diameter to the largest transverse extension perpendicular thereto is greater than 1.25 or 1.5. It is also possible to form this ratio as a ratio of the greatest longitudinal extent to the greatest transverse extent, with the longitudinal and transverse extents in particular being measured perpendicular to one another.
Der Einsatz von unrunden Partikeln ist besonders vorteilhaft, da diese eine effektive Verkantungsstruktur ermöglichen, da sich jeweils unterschiedliche unrunde Abschnitte der Partikel miteinander verklemmen bzw. miteinander verkeilen.The use of out-of-round particles is particularly advantageous since they enable an effective canting structure, since different out-of-round sections of the particles jam or wedge with one another.
Möglich und bevorzugt sind auch Verhältnisse von größtem Durchmesser zu größter Quererstreckung senkrecht dazu von 1,75 oder 2,0 oder mehr.Ratios of the largest diameter to the largest transverse extension perpendicular thereto of 1.75 or 2.0 or more are also possible and preferred.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Teil der magnetisch polarisierbaren Partikel dazu ausgebildet, sich unter dem Einfluss des Magnetfeldes flächig miteinander zu verklemmen oder zu verkeilen. Das ist beispielsweise bei Partikeln möglich, die abschnittsweise eckig oder beispielsweise insgesamt dreieckig oder mehreckig oder dergleichen ausgebildet sind. Dann verklemmen zwei (oder mehr) entsprechend ausgestaltete Partikel miteinander und können eine sehr effektive Verklumpung der Partikel miteinander und Verklemmung und Abbremsung der beiden Brems- bzw. Kupplungskomponenten miteinander bewirken.At least some of the magnetically polarizable particles are preferably designed to clamp or wedge together over a large area under the influence of the magnetic field. This is possible, for example, with particles that are angular in sections or, for example, are triangular or polygonal overall or the like. Two (or more) correspondingly configured particles then jam together and can cause the particles to clump together very effectively and cause the two brake or clutch components to jam and brake together.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Teil der magnetisch polarisierbaren Partikel dazu ausgebildet, sich unter dem Einfluss des Magnetfeldes an zwei oder mehr voneinander beabstandeten Stellen miteinander zu verklemmen bzw. zu verkeilen. Solche Partikel, die unrund ausgestaltet sind, erlauben eine sehr effektive Erhöhung der Bremskraft bzw. des Bremsmomentes, da sie im Unterschied zu sphärischen Partikeln sich nicht nur an einer Stelle bzw. in einem kleinen Winkelbereich berühren, sondern an mehreren Stellen oder sogar flächig.At least some of the magnetically polarizable particles are preferably designed to clamp or wedge together under the influence of the magnetic field at two or more locations spaced apart from one another. Such particles, which are non-circular, allow a very effective increase in the braking force or the braking torque, since, unlike spherical particles, they do not only touch at one point or in a small angular range, but at several points or even over an area.
Vorzugsweise weist wenigstens ein Teil der magnetisch polarisierbaren Partikel wenigstens einen Muldenabschnitt auf. Ein solcher nach innen gewölbter Muldenabschnitt erlaubt eine besonders effektive Verkeilung mit Teilen anderer Partikel.Preferably, at least some of the magnetically polarizable particles have at least one trough section. Such an inwardly curved trough section allows particularly effective wedging with parts of other particles.
Vorzugsweise ist wenigstens eine an den Bremsspalt angrenzende Oberfläche wenigstens einer Kupplungs- bzw. Bremskomponente wenigstens abschnittsweise unglatt oder (lokal) uneben ausgebildet. Möglich ist es auch, dass die Partikel oder ein erheblicher Teil der magnetisch polarisierbaren Partikel regelmäßig oder unregelmäßig auf der äußeren Oberfläche Erhebungen oder Erhöhungen und/oder Vertiefungen aufweisen. Dadurch kann eine Verkantung mit den Partikeln verstärkt werden. Beispielsweise kann wenigstens eine Oberfläche Erhöhungen und/oder Vertiefungen in der Art von spitz oder abgerundet ausgebildeten Dimpels bei Golfbällen aufweisen. Möglich ist auch eine Oberfläche mit einem spitz oder abgerundet ausgebildeten Sägezahnprofil. Eine relative Höhe (wenigstens einiger) der Erhebungen oder Vertiefungen beträgt vorzugsweise wenigstens 5% oder 10% des minimalen Durchmessers eines magnetisch polarisierbaren Partikels.Preferably, at least one surface of at least one clutch or brake component adjoining the brake gap is designed to be non-smooth or (locally) uneven at least in sections. It is also possible that the particles or a significant part of the magnetically polarizable particles have elevations or elevations and/or depressions regularly or irregularly on the outer surface. As a result, canting with the particles can be reinforced. For example, at least one surface can have elevations and/or depressions in the manner of pointed or rounded dimples in golf balls. A surface with a pointed or rounded sawtooth profile is also possible. A relative height (at least some) of the peaks or valleys is preferably at least 5% or 10% of the minimum diameter of a magnetically polarizable particle.
