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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung zum Variieren einer Betätigungskraft eines Betätigungselements oder zum Erzeugen eines Bremsmoments. Insbesondere betrifft die Erfindung eine magnetorheologische Bedieneinrichtung zur Einstellung von Bedienzuständen.
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Im Stand der Technik sind verschiedenste Spielecontroller und andere Bedienvorrichtungen und Bedieneinrichtungen bekannt geworden, bei denen unterschiedliche Bedienelemente, wie Bedientaster, Bedienhebel und dergleichen mehr betätigt werden, um Computerspiele oder technische Geräte aus dem Heimbereich oder aus dem Arbeitsbereich zu bedienen und zu steuern.
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Bei Steuerungen von Computerspielen sind oftmals Knöpfe oder Tasten, auch Triggerelemente genannt, vorgesehen, die oft federvorgespannte Druck- oder Schwingelemente sind, bei deren Betätigung im Computerspiel etwas ausgelöst wird und insbesondere eine Eingabe im Computerspiel erfolgt. Zum Beispiel kann der Start einer Maschine oder Abzug einer Waffe im Computerspiel damit ausgelöst oder eine Beleuchtung eines Gebäudes in dem Computerspiel oder in einer Simulation eingeschaltet werden oder dergleichen mehr.
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Grundsätzlich werden an solche Bedieneinrichtungen hohe Anforderungen gestellt. Eine Bremsvorrichtung soll einen möglichst geringen Bauraumbedarf aufweisen und vorzugsweise geringe Kosten mit einem geringen Energieverbrauch kombinieren. Denn der Bauraum an Spielekonsolen und Spielesteuerungen wie Spielecontrollern und an anderen Bedieneinrichtungen ist oft sehr knapp, und insbesondere begrenzt. Eine Außenkontur ist oft durch ein ergonomisches Design insbesondere fest vorgegeben oder sollte nicht oder nur minimal durch ein Bedienelement und dessen technischen Abmessungen oder deren Aufbau beeinflusst oder gar verändert werden, da diese ergonomisch wichtig ist und z. B. über viele Jahre bekannt ist, sodass die Außenkontur auch oft ein Erkennungsmerkmal darstellt. Zudem unterliegen Spielekonsolen und Bedieneinrichtungen einem hohen Preisdruck, weshalb oftmals nur sehr kostengünstige Lösungen infrage kommen. Außerdem werden derartige Steuereinrichtungen aus Komfortgründen oft kabellos verwendet, sodass der Stromverbrauch und damit die Akkulaufzeit wichtig sind.
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Zunächst wurden im Stand der Technik diese Betätigungselemente nur mit einem Sensor und einer Rückstellfeder ausgerüstet, wobei der Sensor den Benutzerwunsch an den Computer bzw. das Spiel weitergegeben hat und die Feder das Bedienelement anschließend zurückgestellt hat. Im weiteren Verlauf der Entwicklung wurden Vibrationselemente eingebaut, über die ein zusätzliches Feedback gegeben werden kann. Im Jahr 2020 hat Sony bei der Playstation 5 den Triggerknopf haptisch verfeinert und einen Elektromotor mit Schneckengetriebe und mehreren Getriebestufen integriert. Der Elektromotor interagiert mit der Schwenktaste und damit mit dem Benutzer, sodass der Benutzer in Abhängigkeit der Spielsituation gegen einen veränderlichen Widerstand andrücken muss bzw. den Widerstand beim Betätigen spürt und wahrnimmt. Grundsätzlich funktioniert das System. Das haptische Feedback könnte allerdings feiner variiert werden und die aufbringbare Kraft könnte größer sein. Vorteilhaft bei dem bekannten System ist, dass eine Grundkraft, d. h. die minimal mögliche Kraft gegen die ein Benutzer arbeiten muss, gering ist bzw. ein entsprechendes Grundmoment gering ist. Grundkräfte dürfen nicht zu hoch sein, weil sonst der Benutzer (bzw. dessen Finger) zu schnell ermüdet. Je nach Benutzer und Spiel bzw. Anwendung bzw. technischem Gebiet variieren die Wünsche an die aufzubringenden Kräfte.
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Bei derartigen Spielecontrollern oder anderen Bedieneinrichtungen drückt der Benutzer meist mit dem Finger eine Bedientaste oder ein Bedienelement. Oft wird die Bewegung des Fingers über einen Drehpunkt in eine Schwenkbewegung umgewandelt. Diese Schwenkbewegung kann über eine oder mehrere Getriebestufen in eine Rotationsbewegung mit höherer Drehzahl umgewandelt werden.
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Zur Dämpfung derartiger Drehbewegungen wurde auch versucht, magnetorheologische Bremsvorrichtungen vorzugsweise mit einem Drehdämpfer einzusetzen. Mit einem Drehdämpfer kann ein sehr geringes Grundmoment und ein hohes Maximalmoment und somit eine hohe Spreizung des erzeugbaren Momentes erreicht werden. Magnetorheologische Drehdämpfer können über reibungsarme Dichtungen abgedichtet werden, da bei kleinen Dichtungsdurchmessern auch nur geringe Reibmomente bei Drehbewegungen entstehen. Aktoren mit magnetorheologischen Flüssigkeiten benötigen nämlich gute Dichtungen, da bei den geforderten hohen Zykluszahlen eine dauerhafte Funktion gewährleistet werden muss. Aufgrund der Anforderungen an den Bauraum ist es aber nicht immer möglich, Drehdämpfer zur Erzeugung eines Bremsmomentes einzusetzen.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bremsvorrichtung insbesondere für Spielecontroller und andere Bedieneinrichtungen zur Verfügung zu stellen, die einen geringen Bauraumbedarf aufweist und auch dauerhaft zuverlässig funktioniert. Insbesondere soll die Bremsvorrichtung kostengünstig herstellbar sein und vorzugsweise ein geringes Gewicht aufweisen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bremsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Eine erfindungsgemäße Bremsvorrichtung dient insbesondere zum Bremsen einer Bewegung von (insbesondere schwenkbaren, rotativen oder linearen) Bedienelementen wie zum Beispiel Bedientasten, Bedienhebeln, Drucktasten und anderen Bedienteilen mehr. Die Bremsvorrichtung umfasst wenigstens eine sich entlang einer Längsrichtung erstreckende erste Bremskomponente und eine wenigstens teilweise ein magnetisch leitendes Material umfassende zweite Bremskomponente und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung. Die erste Bremskomponente ist entlang der axialen Längsrichtung beweglich an der zweiten Bremskomponente aufgenommen. Zwischen der ersten Bremskomponente und der zweiten Bremskomponente ist ein (wenigstens teilweise) mit einem magnetorheologischen Medium gefüllter Wirkspalt ausgebildet, der an den axialen Enden jeweils über eine Dichtungseinrichtung abgedichtet ist.
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Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung besteht darin, dass bei der linear beweglichen Bremsvorrichtung ausschließlich der Wirkspalt mit einem magnetorheologischen Medium befüllt wird. Vorteilhaft sind keine separaten Fluidkammern bzw. Reservoire notwendig zwischen denen das magnetorheologische Medium in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung vorzugsweise hin und her gepumpt werden muss. Dadurch ist diese lineare Bremsvorrichtung vorteilhaft besonders klein und leichtbauend ausführbar. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung dadurch besonders kostengünstig hergestellt werden, sodass diese sich bevorzugt auch zum Einsatz in Spielecontrollern oder Computertastaturen eignet. Vorteilhaft ist ein Verschiebewiderstand bzw. ein Widerstand gegen Verschiebung der Bremskomponenten gegeneinander durch die Beaufschlagung des magnetorheologischen Mediums in dem Wirkspalt mit einem Magnetfeld veränderlich und insbesondere gegenüber der Grundkraft erhöhbar, sodass ein Benutzer einen sich verändernden Widerstand wahrnehmen kann.
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Die magnetisch leitende zweite Bremskomponente ist insbesondere wenigstens ein Bestandteil einer magnetisch leitfähigen Statoreinheit. Die Statoreinheit kann vorteilhaft mehrere vorzugsweise magnetisch leitende Gehäuseteile bzw. Bauteile umfassen. Die erste Bremskomponente ist insbesondere wenigstens ein Bestandteil einer beweglich an der Statoreinheit aufgenommenen Linearaktoreinheit bzw. Rotoreinheit. Vorzugsweise sind die Linearaktoreinheit, bevorzugt die erste Bremskomponente und die Statoreinheit koaxial und vorzugsweise konzentrisch zueinander entlang wenigstens der Bewegungsachse bzw. Längsachse der Linearaktoreinheit angeordnet. Zweckmäßig ist die Linearaktoreinheit wenigstens teilweise radial innerhalb der Statoreinheit angeordnet. Vorteilhaft umschließt die Statoreinheit die Linearaktoreinheit vollumfänglich und/oder entlang eines gesamten Umfangs der Linearaktoreinheit.