Es hat sich herausgestellt, dass eine besonders effektive Verkantung und Verklemmung einzelner Partikel mit hohen magnetischen Feldstärken erzeugbar ist. Dazu wird vorzugsweise eine magnetische Feldstärke von größer als 150 Kiloampere/Meter (kA/m) oder von 250 Kiloampere/Meter oder 500 kA/m oder mehr in dem Bremsspalt erzeugt. Insbesondere ist eine magnetische Feldstärke von größer als 500 Kiloampere/Meter (kA/m) oder von 750 Kiloampere/Meter oder 1000 kA/m oder mehr in dem Bremsspalt erzeugbar bzw. wird dort erzeugt.It has been found that a particularly effective canting and jamming of individual particles can be generated with high magnetic field strengths. For this purpose, a magnetic field strength of greater than 150 kiloamperes/meter (kA/m) or 250 kiloamperes/meter or 500 kA/m or more is preferably generated in the brake gap. In particular, a magnetic field strength greater than 500 kiloamperes/meter (kA/m) or 750 kilos ampere/meter or 1000 kA/m or more can be generated or is generated in the braking gap.
Wenn nur Pulver ohne flüssiges Trägermedium verwendet wird, kann die eine andere Dichtungsart gewählt und die Grundreibung dadurch verringert werden. Die Dichtung muss nicht so stark an die Oberflächen gepresst werden, da nicht für Flüssigkeiten abgedichtet werden muss, sondern nur Partikel. Es kann auch z.B. berührungsfreie Wellendichtung wie eine Labyrinthdichtung verwendet werden. Diese Art von Dichtung liegt nur auf einem der beiden zueinander drehenden Teile auf. Zusätzlich ist die Temperaturabhängigkeit verringert bzw. fast aufgehoben. Flüssige Trägermedien verändern ihre Viskosität mit sich verändernden Temperaturen, während Carbonyleisenpulver in sehr großen Temperaturbereichen seine Eigenschaften kaum ändert (bis zum Erreichen der Curie-Temperatur). Die temperaturbedingte Volumensänderung ist bei Pulver auch vernachlässigbar, da sich die Partikel untereinander umverteilen können, wenn sich das Volumen der einzelnen Partikel verändert.If only powder is used without a liquid carrier medium, a different type of seal can be selected, thereby reducing the basic friction. The seal does not have to be pressed as hard against the surfaces, since it is not necessary to seal for liquids, only particles. A non-contact shaft seal such as a labyrinth seal can also be used, for example. This type of seal only rests on one of the two mutually rotating parts. In addition, the temperature dependence is reduced or almost eliminated. Liquid carrier media change their viscosity with changing temperatures, while carbonyl iron powder hardly changes its properties in very large temperature ranges (until the Curie temperature is reached). The temperature-related volume change is also negligible for powder, since the particles can redistribute among themselves if the volume of the individual particles changes.
Der maximale Volumensanteil von Carbonyleisenpartikeln ist in Pulverform (ca. 74%) auch höher als in MRF mit z.B. Öl als Trägermedium.The maximum volume fraction of carbonyl iron particles in powder form (approx. 74%) is also higher than in MRF with e.g. oil as a carrier medium.
Die magnetorheologischen Partikel 19 verketten sich bei angelegtem Magnetfeld, wie in
Zur näheren Erläuterung dieses Effekts wird auf die
In
Nur beispielhaft ist in dem rechten Teil von
In der Mitte von
Eine Sternkontur kann auch in axialer Richtung ausgebildet sein. Das bedeutet, dass in axialer Richtung variable Spalthöhen auftreten. Dadurch kann das Magnetfeld in axialer Richtung an Orten mit geringerer Spalthöhe konzentriert werden, und in den höheren Spalten verringert werden. Auch eine Mischung aus „radialen“ und „axialen“ oder/und schrägen Sternkonturen ist denkbar.A star contour can also be formed in the axial direction. This means that variable gap heights occur in the axial direction. As a result, the magnetic field can be concentrated in the axial direction at locations with smaller gap heights and reduced in the higher gaps. A mixture of “radial” and “axial” and/or oblique star contours is also conceivable.
Insbesondere eignet sich diese Ausgestaltung für den zweiten Bremsspaltabschnitt 5b als Ersatz für einen (zweiten) Bremsspaltabschnitt (5b) mit Wälzkörpern.In particular, this configuration is suitable for the second
In
Darüber hinaus ist außerdem noch eine Trenneinheit 77 zur magnetischen Trennung vorhanden. Die Magnetringeinheit 71 wird zum Messen der Orientierung bzw. des Drehwinkels der magnetorheologischen Bremseinrichtung 1 genutzt. Der Magnetfeldsensor 72 ist innerhalb der in diesem Bereich nicht magnetisch ausgebildeten ersten Bremskomponente 2 angeordnet. In addition, there is also a
Kleine relative axiale Verschiebungen, wie sie zum Beispiel durch Betätigen einer Schnappscheibe bewirkt werden, können dazu genutzt werden, um das Betätigen des Bedienknopfs 101 zu detektieren, wie
Durch eine axiale Verschiebung verändert sich das empfangene Signal 68 der Sensoreinrichtung 70 gemäß der Darstellung von
Mit dem gleichen Sensor 72 kann auch der Drehwinkel erfasst werden, wobei zur Erfassung des Drehwinkels die Richtung des Magnetfeldes 8 (eingezeichnete Pfeile) ermittelt wird. Die Intensität bestimmt die axiale Position. Aus einer Veränderung des Signals 68 kann deshalb auf eine Betätigung eines Tasters bzw. der Schnappscheibe 29 zurückgeschlossen werden. Das ist vorteilhaft, da ein einziger (mehrdimensionaler) Hallsensor zur Bestimmung der Winkelposition und der Bestimmung einer Axialposition verwendet werden kann.The angle of rotation can also be detected with the
Das Volumen des aufgespannten Dreiecks 29b ist in der rechten Hälfte der
Im Inneren kann ein Reservoir 32 für magnetorheologische Partikel vorhanden sein, um eine ausreichende Versorgung der Bremsspaltabschnitte mit magnetorheologischen Partikeln zu gewährleisten. Insbesondere werden Carbonyleisenpartikel aus der Umgebung angezogen und im Magnetfeldübergangsbereich konzentriert.A
In
Der Scheibenkörper 41 ist hier einstückig mit dem Kern 21 ausgebildet, kann aber auch als Scheibenpaket 44 mit mehreren Scheibenblechen 46 ausgebildet sein.The
An der hohl ausgebildeten Achse 12 ist eine Kabeldurchführung 12a ausgebildet, durch welche die Kabel zur Versorgung der beiden elektrischen Spulen 261 und 261 durchgeführt werden. An dem Innenteil ist der (separate) Kern 21 aufgenommen. Auf dem Kern 21 sind die beiden elektrischen Spulen 261 und 262 an Spulenhaltern 26b gewickelt. Zwischen den beiden elektrischen Spulen 261 und 262 ist die Ringkontur 61 für den dritten Bremsspaltabschnitt 5c aufgenommen oder ausgebildet. In einfachen Ausgestaltungen ist die Ringkontur 61 als separates Teil auf den Kern 21 aufgebracht und stellt einen dünnen Spalt zwischen der Außenseite der Ringkontur 61 und dem Innenumfang des Mantelteils 13 zur Verfügung. Der dritte Bremsspaltabschnitt 5c dient zum Schließen der beiden Magnetfelder der beiden elektrischen Spulen 261 und 262.A
Das Magnetfeld der ersten elektrischen Spule 261 verläuft im Wesentlichen radial durch den ersten Bremsspaltabschnitt 5a und den dritten Bremsspaltabschnitt 5c und axial durch den Kern 21 sowie das Mantelteil 13. Das Magnetfeld der zweiten elektrischen Spule 262 verläuft im Wesentlichen radial durch den zweiten Bremsspaltabschnitt 5b und den dritten Bremsspaltabschnitt 5c und axial durch den Kern 21 sowie das Mantelteil 13. Die beiden elektrischen Spulen 261, 262 sind so gewickelt und werden so bestromt, dass die Magnetfelder der beiden elektrischen Spulen 261, 262 im Bereich des dritten Bremsspaltabschnitts 5c in die gleiche Richtung verlaufen, wie auch schematisch in
Insgesamt wird eine sehr kostengünstig herstellbarer haptische Bedieneinrichtung zur Verfügung gestellt, wobei gegebenenfalls durch eine „Lagerung“ über die Scheibenkontur 41 wenigstens ein Lager eingespart werden kann, wodurch auch die Bauhöhe reduziert wird. Es wird eine sehr geringere Grundreibung erreicht. Dadurch, dass weniger Teile verwendet werden, wird die Herstellung einfacher und kostengünstiger. Durch eine geringere Teileanzahl werden auch die Toleranzanforderungen verbessert, da Toleranzenketten vermieden werden. Ein haptischer Bedienknopf z. B. als Drehknopf oder Drehelement mit einer haptischen Bedieneinrichtung ist in unterschiedlichsten Bereichen anwendbar. Mit den beiden elektrischen Spulen 261, 262 kann jeweils separat ein Bremsmoment eingestellt werden.Overall, a haptic operating device that can be produced very cost-effectively is made available, with at least one bearing being able to be saved if necessary by “bearing” via the
Gegebenenfalls kann eine Betätigung über ein Schnappteil oder eine Schnappscheibe oder einen Taster oder dergleichen erfasst werden. Eine Beleuchtung des Drehknopfs kann beispielsweise über LEDs oder dergleichen erfolgen. Der Körper des Drehknopfs kann dann entsprechend teilweise oder ganz milchig ausgebildet sein, um eine entsprechende Streuwirkung zu erzielen.If necessary, an actuation can be detected via a snap part or a snap disk or a button or the like. The rotary knob can be illuminated, for example, via LEDs or the like. The body of the rotary knob can then be made partially or entirely milky in order to achieve a corresponding scattering effect.