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Vorzugsweise ist die zweite Bremskomponente als, insbesondere zylindrische, Hülse bzw. als hülsenförmiges Teil ausgeführt, welche die erste Bremskomponente wenigstens teilweise entlang des Umfangs umschließt. Insbesondere umschließt die zweite Bremskomponente die erste Bremskomponente vollumfänglich. Zweckmäßig kann die zweite Bremskomponente auch ein Gehäuseteil bilden und/oder als solches ausgeführt sein.
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Vorzugsweise umfasst das magnetorheologische Medium magnetorheologische Partikel und Gas als Füllmedium. Insbesondere sind keine oder weitestgehend keine oder wenigstens nahezu keine flüssigen Bestandteile in dem Wirkspalt enthalten. Dadurch kann die Dichtungseinrichtung derart ausgebildet werden, dass nur eine Dichtung für die magnetorheologischen Partikel zur Verfügung gestellt werden muss. Ein Gasaustausch mit der Umgebung ist vorteilhaft möglich und unproblematisch. Das eingesetzte Gas ist vorzugsweise ein Gasgemisch und insbesondere Luft. Dadurch kann eine besonders geringe Grundreibung und damit eine Grundkraft erzielt werden, sodass ein Verhältnis von maximal erzeugbarer Bremskraft zu der für die Bewegung nötigen Grundkraft sehr hoch ist. Vorteilhaft sind bei einem Gas und insbesondere Luft als Füllmedium Leckagen unproblematisch und gleichen sich im Betrieb aus.
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Alternativ oder zusätzlich kann das magnetorheologische Medium auch Flüssigkeiten, wie z. B. Öle, oder auch Fette umfassen. Vorteilhaft können die magnetorheologischen Partikel in der Flüssigkeit bzw. dem Fett fein dispergiert werden, sodass dauerhaft eine homogene Verteilung der Partikel in dem Füllmedium und somit in dem Wirkspalt gewährleistet werden kann. Im Sinne dieser Anmeldung umfasst ein Fett auch alle eingedickten Schmierstoffe, vorzugsweise auch verseifte Öle.
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Darüber hinaus kann das magnetorheologische Medium auch ein Gemisch aus mehreren Füllmedien, insbesondere aus Gasen, Flüssigkeiten und/oder Fetten umfassen. Vorteilhaft können sich die positiven Eigenschaften der einzelnen Füllmedien bzw. Fluide so ergänzen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung beinhaltet der Wirkspalt mehr als 40 Volumenprozent an magnetorheologischen Partikeln. Besonders bevorzugt ist der Wirkspalt zu mehr als 50, 60 oder 80 Volumenprozent mit magnetorheologischen Partikeln gefüllt. Es ist bevorzugt, dass der Wirkspalt zu weniger als 95 Volumenprozent mit magnetorheologischen Partikeln gefüllt ist.
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Ein hoher Volumenanteil von magnetorheologischen Partikeln innerhalb des Wirkspalts ermöglicht vorteilhaft ein hohes Bremsmoment. Gleichzeitig verhalten sich die magnetorheologischen Partikel insgesamt nahezu wie ein Fluid und können entsprechend verdrängt werden. Vorzugsweise haben die magnetorheologischen Partikel jeweils oder in der Mehrheit oder zu über 90% oder zu 100% einen maximalen Außendurchmesser kleiner 200 µm und insbesondere kleiner als 100 µm. In bevorzugten Ausgestaltungen beträgt ein typischer Durchmesser der magnetorheologischen Partikel zwischen 10 und 50 µm.
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In bevorzugten Weiterbildungen bestehen die magnetorheologischen Partikel (jeweils) überwiegend aus Carbonyleisenpulver und können eine Beschichtung gegen Korrosion und/oder zur Verbesserung des Gleitverhaltens (Gleitbeschichtung) aufweisen. Dadurch wird ein dauerhafter und vorteilhaft wartungsfreier Betrieb gewährleistet. Eine solche Beigabe oder Beschichtung kann Graphit, Molybdän, Bronze und dergleichen aufweisen oder umfassen. Solche Zugaben können das Gleiten verbessern und auch ein Quietschen reduzieren oder verhindern.
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Vorzugsweise umfasst das magnetorheologische Medium eine Graphitbeigabe. Dabei ist es möglich, dass eine (dünne) Graphitschicht wenigstens abschnittsweise auf einen Teil der magnetorheologischen Partikel (oder auf alle) aufgetragen wird. Möglich ist es auch, dass einem bestimmten Volumen von magnetorheologischen Partikeln ein bestimmter Graphitanteil beigegeben wird.
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Vorteilhaft ist das magnetorheologische Medium in wenigstens einem Aufnahmekörper aufgenommen. Bevorzugt wird ein Aufnahmekörper wenigstens teilweise durch einen Wirrfaserstoff, wie z. B. ein Knäuel aus einem oder mehreren (Stoff-)Fäden, und/oder einen Schaumstoff gebildet. Darüber hinaus sind auch andere Aufnahmekörper wie poröse Medien und insbesondere Sintermaterialien möglich. Vorzugsweise ist der Wirrfaserstoff innerhalb des Wirkspalts angeordnet. Vorteilhaft trägt der Aufnahmekörper zur homogeneren Verteilung des magnetorheologischen Mediums und insbesondere der magnetischen Partikel bei. Indem der Aufnahmekörper das magnetorheologische Medium und zweckmäßig auch dessen Bestandteile bei Relativbewegungen an Ort und Stelle hält, wird eine Gefahr einer (globalen) Agglomeration des magnetorheologischen Mediums und vorzugsweise der magnetischen Partikel an einer Stelle bzw. an einem Ende des Wirkspalts verringert oder sogar vollständig verhindert. Darüber hinaus kann der Aufnahmekörper z. B. im Falle eines Schaumstoffs auch wie ein Schwamm wirken, der das magnetorheologische Medium und vorzugsweise ein flüssiges Füllmedium in sich aufsaugt und speichert und die Gefahr von Leckagen vermindert.
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Insbesondere ist wenigstens eine Wirkfläche des Wirkspalts in ihrer axialen Richtung (d. h. entlang der Längserstreckung des Wirkspalts) wenigstens abschnittsweise eben ausgebildet. Vorteilhaft unterliegt das magnetorheologische Medium in dem Wirkspalt in diesem Fall einer reinen Scherbelastung, welche insbesondere (präzise) vorhersagbar ist.
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Vorzugsweise weist die Wirkfläche des Wirkspalts wenigstens abschnittsweise in ihrer axialen Richtung eine (periodische) Querschnittsverengung auf und ist insbesondere wellig ausgebildet. Bei einer welligen Wirkfläche wechseln sich „Berg- und Tal-Abschnitte“ ab, wobei im Bereich eines „Bergs“ eine kleinere Höhe des Wirkspalts als im Bereich eines „Tals“ vorliegt. Im Bereich der „Berge“ der Wirkflächen konzentrieren sich insbesondere magnetorheologische Medien bzw. die enthaltenen magnetischen Partikel, sodass ein „Keileffekt“ entsteht und besonders hohe Kräfte übertragbar sind. Vorzugsweise ist der Übergang zwischen „Berg und Tal“ glatt und/oder ohne Sprünge und Kanten und/oder stetig differenzierbar, um eine Strömung in dem Wirkspalt z. B. durch Ablösewirbel nicht negativ zu beeinflussen. Eine Höhe zwischen einem „Berg und einem Tal“ beträgt dabei insbesondere zwischen 5 % und 50 % der Höhe des Wirkspalts oder sogar bis zu 75 % oder sogar 90 % der Höhe des Wirkspalts.
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Darüber hinaus kann die Wirkfläche auch eine beliebige Form aufweisen und insbesondere Sprünge aufweisen oder auch in einer Richtung (streng) monoton fallen oder steigen, um die Strömung in dem Wirkspalt positiv zu beeinflussen und insbesondere die Kraftübertragung zwischen den sich bewegenden Bauteilen zu optimieren.
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Insbesondere ist die Dichtungseinrichtung an der ersten Bremskomponente aufgenommen. Vorteilhaft bewegt sich der zwischen den Dichtungseinrichtungen liegende Wirkspalt mit der ersten Bremskomponente und die relative Lage des Wirkspalts zur ersten Bremskomponente ist unveränderlich. Alternativ ist die Dichtungseinrichtung vorzugsweise an zweiten Bremskomponente aufgenommen, sodass eine Lage des Wirkspalts relativ zu der zweiten Bremskomponente unveränderlich ist.