Dadurch erreicht der Strom in der elektrischen Spule 26 schneller den gewünschten Wert. In einem konkreten Fall wird die gewünschte Stromstärke innerhalb von 10ms anstatt von 40ms erreicht. Der Wechsel zwischen den Spannungen kann über eine elektrische Schaltung erfolgen.As a result, the current in the
Magnetorheologische Kupplungseinrichtungen und Bremsen haben u.a. den Vorteil, dass sie zum Kuppeln bzw. zur Dämpfung von Bewegungen nur wenig Strom benötigen, leise sind, wenig Wärme erzeugen und sehr schnell reagieren (~ms) etc. Der geringe Strombedarf ist besonders vorteilhaft bei batteriebetriebenen Komponenten wie z. B. Elektrofahrzeugen, bei denen sich der Stromverbrauch aller Komponenten automatisch stark in der Reichweite der Fahrzeuge niederschlägt. Aber auch bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor oder elektrischen Geräten im Allgemeinen ist der Stromverbrauch ein Thema.Magnetorheological clutch devices and brakes have the advantage, among other things, that they only require little power for clutching or for damping movements, are quiet, generate little heat and react very quickly (~ms), etc. The low power requirement is particularly advantageous for battery-operated components such as e.g. B. Electric vehicles, in which the power consumption of all components is automatically reflected in the range of the vehicles. However, power consumption is also an issue in vehicles with combustion engines or electrical devices in general.
Hier wird z.B. zum Zeitpunkt 0,1 Sekunden die Stromstärke von 0 Ampere auf 2 Ampere erhöht. Der resultierende Verlauf des Bremsmomentes bzw. der Kopplungsintensität ist in der unteren Hälfte von
Wird hingegen zu Beginn des Kupplungs- bzw. dem Start des Brems- oder Dämpfungsvorgangs die Stromstärke dreifach auf z. B. hier 6 Ampere erhöht, wie es die durchgezogenen Linien zeigen, erhöht sich das Bremsmoment erheblich stärker und erreicht schon nach etwa 10 Millisekunden den Endwert von 1,5. Dabei wird der „Stromboost“ mit erhöhter Stromstärke hier nur für etwa 10 ms aktiviert. Danach wird, wie die obere durchgezogene Kurve zeigt, die Stromstärke auf 2 Ampere reduziert. Über die kurzzeitige Erhöhung der Stromstärke („Stromboost“) kann eine deutliche schnellere Einstellung (zur Verfügung Stellung) des Kupplungs-, Dämpf- oder Bremsmomentes erfolgen. Das ist in mehrerlei Hinsicht sehr vorteilhaft, da ein schnelles Stehenbleiben und ein direkteres haptisches Gefühl (Feedback) erfahrbar ist. In der Realität merkt man den Unterschied zwischen den zwei Kurven sehr stark.If, on the other hand, at the beginning of the clutch or the start of the braking or damping process, the current is tripled to z. If, for example, 6 amperes are increased here, as shown by the solid lines, the braking torque increases considerably more and reaches the final value of 1.5 after around 10 milliseconds. The "current boost" with increased current is only activated for about 10 ms. Thereafter, as shown by the upper solid curve, the current intensity is reduced to 2 amperes. By briefly increasing the current intensity (“current boost”), the clutch, damping or braking torque can be set (made available) much more quickly. This is very advantageous in several respects, as it allows you to stop quickly and experience a more direct haptic feeling (feedback). In reality, the difference between the two curves is very noticeable.
Dadurch erreicht der Strom in der elektrischen Spule 26 schneller den gewünschten Wert. In einem konkreten Fall wird die gewünschte Stromstärke innerhalb von 10ms anstatt von 40ms erreicht. Der Wechsel zwischen den Spannungen kann über eine elektrische Schaltung erfolgen.As a result, the current in the
Eine Kombination aus Spannung und Strom ist auch möglich. Spannungen von über 24 Volt und weit darüber (z.B. > hundert Volt) sind auch möglich.A combination of voltage and current is also possible. Voltages of over 24 volts and far above (e.g. > 100 volts) are also possible.
Statt einer elektrischen Spule können auch zwei oder mehr Elektrospulen verwendet werden, welche verschieden ausgeführt (Drahtstärke, Anzahl Windungen, Material...) und unterschiedlich bestromt werden, um den Boosteffekt zu erhalten.Instead of one electrical coil, two or more electrical coils can be used, which are designed differently (wire thickness, number of turns, material...) and are supplied with different currents in order to obtain the boost effect.
Die haptische Bedieneinrichtung 100 kann auch als eine Steer-by-Wire-Lenkung ausgebildet sein.The
In diesem Ausführungsbeispiel und in allen anderen Ausführungsbeispielen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen kann eine Aktuatoreinrichtung 303 umfasst sein, um die Drehbewegung in eine andere Bewegung umzusetzen. Die Aktuatoreinrichtung 303 kann insbesondere auch nur elektrisch mit dem Bedienknopf 101 verbunden sein.In this exemplary embodiment and in all other exemplary embodiments, refinements and developments, an
Die Drehbewegung des Bedienknopfs 101 wird mittels einer Sensoreinrichtung 70 und beispielsweise einem Drehwinkelsensor erfasst. In Abhängigkeit des Drehwinkels steuert die Aktuatoreinrichtung 303 dann andere Komponenten oder Aktuatoren.The rotational movement of the
An der Welle 311 ist hier eine als Elektromotor ausgebildete Antriebseinrichtung 307 angebunden. Durch die Antriebseinrichtung 307 kann der Bedienknopf 101 aktiv gedreht werden. Dadurch wird der Bedienknopf 101 in bestimmten Fällen (aktiv) gedreht, beispielsweise - aber nicht nur - bei einer (Simulation einer) Lenkung, um dem Bediener ein entsprechendes haptisches Feedback zu geben.A
Die Bewegung des Bedienknopfes oder drehbaren Bedienelementes 101 kann mittels einer magnetorheologischen Bremseinrichtung 1 gezielt und gesteuert gebremst werden. Zur Ansteuerung der Bremseinrichtung 1 und auch der Antriebseinrichtung 307 in Abhängigkeit verschiedener Parameter und z. B. des Winkels kann hier ein Steuergerät 302 vorgesehen sein. Dazu ist das Steuergerät 302 mit der Sensoreinrichtung 70 wirkverbunden.The movement of the operating button or
Das Steuergerät 302 berücksichtigt beispielsweise auch Daten eines Assistenzsystems 304. Dadurch kann die Bewegung des drehbaren Bedienelementes 101 je nach Fahrsituation gezielt beeinflusst werden. Das Steuergerät 102 kann auch mit weiteren hier nicht näher dargestellten Sensoren wirkverbunden sein, um das Verhalten in Abhängigkeit weiterer Parameter gezielt beeinflussen zu können.
Die Bremseinrichtung 1 ist hier mit einer Sicherheitseinrichtung 306 ausgestattet, welche ein hier nicht sichtbares magnetorheologisches Medium 6 aus einem hier ebenfalls nicht sichtbaren Spalt 5 entfernt. So kann beispielsweise bei einer Störung das Bremsmoment sehr zügig und zuverlässig aufgehoben werden. Der Spalt 5 und das Medium 6 können so ausgewählt werden, wie es im Rahmen dieser Anmeldung beschrieben und in den weiteren Figuren gezeigt ist.The
Die in
Die Bedien- oder Betätigungseinrichtung 100 kann hier auch als eine Steer-by-Wire-Lenkung eines Spiels (Gaming; Force-Feedback-Lenkrad) ausgebildet sein, ohne darauf beschränkt zu sein. Dazu dient eine Aktuatoreinrichtung 303 zur Umsetzung der mit der Bedien- oder Betätigungseinheit 101 ausgeführten Lenkbewegung in eine (virtuelle) Fahrzeugbewegung in einem (Renn)spiel (z.B. Need for Speed; Project Cars; Moto GP; Flugsimulator...). Beispielsweise lenkt die Aktuatoreinrichtung 303 die (virtuellen) Fahrzeugräder oder das Fahrzeugrad bei einem Motorrad. Die Aktuatoreinrichtung 303 ist dann nur elektrisch mit der Lenkeinheit 101 verbunden.The operating or
Die Drehbewegung einer Lenkeinheit wird mittels einer Sensoreinrichtung 70 und beispielsweise einem Drehwinkelsensor erfasst. In Abhängigkeit des Drehwinkels lenkt die Aktuatoreinrichtung 303 dann z. B. die Fahrzeugräder im Videospiel.The rotational movement of a steering unit is detected by means of a
An der Welle (bzw. Lenkungswelle) 311 ist hier eine als Elektromotor ausgebildete Antriebseinrichtung 307 angebunden. Durch die Antriebseinrichtung 307 kann die Lenkeinheit 301 aktiv gedreht werden. Dadurch wird die Lenkeinheit 301 beispielsweise beim Kurvenfahren oder Rückstellen aktiv bewegt, wie es auch bei einer konventionellen mechanischen Lenkung in einem realen Fahrzeug der Fall wäre.A
Die Bewegung der Bedien- oder Betätigungseinheit 101 kann mittels einer magnetorheologischen Bremseinrichtung 1 gezielt gebremst werden. Zur Ansteuerung der Bremseinrichtung 1 und auch der Antriebseinrichtung 307 in Abhängigkeit verschiedener Parameter und z. B. des Lenkwinkels ist hier ein (Lenkungs-) Steuergerät 302 vorgesehen. Dazu ist das (Lenkungs) Steuergerät 302 mit der Sensoreinrichtung 70 wirkverbunden.The movement of the operating or
Das (Lenkungs-) Steuergerät 302 berücksichtigt beispielsweise auch Daten eines (Fahr-) Assistenzsystems 304 oder Daten von anderen Spieler oder Spielsituationen (Sim Racer; Rennsimulatoren...). Dadurch kann die Bewegung der Lenkeinheit 301 je nach Fahrsituationen gezielt beeinflusst werden. Das (Lenkungs-) Steuergerät 102 kann auch mit weiteren hier nicht näher dargestellten Sensoren oder Informationsquellen eines Spieles wirkverbunden sein, um das Lenkverhalten in Abhängigkeit weiterer Parameter gezielt beeinflussen zu können.The (steering)
Der Bedienknopf kann auch an oder in einer Industrieanlage, in der Computerperipherie, bei Automobilen, Flugzeugen usw. eingesetzt werden und kann um die zuvor beschriebene aktive Komponente ergänzt werden.The control button can also be used on or in an industrial plant, in computer peripherals, in automobiles, airplanes, etc. and can be supplemented by the active component described above.