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Vorzugsweise umfasst die Dichtungseinrichtung wenigstens eine oder mehrere Dichtungseinheiten. Zweckmäßig dichtet eine Dichtungseinheit der Dichtungseinrichtung den Wirkspalt berührungslos zwischen den sich zueinander bewegenden Teilen, insbesondere der ersten und der zweiten Bremskomponente. Vorteilhaft ist eine berührungslose Dichtung quasi oder wenigstens nahezu verschließfrei und bietet insbesondere einen besonders geringen Bewegungswiderstand.
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Alternativ dichtet die Dichtungseinheit der Dichtungseinrichtung den Wirkspalt vorzugsweise wenigstens teilweise berührend ab. Dabei berührt wenigstens ein Teil der Dichtungseinheit wenigstens teilweise eine Wandung zweiten Bremskomponente bzw. der ersten Bremskomponente an der Wirkfläche bzw. Dichtfläche des Wirkspalts, an welcher die Dichtungseinrichtung nicht aufgenommen ist. Zweckmäßig kann die berührende Dichtungseinheit beispielsweise als O-Ring oder auch als Dichtring wie ein Filzring oder dergleichen ausgeführt sein. Vorzugsweise umfasst die berührende Dichtungseinheit wenigstens teilweise ein Gummi oder eine PTFE-Dichtung (Polytetrafluorethylen). Berührende Dichtungen bieten den Vorteil, dass sie robust und zuverlässig arbeiten und den Wirkspalt mechanisch abdichten und/oder abschließen und/oder abdecken.
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Insbesondere weist die Dichtungseinrichtung bzw. die Dichtungseinheit wenigstens einen Dichtspalt wenigstens kleiner 0,3 mm oder bevorzugt kleiner als 0,15 mm oder insbesondere kleiner 0,075 mm oder besonders bevorzugt einen Dichtspalt von weniger als 0,05 mm oder auch sehr besonders bevorzugt weniger als 0,01 mm zu der Wirkfläche des Wirkspalts bzw. einer Dichtfläche auf, welche sich zwischen der ersten Bremskomponente und dem Durchtritt an der zweiten Bremskomponente ergibt, wenn die Dichtungseinrichtung an der ersten Bremskomponente aufgenommen ist. Falls die Dichtungseinrichtung an der zweiten Bremskomponente aufgenommen ist, definiert sich die Dichtfläche entsprechend analog.
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Vorzugsweise umfasst die Dichtungseinrichtung und/oder die Dichtungseinheit wenigstens eine (mechanisch dichtende) Dichtlippe, die im eingebauten Zustand einen Dichtspalt aufweist, der flüssigkeitsdurchlässig ist und der insbesondere die magnetorheologischen Partikel zurückhält. Alternativ kann die Dichtlippe auch vollständig berührend abdichten, sodass kein Dichtspalt verbleibt. Dichtlippen sind besonders kostengünstig und eigenen sich vorteilhaft (auch) in Verbindung mit anderen Dichtungseinheiten, um eine zuverlässige und dauerhafte Dichtung des Wirkspalts zu gewährleisten.
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Unter dem Begriff „flüssigkeitsdurchlässig“ ist hier zu verstehen, dass reines flüssiges Wasser bei zum Beispiel einer Temperatur von 20 °C wenigstens teilweise durch den Dichtspalt durchtreten würde. Auf Dauer würde in dieser Ausgestaltung Wasser (oder ein Trägeröl) folglich wenigstens zum Teil austreten können. Vorteilhaft kann so auch bei Temperaturänderungen und Dichteänderungen des magnetorheologischen Mediums und vorzugsweise des Füllmediums ein Druckausgleich ermöglicht werden.
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Insbesondere umfasst die Dichtungseinrichtung und/oder die Dichtungseinheit wenigstens eine (vorzugsweise berührungslose oder auch berührende) Labyrinthdichtung. Vorzugsweise ist ein Dichtlabyrinth der Labyrinthdichtung dabei wenigstens teilweise auf der Seite des Wirkspalts (der ersten Bremskomponente und/oder der zweiten Bremskomponente) angeordnet, an dem die Dichtungseinrichtung aufgenommen ist. Besonders vorteilhaft umfasst das Dichtlabyrinth z. B. mehrere entlang eines Dichtspalts bzw. einer Dichtfläche verbundenen Kammern, sodass ein Austritt des magnetorheologischen Mediums bzw. seiner Bestandteile aus dem Wirkspalt effektiv verhindert oder wenigstens (stark) reduziert wird. Vorteilhaft kann eine Labyrinthdichtung so auch zur Abdichtung bei sich axial zueinander bewegenden Bauteilen genutzt werden. Vorteilhaft dichtet eine Labyrinthdichtung zuverlässig und unabhängig von äußeren Kräften, wie Magnetfeldern, ab.
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In bevorzugten Ausgestaltungen umfasst die Dichtungseinrichtung und/oder die Dichtungseinheit wenigstens eine Magnetdichtung insbesondere mit wenigstens einem berührungslosen Dichtspalt. Die Magnetdichtung kann durch einen oder auch durch mehrere Dauermagneten bzw. Permanentmagneten gebildet werden. Vorzugsweise ist die Magnetdichtung als Magnetring ausgeführt. Möglich ist es aber auch, dass die Magnetdichtung über eine wenigstens eine oder auch mehrere Elektrospulen erfolgt. Ein magnetisches Feld einer Elektrospule könnte auch unterstützend die Dichtwirkung im Bedarfsfall verstärken. Vorteilhaft kann die Magnetdichtung darüber hinaus ein Dichtfluid umfassen, wie zum Beispiel ein Ferro-Fluid, dass durch die magnetischen Kräfte in dem Dichtspalt gehalten wird und den Dichtspalt dadurch mechanisch und berührend oder auch berührungslose dauerhaft und verschleißarm abdichtet.
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Möglich ist es auch, dass sowohl eine (nahezu) berührende Dichtlippe und eine zusätzliche (berührungslose) Magnetdichtung als Dichtungseinheiten von der Dichtungseinrichtung umfasst sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Dichtungseinrichtung und/oder die Dichtungseinheit wenigstens einen magnetischen Partikelsammler. Vorteilhaft ist der Partikelsammler axial außerhalb des Wirkspalts angeordnet und von dem Wirkspalt aus gesehen außen an der Dichtungseinrichtung, insbesondere hinter der Dichtungseinrichtung, angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst der Partikelsammler beispielsweise eine (starke) Magnetquelle, wie einen Dauer- oder Permanentmagneten oder auch eine Elektrospule und ist in der Nähe des Dichtspalts angeordnet, sodass magnetische Partikel, die aus dem Wirkspalt austreten könnten an dem Partikelsammler gesammelt werden und dort anhaften, sodass diese einzelnen Partikel nicht in die Umgebung gelangen oder gar zu einer mechanischen Fehlfunktion führen können.
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In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass die Bremsvorrichtung und insbesondere die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine elektrische Spuleneinheit umfasst. Vorzugsweise umfasst die Bremsvorrichtung und insbesondere die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens einen (magnetisch leitenden) Kern. Besonders bevorzugt ist der Kern an der ersten Bremskomponente und vorzugsweise wenigstens teilweise an der ersten Bremskomponente ausgebildet. Vorzugsweise umfasst der erste Bremskomponente mehrere Bestandteile bzw. ist die erste Bremskomponente aus mehreren Bestandteilen aufgebaut. Vorteilhaft umfasst die erste Bremskomponente wenigstens einen magnetisch leitfähigen Kern und/oder einen Spulenhalter sowie weitere Bauteile.
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Für ein niedriges Grundmoment ist bevorzugt ein Kern aus einem Material ohne „Restfeld“ oder nur mit einem geringeren Restfeld vorteilhaft, beim Wegfall des magnetischen Felds der Magnetfelderzeugungseinrichtung, d. h. keiner oder nur einer schwachen oder nahezu keiner Hysterese. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere Siliziumstahl, weichmagnetische Kobalt-Eisen-Legierungen wie „Vacoflux“, eine 17 %ige Kobalt-Eisen-Legierung, hierfür besonders gut geeignet sind. Der Kern kann vorteilhaft als gegossener Feststoff wie auch als Sintermaterial hergestellt sein.
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Vorzugsweise weisen die übrigen Bestandteile der ersten Bremskomponente eine (deutlich) geringere magnetische Leitfähigkeit auf als der (magnetisch leitfähige) Kern. Vorteilhaft ist ein Verhältnis der magnetischen Leitfähigkeiten des Kerns vorzugsweise zu übrigen Bestandteilen insbesondere größer als 10 oder 100 oder 1000 oder sogar 10000 oder noch mehr. Vorteilhaft werden die Magnetfeldlinien des Magnetfelds der Spuleneinheit und insbesondere der Magnetfelderzeugungseinrichtung so gezielt in Richtung des Wirkspalts und durch diesen hindurch geleitet, sodass die Wirkung des Magnetfelds verbessert und vorteilhaft maximiert wird. Gleichzeitig wird eine Streuung des Magnetfelds vorteilhaft minimiert. Darüber hinaus können die Bestandteile mit wenigstens niedriger magnetischer Leitfähigkeit bevorzugt aus einem Kunststoff (kostengünstig) hergestellt werden.