Die Erfindung stellt eine haptische Bedieneinrichtung zur Verfügung, die kompakt, robust und sehr günstig ist. Die haptische Bedieneinrichtung eignet sich besonders gut zur Verwendung in der Automobilindustrie, ist aber auch in allen möglichen Geräten und Maschinen einsetzbar.The invention provides a haptic operating device that is compact, robust and very inexpensive. The haptic control device is particularly suitable for use in the automotive industry, but can also be used in all kinds of devices and machines.
Ein großer Vorteil der Konstruktion ist, dass außen keine Kabel, kein Sensor und keine Elektronik nötig sind. Somit ist bei allen Ausgestaltungen eine hohe IP Klasse möglich. Im Prinzip liegt alles hinter einer Montageblende.A major advantage of the construction is that no cables, sensors or electronics are required on the outside. A high IP class is therefore possible in all configurations. In principle, everything is behind a mounting panel.
Die elektrischen Spulen sind vorzugsweise komplett von dem Raum mit dem magnetorheologischen Medium abgetrennt, insbesondere über eine Vergussmasse.The electrical coils are preferably completely separated from the space containing the magnetorheological medium, in particular by means of a casting compound.
In bevorzugten Ausgestaltungen ist eine axiale Verschiebung möglich, wobei insbesondere ein Flüssigkeitsvolumen im inneren verschoben wird. Zwischen einem Deckel und einer Scheibenkontur ist vorzugsweise genügend Raum vorgesehen, damit das dazwischenliegende Medium (oder Flüssigkeit) oder Carbonyl nicht verdichtet wird. (Das könnte sonst zu hohen axialen Verstellkräften führen.) Dadurch wird ein zusätzlich MRF-Reservoir bereitgestellt, aus dem Partikel in den Bereich der Scheibenkontur bzw. der Wälzkörper nachfließen können. Magnetische Partikel fließen nämlich immer in Richtung des stärkeren Felds, da magnetische Partikel von dem Magnetfeldgradienten angezogen werden.In preferred configurations, an axial displacement is possible, in which case, in particular, a liquid volume is displaced in the interior. Sufficient space is preferably provided between a lid and a disk contour so that the intervening medium (or liquid) or carbonyl is not compacted. (Otherwise this could lead to high axial adjustment forces.) This provides an additional MRF reservoir from which particles can flow into the area of the disk contour or the rolling elements. Namely, magnetic particles always flow in the direction of the stronger field since magnetic particles are attracted by the magnetic field gradient.
Die Dichtung läuft vorzugsweise auf der Achse. Es gibt eine Rotationsbewegung (mehr als 100.000 Umdrehungen sind möglich) und es kann eine Linearbewegung für den Taster geben. Damit die Dichtung nicht einläuft und eine Laufrille bildet und damit die Reibung gering ist und die Leckage (Schleppöl) über die Lebensdauer nicht zu hoch wird, ist eine entsprechende Werkstoffpaarung mit einer harten Lauffläche bevorzugt.The seal preferably runs on the axle. There is rotary movement (more than 100,000 revolutions are possible) and there can be linear movement for the probe. To ensure that the seal does not run in and form a running groove and that the friction is low and the leakage (drag oil) does not become too high over the service life, a corresponding material pairing with a hard running surface is preferred.
Vorzugsweise wird der erste Bremsspaltabschnitt 5a mit einer Scheibenkontur ausgerüstet. Der zweite Bremsspaltabschnitt 5b wird insbesondere mit Wälzkörpern und insbesondere Walzen ausgerüstet. Wälzkörper und insbesondere Walzen mit einem rundem Innenring ermöglichen ein hohes statisches Moment. Eine Scheibenkontur ermöglicht eine gute Magnetfeldweiterleitung und ein hohes Moment bei hohen Drehzahlen.The first
Die kombinierte Lösung, auch Hybridlösung genannt, kombiniert beide Vorteile. Ein axialer Übergang des Magnetfeldes hatte im Stand der Technik hingegen eine kleinere Übergangsfläche und ergab so geringere Bremsmomente. Außerdem hat ein axialer Magnetfeldübergang einen geringeren Abstand (Radius) und erzeugt schon daher weniger Moment. Ein ebenfalls radialer Bremsspaltabschnitt 5a mit einer Scheibenkontur hat demgegenüber einen größeren Durchmesser und erzeugt damit bei gleicher Kraft ein größeres Moment. Außerdem ist die Fläche größer, da der größere Umfang eine größere Fläche aufspannt. Wenn die Breite der Konturscheibe größer ist, als 1/6 des Durchmessers, ist das übertragbare Bremsmoment am (umfänglichen) radialen Bremsspaltabschnitt schon größer als das maximal übertragbare Bremsmoment auf der axialen Fläche! Schließlich sind durch die geringere Spalthöhe an der Scheibenkontur die magnetischen Verluste kleiner. Alles das bewirkt ein höheres Bremsmoment auch bei höheren Drehzahlen.The combined solution, also called hybrid solution, combines both advantages. In contrast, an axial transition of the magnetic field in the prior art had a smaller transition area and thus resulted in lower braking torques. In addition, an axial magnetic field transition has a smaller distance (radius) and therefore generates less moment. A
Ein Volumenausgleich für die Push-Funktion kann durch eine Membran am Ende des Mantelteils bereitgestellt werden. Hinter der Membran ist ein Klickelement wie eine Schnappscheibe („Snap Dome“). Dieses gibt einen haptisch fühlbaren Druckpunkt. Zusätzlich hört man das Klicken beim Erreichen des Druckpunktes und die Schnappscheibe drückt den gesamten Knopf bzw. das Mantelteil wieder in die Ausgangsstellung zurück (ähnlich einer Maustaste bei Computermaus).Volume compensation for the push function can be provided by a membrane at the end of the jacket part. Behind the membrane is a click element like a snap disk ("snap dome"). This gives a haptically perceptible pressure point. In addition, you can hear the click when the pressure point is reached and the snap disk pushes the entire button or the shell part back into the starting position (similar to a mouse button on a computer mouse).
Die Membran dichtet dann den MRF-Raum ab. Das Volumen hinter der Membran wirkt als Volumenausgleich beim Drücken. In der Normalstellung weist die Schnappscheibe eine Wölbung auf. Wird der Knopf in axialer Richtung verschoben, drückt der Stator der Bremseinrichtung gegen die Membran und die Schnappscheibe. Diese wird dadurch flach gedrückt.The membrane then seals the MRF space. The volume behind the membrane acts as a volume balance when pressed. In the normal position, the snap-action disc has a bulge. If the button is moved in the axial direction, the stator of the braking device presses against the membrane and the snap-action disc. This will flatten it out.
Das Design der haptischen Bedieneinrichtung kann noch aufgewertet werden, indem man die Abdeckung um verschiedenen Lichteffekte ergänzt. Eine kostengünstige Variante ist die Verwendung einer Kappe/Abdeckung mit einem transparenten Element, welches von unten mit LEDs beleuchtet wird. Dazu kann entweder eine transparente Hülse an dem Mantelteil angebracht oder in die Abdeckung eingearbeitet werden, oder die gesamte Innenseite der Abdeckung wird als solches ausgeführt (ein umgekehrter Topf). Dazu kann das transparente Teil an den Kanten schräg geschliffen sein, um das Licht in gewünschte Richtung abzulenken.The design of the haptic control device can be enhanced by adding various light effects to the cover. A cost-effective option is to use a cap/cover with a transparent element that is illuminated from below with LEDs. For this purpose, either a transparent sleeve can be attached to the jacket part or incorporated into the cover, or the entire inside of the cover can be designed as such (a inverted pot). For this purpose, the transparent part can be beveled at the edges in order to deflect the light in the desired direction.
Als transparentes Material kann normales Glas verwendet werden, oder PMMA (Acrylglas). Der Vorteil von PMMA ist, dass man milchiges Glas verwenden kann, welches das Licht innerhalb bricht und so die Gesamte Oberfläche gleichmäßig ausleuchten kann. Zur Beleuchtung können eine oder mehrere LEDs verwendet werden, auch mit verschiedenen Farben.Normal glass can be used as the transparent material, or PMMA (acrylic glass). The advantage of PMMA is that you can use milky glass, which breaks the light inside and can thus illuminate the entire surface evenly. One or more LEDs can be used for lighting, also with different colors.
In allen Ausgestaltungen kann auch die äußere Bremskomponente drehfest ausgeführt sein und die innere Bremskomponente die drehbare Komponente sein. In dem Fall muss die elektrische Kontaktierung der elektrischen Spule über Leitungen durch die äußere Bremskomponente erfolgen oder z. B. über Schleifkontakte.In all configurations, the outer brake component can also be non-rotatable and the inner brake component can be the rotatable component. In this case, the electric coil must be electrically contacted via lines through the outer braking component or e.g. B. via sliding contacts.