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Die elektrische Spuleneinheit ist vorzugsweise in Längsrichtung wenigstens teilweise um die erste Bremskomponente, und vorteilhaft um den Spulenhalter gewickelt, derart, dass eine Senkrechte auf der durch die Spuleneinheit (im Wesentlichen) aufgespannten Ebene quer und insbesondere senkrecht zu einer durch die Spulenwicklungen aufgespannten Wickelebene ausgerichtet ist. Das bedeutet praktisch, dass sich eine Symmetrieachse der Wicklungen nicht entlang der Längsrichtung erstreckt, sondern dass die Spuleneinheit quer dazu gewickelt ist, sodass sich das Magnetfeld der Spuleneinheit senkrecht oder wenigstens quer zu der Längsrichtung erstreckt. Vorteilhaft ist die Spuleneinheit an dem Kern mittels eines geeigneten Füllmaterials vergossen.
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Das Magnetfeld der elektrischen Spuleneinheit tritt dann zweckmäßig aus dem Kern durch den Wirkspalt in das den Kern umgebende, ein magnetisch leitendes Material umfassende, Gehäuseteil ein und verläuft entlang einer Umfangswandung zur gegenüberliegenden Seite, wo das Magnetfeld wieder durch den Wirkspalt zwischen Kern und der zweiten Bremskomponente durchtritt. Somit können die Magnetfeldlinien geschlossen werden. Möglich ist es auch, dass über dem Umfang des Kerns verteilt mehrere Arme radial angeordnet sind, an denen jeweils eine elektrische Spuleneinheit aufgenommen ist, sodass auf dem Umfang der Bremskomponente bzw. eines umfassten Kolbens mehrere elektrische Spuleneinheiten angeordnet sind, die jeweils separate Magnetfelder erzeugen.
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Vorzugsweise umfasst die erste Bremskomponente eine Kabeldurchführung, um Anschlusskabel der Spuleneinheit und insbesondere der Magnetfelderzeugungseinrichtung nach außen zu führen. Zweckmäßig ist die Kabeldurchführung wenigstens teilweise innerhalb der ersten Bremskomponente ausgeführt, sodass beispielsweise Anschlusskabel einer Spuleneinheit problemlos nach außen geführt werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich die magnetisch leitende zweite Bremskomponente zwischen den Enden des Wirkspalts. Vorzugsweise erstreckt sich der magnetisch leitende Kern zwischen den Dichtungseinrichtungen, die den Wirkspalt begrenzen. Vorzugsweise sind die Dichtungseinrichtungen axial außerhalb der zweiten Bremskomponente und/oder der ersten Bremskomponente angeordnet. Vorteilhaft werden die Dichtungseinrichtungen so von einem magnetischen Feld der Spuleneinheit und insbesondere der Magnetfelderzeugungseinrichtung nicht beeinflusst oder nur in einem deutlich geringerem Maße beeinflusst, als wenn die Dichtungseinrichtungen an einer Position axial innerhalb der zweiten Bremskomponente und/oder des Kerns angeordnet sind. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn die Dichtungseinheit als Magnetdichtung ausgeführt ist, da so eine gegenseitige Beeinflussung der Magnetfelder minimiert werden kann.
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Alternativ ist auch eine Anordnung der Dichtungseinrichtung an einer Position wenigstens teilweise axial innerhalb der Dichtungseinrichtungen möglich, um vorzugsweise eine besonders kleinbauende Bremsvorrichtung zu erhalten. Vorteilhaft eignen sich hierfür z. B. mechanisch berührende Dichtungseinheiten, wie Dichtringe, welche nicht durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung beeinflusst werden.
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Insbesondere erstreckt sich ein Aufnahmeraum wenigstens teilweise (auch) durch die zweite Bremskomponente, in welchem die erste Bremskomponente aufgenommen ist. Vorteilhaft erstreckt sich der Aufnahmeraum auch durch weitere Bauteile und Komponenten vorzugsweise auch ein (Außen-)Gehäuse. Vorzugsweise ist die erste Bremskomponente radial innen zur zweiten Bremskomponente angeordnet. Vorteilhaft umschließt die zweite Bremskomponente die erste Bremskomponente entlang ihres Umfangs, vorteilhaft vollumfänglich.
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Zweckmäßig ist ein minimaler Innenquerschnitt des Aufnahmeraums an den äußersten Querschnitt der ersten Bremskomponente wenigstens abschnittsweise und vorzugsweise entlang des Wirkspalts angepasst.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen sind der äußerste Querschnitt der ersten Bremskomponente und der minimale Innenquerschnitt des Aufnahmeraums wenigstens abschnittsweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Alternativ weist die erste Bremskomponente wenigstens abschnittsweise einen unrunden äußeren und insbesondere äußersten Querschnitt auf. Ein minimaler Innenquerschnitt des Aufnahmeraums ist vorzugsweise an den äußersten Querschnitt der ersten Bremskomponente angepasst. In besonders bevorzugten Ausgestaltungen weist die erste Bremskomponente über ihre Länge im Wesentlichen einen konstanten äußeren Querschnitt auf. Dementsprechend ist der Innenquerschnitt des Aufnahmeraums vorzugsweise über wenigstens einen wesentlichen Teil der Länge des Gehäuses bzw. des Aufnahmeraums gleichförmig ausgebildet. Vorteilhaft ist die winkelmäßige Orientierung in einer Umfangrichtung dadurch genau definiert oder mit anderen Worten passt die erste Bremskomponente nur in einer Orientierung in die zweite Bremskomponente bzw. das Außengehäuse.
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In besonders bevorzugten Weiterbildungen ist die erste Bremskomponente wenigstens abschnittsweise und vorzugsweise im Bereich des Wirkspalts quer zu ihrer Längserstreckung mehreckig, mehreckig mit abgerundeten Ecken, oval oder zum Beispiel nierenförmig ausgebildet. Derartige Ausgestaltungen werden insbesondere dadurch kostengünstig ermöglicht, dass magnetorheologische Partikel ohne Trägerflüssigkeit in dem Wirkspalt aufgenommen sind. Dadurch wird die Dichtung erheblich erleichtert, die bei Flüssigkeiten und eckigen Ausgestaltungen oftmals schwierig ist. Ein V-förmiger oder U-förmiger oder C-förmiger oder halbkreisförmiger Kolbenquerschnitt mit zwei Schenkeln, die sich an ihren mittleren Enden treffen, ermöglicht besonders bauraumsparsame Konstruktionen bei gleichzeitig besonders großen Wirkflächen des Wirkspalts. Vorteilhaft sind so auch serientechnisch brauchbare Lösungen umsetzbar. Die erste Bremskomponente ist (dadurch) vorteilhaft insgesamt insbesondere nahezu oder vollständig (ver-)drehfest in dem Aufnahmeraum aufgenommen. Dazu kann eine Drehbewegung bzw. eine Schwenkbewegung eines Bedienelements zuverlässig in eine Linearbewegung an der ersten Bremskomponente umgewandelt werden.
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Vorteilhaft ist der Aufnahmeraum der magnetisch leitfähigen zweiten Bremskomponente mit Luft oder Gas gefüllt ist und nach außen durch einen Entlüftungskanal geöffnet, um einen Gasaustausch zu ermöglichen und eine Kompression des Gases in dem Aufnahmeraum zu verhindern.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen ist wenigstens eine Sensoreinrichtung zur Erfassung eines Maßes für eine Position der ersten Bremskomponente umfasst. Eine solche Sensoreinrichtung kann direkt eine Position der ersten Bremskomponente erfassen und zum Beispiel als Linearsensor ausgebildet sein. Möglich ist es auch, dass die Sensoreinrichtung eine Winkelstellung erfasst, die aufgrund der bekannten Einbausituation in eine lineare Position der ersten Bremskomponente umgerechnet wird. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinrichtung wenigstens einen Hall-Sensor. Vorteilhaft ermöglicht eine solche Sensoreinrichtung, die auf dem Hall-Effekt basiert, eine genaue Messung einer axialen Position mit hoher und wiederholbarer Genauigkeit, sodass diese sich besonders gut eignet, um Eingabeinformationen bzw. Eingabewünsche eines Benutzers an ein Computerprogramm wie ein Computerspiel zu übergeben. Gleichzeitig kann eine Änderung der Position besonders fein und insbesondere kontinuierlich über den (insbesondere gesamten) Verfahrweg aufgelöst werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoreinrichtung auch insbesondere einen Infrarotsensor oder einen Ultraschallsensor oder dergleichen umfassen, um die Position eines sich (relativ) bewegenden Bauteils der Bremsvorrichtung zu erfassen.
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Vorzugsweise ist der Querschnitt des Aufnahmeraums über den vorgesehenen Verfahrweg konstant, sodass die erste Bremskomponente über den gesamten Verfahrweg verfahrbar ist.
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Vorzugsweise ist zwischen der ersten Bremskomponente und der Innenwandung des Aufnahmeraums der Wirkspalt ausgebildet. Vorzugsweise ist ein Verhältnis des maximalen Durchmessers der ersten Bremskomponente wenigstens im Bereich des Wirkspalts quer zu seiner Längserstreckung zu einer Höhe des Wirkspalts größer als 10 oder größer als 20 und sogar vorzugsweise größer als 30. Vorteilhaft wird durch ein großes Verhältnis der Wirkspalt klein im Verhältnis zur ersten Bremskomponente, insbesondere einem umfassten Kolben. Der Wirkspalt stellt dadurch vorzugsweise einen kleinen magnetischen Widerstand dar, den das Magnetfeld einfach durchtreten kann.
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Vorteilhaft bildet die magnetisch leitende zweite Bremskomponente wenigstens einen Bestandteil eines Außengehäuses mit wenigstens einem weiteren Gehäuseteil. Zweckmäßig umfasst das Außengehäuse die magnetisch leitende zweite Bremskomponente und wenigstens ein weiteres Gehäuseteil. Insbesondere ist die magnetisch leitende zweite Bremskomponente an dem Außengehäuse aufgenommen. Vorzugsweise erstreckt sich der Aufnahmeraum durch das gesamte Außengehäuse und insbesondere auch durch die zweite Bremskomponente.
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Vorzugsweise weist das wenigstens eine weitere Gehäuseteil des Außengehäuses eine geringere magnetische Leitfähigkeit auf als die magnetisch leitende zweite Bremskomponente. Insbesondere ist ein Verhältnis der magnetischen Leitfähigkeit der magnetisch leitfähigen zweiten Bremskomponente zu übrigen Bestandteilen des Außengehäuses insb. größer als 10 oder vorteilhaft 100 bzw. bevorzugt größer als 1000, 10000 oder sogar noch mehr. Vorteilhaft ist der eine weitere Bestandteile des Außengehäuses bzw. die übrigen Bestandteile nicht oder nur besonders schlecht magnetisch leitend. Vorteilhaft wird dadurch eine Ausrichtung der Magnetfeldlinien verbessert, sodass sich das magnetische Feld besonders wirksam ausrichten kann und eine Streuung minimiert wird. Vorteilhaft ist das wenigstens eine weitere Gehäuseteil des Außengehäuses aus Kunststoff hergestellt und dadurch vorteilhaft besonders kostengünstig fertigbar, vorzugweise in der Serienproduktion durch Spritzgießen oder gleichwertige Herstellungsverfahren. Vorzugsweise ist die magnetisch leitende zweite Bremskomponente aus dem gleichen oder einem sehr ähnlichen Material wie der Kern hergestellt.
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Vorzugsweise ist ein äußeres Ende der ersten Bremskomponente und ein davon abgewandte Ende des Außengehäuses bzw. der ersten Bremskomponente jeweils schwenkbar, insbesondere an einer Konsole, aufnehmbar. Vorteilhaft kann sich die Bremsvorrichtung dadurch entlang einer auf ein Bedienelement wirkenden Kraft ausrichten. Wenn die Bremsvorrichtung zum Beispiel an einem schwenkbaren Bedienelement, wie einem Hebel oder einer Wippe, befestigt ist, kann sich der Winkel einer angreifenden Fingerkraft zu einer feststehenden und nicht schwenkbaren Achse verändern, während der Benutzer das Bedienelement betätigt, da sich der Finger des Benutzers entlang einer Kreisbahn um den Drehpunkt des Bedienelement bewegt und damit auch die von dem Finger ausgehende Betätigungskraft, die auf die Bremsvorrichtung wirkt. Solche quer zur Bewegungsrichtung wirkenden Kräfte können problematisch werden, wenn dadurch die erste Bremskomponente verkantet oder auch gegebenenfalls verbiegt oder sogar brechen könnte. Durch die schwenkbare Aufnahme kann sich die erste Bremskomponente vorteilhaft selbstständig entlang der wirkenden Kraft bzw. einer (Schwenk-)Position des Bedienelements ausrichten, sodass eine Gefahr eines Verkantens gegenüber der zweiten Bremskomponente minimiert wird oder wenigstens deutlich verringert wird und Betätigungskräfte vorteilhaft in Bewegungsrichtung der ersten Bremskomponente wirken. Insbesondere ist die schwenkbare Aufnahme jeweils als Kugelkopf oder Gelenkpfanne oder auch als kreisrunde Bohrung (Aufnahmeauge) ausgeführt, welches über eine entsprechende Gelenkpfanne oder auch einen Stift und eine zweite Bohrung vorteilhaften der Konsole aufnehmbar ist. Darüber hinaus kann durch die schwenkbare Aufnahme ein Betrieb der Bremsvorrichtung über große Schwenkwinkel des Betätigungselements ermöglicht werden.
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Vorzugsweise wird die erste Bremskomponente und/oder die erste Bremskomponente zu der zweiten Bremskomponente über eine Vorbelastungseinheit in wenigstens eine Ruheposition vorbelastet. Die Vorbelastungseinheit kann außerhalb des Aufnahmeraums und vorzugsweise außerhalb der zweiten Bremskomponente bzw. des Außengehäuses aufgenommen sein. Möglich ist es aber auch, dass die Vorbelastungseinheit innerhalb der zweiten Bremskomponente oder sogar innerhalb der ersten Bremskomponente aufgenommen ist. Vorteilhaft umfasst die Vorbelastungseinheit wenigstens eine Spiralfeder, eine Drehfeder oder dergleichen, die kostengünstig und robust sind.
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Vorteilhaft umfasst die erste Bremskomponente wenigstens einen Kolben und/oder wenigstens eine Kolbenstange.
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Vorzugsweise ist eine Länge des Kolbens bzw. der ersten Bremskomponente entlang der Längsrichtung größer als ein maximaler Durchmesser des Kolbens bzw. der ersten Bremskomponente. Vorteilhaft ist eine Führungslänge des Kolbens bzw. der Bremskomponente an der Innenwandung entlang der anderen Bremskomponente so lang im Verhältnis zum Durchmesser, sodass eine Gefahr des Verkantens durch quer zur Bewegungsrichtung wirkende Kräfte minimiert wird. In bevorzugten Weiterbildungen ist der Kolben bzw. die erste Bremskomponente quer zu seiner Längserstreckung wenigstens 50 % breiter als hoch ausgebildet. Der Kolben bzw. die erste Bremskomponente kann auch doppelt oder dreimal so breit wie hoch ausgebildet sein. Ein breiter und flacher Kolben bzw. eine breite und flache erste Bremskomponente kann auch in kleine Bauräume eingepasst werden.
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Insbesondere ist ein Verhältnis des Außendurchmessers der zweiten Bremskomponente zu einem Außendurchmesser der ersten Bremskomponente kleiner zwei.
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Der Aufnahmeraum wird durch die erste Bremskomponente, insbesondere den (linear beweglichen) Kolben, vorzugsweise in zwei unterschiedliche Teilräume geteilt.
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Ein Spielecontroller gemäß der Erfindung umfasst ein Bedienelement oder eine Bedientaste oder dergleichen und eine (magnetorheologische) Bremsvorrichtung zum Bremsen der Bewegung der Bedientaste bzw. des Bedienelementes oder dergleichen. Die Bremsvorrichtung umfasst eine sich entlang einer axialen Längsrichtung erstreckende erste Bremskomponente und eine zweite Bremskomponente aus einem magnetisch leitenden Material mit einem darin ausgebildeten und insbesondere lang gestreckten Aufnahmeraum und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung. Die erste Bremskomponente ist wenigstens teilweise in dem Aufnahmeraum entlang der Längsrichtung beweglich aufgenommenen und über eine Vorbelastungseinheit in eine Ruheposition vorbelastet. Zwischen der ersten Bremskomponente und der zweiten Bremskomponente ist ein Wirkspalt ausgebildet, der an seinen axialen Enden über jeweils eine Dichtungseinrichtung abgedichtet ist. Der Wirkspalt ist wenigstens teilweise mit einem magnetorheologischen Medium gefüllt. Auch der erfindungsgemäße Spielecontroller hat viele Vorteile. Der Spielecontroller ermöglicht einen einfachen und dauerhaft beständigen Aufbau. Die erzeugbare maximale Bremskraft bei der Betätigung der Bedientaste des Bedienelementes ist hoch, während eine minimal notwendige Grundkraft sehr gering ist.