Wird eine Wickelfeder als elektrische Kontaktierung verwendet, so stellt vorzugsweise ein Absolutsensor den Drehwinkel (z.B. Asolutdrehwinkelgeber) fest und die Steuerung lässt ein Überdrehen nicht zu. So kann ein Blockieren bei einem bestimmten Winkel oder ein warnendes haptisches Feedback erfolgen, damit die Wickelfeder nicht abgerissen wird bzw. werden kann.If a coil spring is used as electrical contact, an absolute sensor preferably determines the angle of rotation (e.g. absolute angle of rotation encoder) and the control does not allow over-rotation. Blocking at a certain angle or a warning haptic feedback can occur so that the coil spring is not or cannot be torn off.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Magnetorheologische BremseinrichtungMagnetorheological braking device
- 2,32.3
- Bremskomponentebraking component
- 44
- Halterholder
- 55
- Spalt, BremsspaltGap, braking gap
- 5a5a
- Bremsspaltabschnitt für 41Braking gap section for 41
- 5b5b
- Bremsspaltabschnitt für 11Braking gap section for 11
- 5c5c
- Bremsspaltabschnitt für 61Braking gap section for 61
- 5d5d
- Bremsspaltabschnittbraking gap section
- 66
- Mediummedium
- 88th
- Magnetfeld, Feldmagnetic field, field
- 1111
- Wälzkörperrolling elements
- 11b11b
- Spalthöhe von 5bgap height of 5b
- 11c11c
- radialer Freiraum bei 5bradial clearance at 5b
- 11d11d
- Durchmesser von 11diameter of 11
- 11e11e
- axiale Breite von 11axial width of 11
- 11f11f
- Halterungbracket
- 1212
- Achseaxis
- 12a12a
- Kabeldurchführunggrommet
- 1313
- Mantelteiljacket part
- 1414
- Abschluss, Deckelconclusion, lid
- 1515
- Abschluss, Deckelconclusion, lid
- 1616
- StiftPen
- 1818
- Leuchtmittelbulbs
- 1919
- magnetische Partikelmagnetic particles
- 2020
- Rotationsachse, axiale RichtungAxis of rotation, axial direction
- 2121
- Kerncore
- 2222
- Hubhub
- 2323
- Drehknopfknob
- 2626
- SpuleKitchen sink
- 26b26b
- Spulenhalterspool holder
- 26e26e
- axiale Breiteaxial width
- 2828
- Vergussmassepotting compound
- 2929
- Schnappscheibesnap disk
- 29a29a
- Führungguide
- 29b29b
- Volumenvolume
- 3131
- Membranemembrane
- 3232
- Reservoirreservoir
- 35a35a
- Spannungsversorgung 12VPower supply 12V
- 35b35b
- Spannungsversorgung 18VPower supply 18V
- 3838
- Dichtungpoetry
- 3939
- O-Ringo ring
- 4040
- Sternkonturstar outline
- 40c40c
- Spalthöhegap height
- 4141
- Scheibenkonturdisc contour
- 41a41a
- integraler Ringflanschintegral annular flange
- 41b41b
- Spalthöhe von 5agap height of 5a
- 41e41e
- axiale Breite von 5aaxial width of 5a
- 4242
- Ringkörper, ScheibenkörperRing body, disc body
- 42a42a
- Aufnahmerecording
- 4343
- Benutzerschnittstelleuser interface
- 4444
- Scheibenpaketdisc package
- 4545
- KabelCable
- 4646
- Scheibenblechsheet metal
- 4747
- ausgebauchte Außenkonturbulging outer contour
- 4848
- Befüllschraubefilling screw
- 4949
- Überzugcoating
- 5050
- Konsoleconsole
- 5151
- Muttermother
- 6161
- Ringkonturring contour
- 6868
- Signalsignal
- 6969
- Amplitudeamplitude
- 7070
- Sensoreinrichtungsensor device
- 7171
- Magnetringeinheitmagnetic ring unit
- 7272
- Magnetfeldsensormagnetic field sensor
- 7575
- Abschirmeinrichtungshielding device
- 7676
- Abschirmkörpershielding body
- 7777
- Trenneinheitseparation unit
- 7878
- Entkopplungseinrichtungdecoupling device
- 7979
- Sensorplatinesensor board
- 79a79a
- Kontaktpincontact pin
- 8080
- Magnetfeldkonzentratormagnetic field concentrator
- 100100
- HaptischeHaptic
- 101101
- Bedieneinrichtung BedienkopfOperating device operating head
- 102102
- Bedienwalzeoperating roller
- 110110
- geschlossene Kammerclosed chamber
- 200200
- Gerätekomponentedevice component
- 261261
- elektrische Spuleelectric coil
- 262262
- elektrische Spuleelectric coil
- 263263
- Drahtwire
- 264264
- Drahtwire
- 265265
- Bremsintensitätbraking intensity
- 266266
- erster Leistungsparameterfirst performance parameter
- 267267
- zweiter Leistungsparametersecond performance parameter
- 270270
- Vorzeitpunktbefore time
- 271271
- erster Zeitraumfirst period
- 272272
- zweiter Zeitraumsecond period
- 302302
- Steuergerätcontrol unit
- 303303
- Aktuatoreinrichtungactuator device
- 304304
- Assistenzsystemassistance system
- 305305
- Remanenzeinrichtungremanence device
- 306306
- Sicherheitseinrichtungsafety device
- 307307
- Antriebseinrichtungdrive device
- 311311
- WelleWave
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2012/034697 A1 [0008, 0009]WO 2012/034697 A1 [0008, 0009]
- WO 2018/215350 A1 [0175]WO 2018/215350 A1 [0175]
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