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Vorzugsweise umfasst die erste Bremskomponente einen in dem Aufnahmeraum aufgenommenen Kolben und eine insbesondere aus dem Aufnahmeraum nach außen ragende Kolbenstange. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus der gesamten Beschreibung und aus allen (Unter-)Ansprüchen.
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Mit der Erfindung können nicht nur eine Bremsvorrichtung für einen Spielecontroller zur Verfügung gestellt werden, sondern der Einsatz ist auch an Computertastaturen, Exoskeletten, an Prothesen und/oder bei der Bedienung von Maschinen oder anderen Einrichtungen denkbar und möglich.
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Am Ende der ersten Bremskomponente oder der zweiten Bremskomponente (also an einem Ende der zwei sich zueinander bewegenden Teile) kann noch ein aktives Element befestigt sein (wie z. B. ein Elektromotor, ein Spindeltrieb, ein Hubmagnet, ein Piezoaktuator, eine Voicecoil, ...). Dadurch kann eine aktive Kraft erzeugt werden. Die Linearbremse würde beim Einschalten des aktiven Elements vorzugsweise gesperrt (blockiert). Das adaptive Linearelement kann aber auch die Bewegung des aktiven Elements dämpfen bzw. beeinflussen.
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Dadurch, dass bevorzugt ein „trockenes“ magnetorheologisches Medium verwendet wird und kein Öl oder hydraulisches Fluid enthalten ist, kann das Grundmoment bzw. die Grundreibung verringert werden. Insbesondere kann die Dichtungseinrichtung so verändert werden, dass die Grundreibung bedeutend reduziert wird. Gegebenenfalls kann vorteilhaft auf eine berührende Dichtlippe verzichtet werden und die Dichtung erfolgt allein durch eine Magnetdichtung.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in den Ausführungsbeispielen beschrieben, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
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Darin zeigen:
- 1a-1g verschiedene Ausgestaltungen von Vorrichtungen, insbesondere Bedieneinrichtungen, mit erfindungsgemäßen Bremsvorrichtungen;
- 2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung in einer Einbausituation mit einem schematisch dargestellten Bedienelement;
- 3a-e einen stark schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Bremsvorrichtung sowie stark schematische Detailansichten und eine stark schematische Schnittansicht;
- 4 u. 5 zwei Schnitte in eingefahrenem und ausgefahrenem Zustand der Bremsvorrichtung nach 2;
- 6 u. 7 eine perspektivische geschnittene Darstellung der Ausführungsform der Bremsvorrichtung und eine weitere perspektivische Darstellung der Bremsvorrichtung nach 2;
- 8 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Bremsvorrichtung;
- 9 u. 10eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Bremsvorrichtung eingefahrenen und ausgefahrenen Zustand;
- 11 - 13 weitere Schnitt und Detailansichten der Ausführungsform nach 9 und 10; und
- 14 u. 15 isometrische Ansichten der Ausführungsform nach 9 und 10 im ausgefahrenen und eingefahrenen Zustand.
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1a bis 1g zeigen mehrere erfindungsgemäße Bedieneinrichtungen 100, in denen die magnetorheologische Bremsvorrichtung 1 eingesetzt werden kann. Die Bedieneinrichtungen 100 sind jeweils als haptische Bedieneinrichtung 100 mit einem Bedienelement 101 ausgeführt.
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1a zeigt einen haptischen Bedienknopf 101. Der Bedienknopf 101 kann gedreht bzw. verschwenkt und auch vorzugsweise auch in einer Richtung entlang der Drehachse bewegt werden. Vorteilhaft kann eine axiale Bewegung bzw. eine Schwenkbewegung durch die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung 1 beeinflusst werden, wie auch in den nachfolgenden Ausführungsformen.
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In 1b ist die Bedieneinrichtung 100 als Daumenwalze 102 dargestellt. Die Daumenwalze 102 ist bevorzugt beispielsweise in Lenkrädern einsetzbar. Die Daumenwalze ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. Die Daumenwalze 102 kann allgemein je nach Einbausituation auch mit jedem anderen Finger nutzbar sein. Vorzugsweise ist die Daumenwalze um eine Drehachse drehbar und insbesondere entlang der Drehachse verschiebbar.
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In 1c und 1d ist die Bedieneinrichtung 100 in einer Computermaus 103 angeordnet. Die haptische Bedieneinrichtung 100 ist in dem Mausrad 106 untergebracht. Die magnetorheologische Bremsvorrichtung 1 kann genutzt werden, um ein haptisches Feedback zu steuern, insbesondere auch bei einer Verschiebung entlang der Drehachse.
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1e zeigt einen Joystick 104 als haptische Bedieneinrichtung 100, in welchem eine Bremseinrichtung 1 untergebracht ist.
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Außerdem ist die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung 1 in einem Spielecontroller 100 bevorzugt nutzbar, um dem Spieler in Abhängigkeit der Spielsituation ein haptisches Feedback zu geben, insbesondere beim Betätigen der Bedientasten 101, Bedienhebel 101, Drucktasten 101, etc., siehe 1f. In 1g ist der Spielecontroller 100 in einer Seitenansicht dargestellt. Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung 1 ist im Inneren des Spielecontrollers 100 angeordnet (gestrichelte Linien). Das Bedienelement 101 wird hier durch eine Wippe bzw. einen Hebel gebildet 101, der um den Drehwinkel 41 schwenkbar ist. Drückt ein Benutzer auf das Bedienelement 101 wird diese Bewegung auf die Bremsvorrichtung 1 übertragen. Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung 1 ist so kleinbauend, dass die Außenkontur des Spielecontrollers durch die Bremsvorrichtung 1 nicht beeinflusst ist. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung 1 besonders leicht, sodass die Bremsvorrichtung 1 ein Gewicht des Spielecontrollers 101 nicht negativ beeinflusst. Weiter kann die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung 1 kostengünstig in Serien- bzw. Massenproduktion hergestellt werden.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung 1 in einer Einbausituation mit einem schematischen Bedienelement 101, wie sie z. B. in einem Spielecontroller 100 genutzt werden kann. Die Bremsvorrichtung 1 ist an einem äußeren Ende 37 einer ersten Bremskomponente 8 und einem gegenüberliegenden Ende 38 einer zweiten Bremskomponente 3 schwenkbar an einer Konsole 2 aufgenommen, hier durch Kugelgelenke mit Kugelköpfen und Gelenkpfannen. Dadurch kann sich die Bremsvorrichtung 1 an der Betätigungskraft 42 bzw. in Abhängigkeit des Schwenkwinkels 41 ausrichten, sodass die Betätigungskraft 42 entlang der Längsrichtung 19 der Kolbenstange 9 der ersten Bremskomponente 8 wirkt, sodass die Bremsvorrichtung 1 leichtgängig bewegt werden kann und nicht verkantet. Weiter vorteilhaft sind durch die schwenkbare Aufnahme auch große Schwenkwinkel möglich.
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3a-e zeigen einen stark schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Bremsvorrichtung 1 sowie Detailansichten und eine Schnittansicht. 3a zeigt einen stark schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Bremsvorrichtung 1 zum Bremsen einer Bewegung eines Bedienelements 101 einer Bedieneinrichtung 100. Die Bremsvorrichtung 1 umfasst eine sich entlang der axialen Längsrichtung 19 erstreckende erste Bremskomponente 8 und eine zweite Bremskomponente 3 aus einem magnetisch leitenden Material. Ein Aufnahmeraum 4 erstreckt sich durch die zweite Bremskomponente 3. In dem Aufnahmeraum 4 ist die erste Bremskomponente 8 beweglich aufgenommen.
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Die erste Bremskomponente 8 teilt den Aufnahmeraum 4 hier in unterschiedliche Teilräume 6, 7. Die erste Bremskomponente 8 umfasst einen in dem Aufnahmeraum 4 aufgenommenen Kolben 10 und eine aus dem Aufnahmeraum 4 nach außen ragende Kolbenstange 9. Zwischen der ersten Bremskomponente 8 und hier genauer deren Kolben 10 und der zweiten Bremskomponente 3 ist ein mit einem magnetorheologischen Medium 13 gefüllter Wirkspalt 5 ausgebildet, der an den axialen Enden jeweils über eine Dichtungseinrichtung 12 abgedichtet ist. Hier kann das magnetorheologische Medium 13 magnetorheologische Partikel 14 und ein Gas als Füllmedium 14a umfassen. Darüber hinaus kann das Füllmedium 14a auch durch eine Flüssigkeit, wie ein (Träger-Öl), oder auch ein Fett gebildet werden. Vorteilhaft ist das magnetorheologische Medium 13 nur in dem Wirkspalt 5 vorhanden.
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Vorteilhaft beinhaltet der Wirkspalt 5 hier zwischen 40 und 95 Volumenprozent an magnetorheologischen Partikeln 14. Die magnetorheologischen Partikel 14 bestehen jeweils aus Carbonyleisenpulver. Aufgrund der hohen Partikelkonzentration verhalten sich die magnetorheologischen Partikel 14 selbst wie ein Fluid, wobei der Wirkspalt 5 nicht verstopft.
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Die Partikel 14 weisen jeweils eine Beschichtung gegen Korrosion auf. Außerdem weisen die Partikel 14 eine Gleitbeschichtung, hier in Form einer Graphitbeigabe auf, welche als dünne Graphitschicht abschnittsweise auf die Partikel 14 aufgetragen ist. Dadurch werden das Gleitverhalten verbessert und so ein dauerhafter und zuverlässiger Betrieb ermöglicht.
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Der Wirkspalt 5 ist hier an jedem Ende über jeweils eine Dichtungseinrichtung 12 mit einer Dichtungseinheit 15 zwischen den sich zueinander bewegenden Teilen, d. h. der ersten Bremskomponente 8 und der zweiten Bremskomponente 3, abgedichtet und begrenzt. Die Dichtungseinrichtungen 12 sind hier an der ersten Bremskomponente 8 und genauer an deren Kolben 10 aufgenommen, sodass sich der Wirkspalt 5 mit dem Kolben 10 bzw. der ersten Bremskomponente 8 mitbewegt.
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Die Bremsvorrichtung 1 umfasst weiter eine als elektrische Spuleneinheit 24a ausgebildete Magnetfelderzeugungseinrichtung 24 und einen magnetisch leitfähigen Kern 26. Der magnetisch leitfähige Kern 26 ist hier an der ersten Bremskomponente 8 und genauer an dem Kolben 10 ausgebildet. Die elektrische Spuleneinheit 24 ist in Längsrichtung 19 um die erste Bremskomponente 8 und genauer um den Kolben 10 gewickelt. Die Kolbenstange 9 erstreckt sich entlang der Längsrichtung 19. Dadurch wird eine Senkrechte auf der durch die Spuleneinheit 24 aufgespannte Ebene 24c quer und insbesondere senkrecht zu einer durch die Spulenwicklungen aufgespannten Wickelebene 25 aufgespannt. Das Magnetfeld 24b wird durch die magnetisch leitende zweite Bremskomponente 3 und den magnetisch leitenden Kern 26 geleitet und tritt hier durch den Wirkspalt 5 durch, sodass die magnetischen Partikel 14 sich entlang dem Magnetfeld 24b ausrichten und die Viskosität des magnetorheologischen Mediums 13 dadurch verändert werden kann. Eine Bewegung der ersten Bremskomponente 8 gegenüber der zweiten Bremskomponente 3 kann so gebremst und beeinflusst werden. Der Kolben 10 der ersten Bremskomponente 8 wird hier durch eine Vorbelastungseinheit 39 in eine Ruheposition 43 vorbelastet. Hier ist die Vorbelastungseinheit 39 außerhalb des Kolbens 10 der ersten Bremskomponente 8 jedoch innerhalb eines Außengehäuses 3b aufgenommen.
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Im unteren Teil ist zusätzlich ein Aufnahmekörper 14b in dem Wirkspalt 5 angeordnet. Der Aufnahmekörper 14b ist als Wirrfaserstoff bzw. Schaumstoff mit einzelnen verbundenen Räumen ausgeführt. Der Aufnahmekörper 14b beinhaltet das magnetorheologische Medium 13 und insbesondere die magnetorheologischen Partikel 14. Vorteilhaft verhindert der Aufnahmekörper 14b mit seiner inneren Struktur eine (globale) Partikelagglomeration an einer Stelle des Wirkspalts 5 auftritt und dementsprechend andere Bereiche des Wirkspalts 5 deutlich weniger Partikel 14 oder sogar gar keine Partikel 14 mehr aufweisen. Demensprechend wird eine homogene Partikelverteilung im dem Wirkspalt 5 gewährleistet.
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Der Aufnahmeraum 4 ist hier mit Luft gefüllt und über den Entlüftungskanal 11 mit der Umgebung verbunden, sodass ein Gasaustausch und ein Druckausgleich stattfinden können.
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In 3b ist eine Detailansicht einer Dichtungseinrichtung 12 einer erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung 1 mit mehreren Dichteinheiten 15, die eine berührungslose Labyrinthdichtung 16 eine berührungslose Magnetdichtung 20 und eine zur Dichtfläche 12a der Dichtungseinrichtung 12 berührungslose Dichtlippe 18 umfassen.
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Die Magnetdichtung 20 ist hier als Magnetring ausgeführt, welcher die magnetischen Partikel 14 des magnetorheologischen Mediums 13 daran hindert, die Dichtungseinrichtung 12 mit der Dichtfläche 12a zu passieren. Die Labyrinthdichtung 16 umfasst mehrere Kammern bzw. sich über den Umfang erstreckende Nute(n), die den Durchtritt der magnetorheologischen Partikel 14 aus dem Wirkspalt 5 durch die Dichtungseinrichtung 12 entlang der Dichtfläche 12a in den Aufnahmeraum 4 behindern.
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Zusätzlich ist eine Dichtlippe 18 vorhanden, um die magnetorheologischen Partikel 14 mechanisch zurückzuhalten. Die Dichtlippe 18 versperrt den Querschnitt des Wirkspalts 5 entlang der Höhe des Wirkspalts 5a, wobei ein kleiner Dichtspalt 17 zu der Dichtfläche 12a der zweiten Bremskomponente 3 verbleibt. Die Dichtlippe 18 ist flüssigkeitsdurchlässig während magnetorheologische Partikel 14 zurückgehalten werden und die Dichtlippe 18 nicht passieren können.
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Außerdem weist die Dichtungseinrichtung 12 hier einen magnetischen Partikelsammler 21 auf. Der Partikelsammler 21 ist hier radial außerhalb des Wirkspalts 5, d. h. auf der dem Dichtspalt abgewandten Seite der Dichtungseinrichtung 12, angeordnet. Der Partikelsammler 21 weist hier einen (starken) Permanentmagneten auf, durch den die magnetische Partikel 14 aufgesammelt werden, die trotz der Dichtlippe 14 aus dem Wirkspalt 5 durch die Dichtungseinrichtung 12 durchtreten.
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3c zeigt hier einen Querschnitt quer zur Längsrichtung 19 durch die Bremsvorrichtung 1. die erste Bremskomponente 8 weist einen unrunden äußersten Querschnitt 29 auf. Dabei ist ein minimaler Innenquerschnitt 30 des Aufnahmeraums 4 der zweiten Bremskomponente an den äußersten Querschnitt 29 der ersten Bremskomponente angepasst. Der Kolben 10 der ersten Bremskomponente 8 weist hier einen ovalen äußersten Querschnitt 29 auf. Der minimale Innenquerschnitt 30 des Aufnahmeraums 4 ist hier an den äußersten Querschnitt 29 der ersten Bremskomponente 8 angepasst, sodass zwischen der ersten Bremskomponente 8 und der zweiten Bremskomponente 3 ein dünner Spalt verbleibt, in dem der Wirkspalt 5 angeordnet ist. Der Wirkspalt 5 ist hier zwischen dem Kolben 10 und der Innenwandung 33 des Aufnahmeraums 4 ausgebildet. Die erste Bremskomponente 8 hier ist somit (ver-)drehfest in dem Aufnahmeraum 4 der zweiten Bremskomponente 3 aufgenommen.
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Der Kolben 10 der ersten Bremskomponente 8 weist hier eine Länge 27 entlang der Längsrichtung 19 auf, die größer ist als ein maximaler Durchmesser 28 des Kolbens 10 der ersten Bremskomponente 8. Der Kolben 10 ist hier quer zur Längserstreckung 19 wenigstens 50 % breiter als hoch ausgebildet.
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Vorteilhaft ist hier weiter der Innenquerschnitt 30 über den vorgesehenen Verfahrweg 31 konstant, sodass der Kolben 10 über einen gesamten Kolbenweg 31 verschiebbar ist.
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Die Bremsvorrichtung 1 umfasst weiter eine Sensoreinrichtung 32, die hier als Hall-Sensor ausgebildet ist. Die Sensoreinrichtung 32 dient zur Erfassung eines Maßes für eine Position des Kolbens 10 der ersten Bremskomponente 8 zu der zweiten Bremskomponente 3.
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Im Ausführungsbeispiel ist ein Verhältnis der größten Querabmessung des Kolbens 10 quer zur seiner Längserstreckung 19 zu seiner Höhe 5a des Wirkspalts 5 größer als 20. Folglich stellt der Wirkspalt 5 für das Magnetfeld 24b einen (nur geringen) Widerstand dar, durch den es (problemlos) durchtreten kann.
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In 3d ist eine alternative Ausführungsform der Dichtungseinrichtung 12 dargestellt. Die Dichtungseinrichtung 12 umfasst hier zwei die gegenüberliegende Dichtfläche 12a berührende Dichtungseinheiten 15, eine Magnetdichtung 20 und eine Dichtlippe 18. Die Dichtlippe liegt hier berührend an der Innenwandung 33 des Aufnahmeraums 4 an. Die Magnetdichtung 20 umfasst hier zwei Magnetringe mit elektrischen Spulen, die ein hier nur schematisch dargestelltes Ferro-Fluid 20a in dem Dichtspalt 17 halten, welches den Dichtspalt 17 versperrt.
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In 3e ist ein vergrößerter Ausschnitt des Wirkspalts 5 dargestellt. Die Wirkflächen 5b des Wirkspalts 5 sind hier eben entlang der axialen Richtung 5c des Wirkspalts 5 ausgebildet. Alternativ oder auch abschnittweise können die Wirkflächen 5b auch eine andere Form aufweisen, wie hier gestrichelt dargestellt z. B. ein sich periodisch wiederholendes, welliges „Berg und Tal“ Profil, wobei sich eine Höhe zwischen „Berg und Tal“ über ca. 50 % der Höhe 5a des Wirkspalts 5 erstreckt, sodass ein Keileffekt entstehen kann, der zu einer lokalen Konzentration der magnetorheologischen Partikel 14 führt, wodurch höhere Kräfte übertragbar sind. Das Profil erstreckt sich hier über den gesamten Umfang des Kolben 10s der ersten Bremskomponente 8. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Wirkfläche 5b an der zweiten Bremskomponente 3 analog ausgeführt sein.
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4 und 5 zeigen zwei Schnitte in eingefahrenem und ausgefahrenem Zustand der Bremsvorrichtung 1 nach 2. Hier ist ein Verhältnis des Außendurchmessers 3a der zweiten Bremskomponente 3 zu einem Außendurchmesser 9a der Kolbenstange 9 kleiner als zwei, sodass die Bauweise sehr kompakt ist. Die erste Bremskomponente 8 ist entlang des Verfahrwegs 31 verschieblich und wird durch die Vorbelastungseinrichtung 39, die hier als Spiralfeder ausgebildet ist, in die Ruheposition 43 vorbelastet.
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Anschlusskabel können durch die Kabeldurchführung 40, welche sich durch die Kolbenstange 9 der ersten Bremskomponente 8 erstreckt nach außen geführt werden.
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Die magnetisch leitende zweite Bremskomponente 3 ist hier ein Bestanteil des Außengehäuses 3b, welches hier eine deutlich geringere magnetische Leitfähigkeit aufweist als die magnetisch leitende zweite Bremskomponente 3. Hier umfasst das Außengehäuse 3b einen weiteren Bestandteil, der aus Kunststoff hergestellt ist. Kunststoffe haben den Vorteil, dass es im Verhältnis zu metallischen Werkstoffen leicht und kostengünstig herstellbar vor allem auch in der Massenproduktion herstellbar sind. Auch die erste Bremskomponente 8 weist hier mehrere Bestandteile auf. Der Kern 26 ist magnetisch leitfähig und an dem Kolben 10 ausgebildet. Darüber hinaus umfasst die erste Bremskomponente 8 hier einen Spulenhalter für die Spuleneinheit 24a der Magnetfelderzeugungseinrichtung 24 und eine Kolbenstange 9. Alle Bestandteile außer dem magnetisch leitenden Kern 26 sind hier ebenfalls aus einem Kunststoff hergestellt, der kostengünstig ist und sehr schlecht magnetisch leitend ist.
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Im Betrieb verfährt der Kolben 10 in Längsrichtung 19 innerhalb des Aufnahmeraums 4. Durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung 24, die hier als Spuleneinheit 24a ausgebildet ist kann das magnetorheologische Medium 13 in dem Wirkspalt 5 mit einem Magnetfeld beaufschlagt werden, sodass sich die magnetischen Partikel 14 in dem Wirkspalt 5 ausrichten und Kräfte zwischen der zweiten Bremskomponente 3 und der ersten Bremskomponente und hier dem Kolben 10 übertragen. Folglich wir eine Bewegung des Kolben 10 relativ zu der zweiten Bremskomponente 3 gebremst. Dabei ist das magnetorheologische Medium 13 ausschließlich in dem (dünnen) Wirkspalt 5 zwischen dem Kolben 10 der ersten Bremskomponente 8 und der zweiten Bremskomponente 3 vorhanden, der durch die Dichtungseinrichtungen 12 begrenzt wird.
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6 und 7 zeigen eine perspektivische geschnittene Darstellung der Ausführungsform der Bremsvorrichtung 1 und eine weitere perspektivische Darstellung der Bremsvorrichtung 1 nach 2.
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8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Bremsvorrichtung 1. Im Unterschied zu den anderen Ausführungsformen sind hier die Dichtungseinrichtungen 12 an zweiten Bremskomponente 3 aufgenommen, sodass der Wirkspalt 5 ortsfest zu der zweiten Bremskomponente 3 ist und die Dichtfläche 12a an der ersten Bremskomponente ausgebildet ist. Folglich bewegt sich der Wirkspalt 5 hier mit der zweiten Bremskomponente 3 und.
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9 u. 10 zeigen schematische Schnittdarstellungen einer weiteren Ausführungsform einer Bremsvorrichtung 1 im eingefahrenen und ausgefahrenen Zustand. Die Enden 37, 38 sind hier als Gelenkpfannen ausgeführt.
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Die Dichtungseinrichtung 12 umfasst hier jeweils zwei Dichtungseinheiten 15, eine Magnetdichtung 20, insbesondere mit einem nicht gesondert dargestellten Ferro-Fluid, und eine mechanische berührende Dichtung, die insbesondere als Filzring ausgeführt ist, um eine optimale Dichtung des Wirkspalts 5 zu erhalten. Weiter umschließt das Außengehäuse 3b den gesamten Kolben 10 und die Kolbenstange 9 der ersten Bremskomponente 8 vollumfänglich.
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11, 12 und 13 zeigen weitere Schnitt- und Detailansichten der Ausführungsform nach 9 und 10. In 12 ist ein Schnitt durch die Wickelebene 25 dargestellt, sodass die Wicklung der Spuleneinheit 24 in Längsrichtung 19 ersichtlich ist.
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Die 14 und 15 zeigen isometrische Ansichten der Ausführungsform nach 9 und 10 im ausgefahrenen und eingefahrenen Zustand.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremsvorrichtung
- 2
- Konsole
- 3
- zweite Bremskomponente, Statoreinheit
- 3a
- Außendurchmesser von 3
- 3b
- Außengehäuse
- 4
- Aufnahmeraum
- 5
- Wirkspalt
- 5a
- Höhe von 5
- 5b
- Wirkfläche von 5
- 5c
- axiale Spaltrichtung von 5
- 6
- Teilraum
- 7
- Teilraum
- 8
- erste Bremskomponente
- 9
- Kolbenstange
- 9a
- Außendurchmesser von 9
- 10
- Kolben
- 11
- Entlüftungskanal
- 12
- Dichtungseinrichtung
- 12a
- Dichtfläche
- 13
- magnetorheologisches Medium
- 14
- Partikel
- 14a
- Füllmedium
- 14b
- Aufnahmekörper
- 15
- Dichtungseinheit
- 16
- Labyrinthdichtung
- 17
- Dichtspalt
- 18
- Dichtlippe
- 19
- Längsrichtung, axiale Richtung
- 20
- Magnetdichtung
- 20a
- Ferro-Fluid von 20
- 21
- Partikelsammler
- 24
- Magnetfelderzeugungseinrichtung
- 24a
- Spuleneinheit
- 24b
- Magnetfeld
- 24c
- Senkrechte Ebene zur Spule
- 25
- Wickelebene, Spulenebene
- 26
- Kern
- 27
- Länge von 10
- 28
- Durchmesser von 10
- 29
- Querschnitt von 10
- 30
- Innenquerschnitt
- 31
- Kolbenweg
- 32
- Sensoreinrichtung
- 33
- Innenwandung
- 37
- äußeres Ende
- 38
- Ende
- 39
- Vorbelastungseinheit
- 40
- Kabeldurchführung
- 41
- Drehwinkel
- 42
- Betätigungskraft
- 43
- Ruheposition
- 100
- Spielecontroller, Bedieneinrichtung
- 101
- Bedienelement, Bedientaste, Bedienknopf, Bedienhebel, Drucktaste
- 102
- Daumenwalze
- 103
- Computermaus
- 104
- Joystick
- 106
- Mausrad
