DE10217823A1

DE10217823A1 - Passives Stellglied

Info

Publication number: DE10217823A1
Application number: DE2002117823
Authority: DE
Inventors: Claus Rein
Original assignee: CORETA GmbH
Current assignee: CORETA GmbH
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2003-10-30
Also published as: EP1497563A1; AU2003224055A1; WO2003087589A1

Description

Die Erfindung betrifft ein passives Stellglied nach den Patentansprüchen 1 und 2.

In technischen Systemen, wie Maschinen, Anlagen, Geräten und anderen technischen Gegenständen, werden zur elektrischen Steuerung mechanischer Bewegungsabläufe Stellglieder eingesetzt. Als Stellglieder werden etwa elektromotorische Antriebe, wie Elektromagneten oder Motore, piezoelektrische Antriebe oder über Ventile und Pumpen gesteuerte hydraulische wie auch pneumatische Antriebe verwendet. Charakteristisch für all diese Stellglieder ist eine aktive Bewegung - rotatorisch oder linear - eines kraftübertragenden oder kraftaufnehmenden Stellelementes dieses Stellgliedes, was stets mit einer Lageänderung - Winkel oder Verschiebung - dieses Stellelementes verbunden ist. Die Lageänderung des Stellelementes hat den Zweck, andere bewegliche Funktionselemente des entsprechenden technischen Systems zu bewegen, ihre Bewegung zu lenken, einzuschränken, zu bremsen oder zu verhindern. Die Bewegung des Stellgliedes erfordert einen entsprechenden Energieaufwand, der bei bekannten Lösungen häufig nicht der funktionalen Leistung angemessen ist. Lösungen mit einer höheren energetischen wie auch räumlichen Effizienz sind etwa in DE 197 17 691 A1 oder DE 198 10 921 A1 beschrieben und basieren auf der Anwendung elektrorheologischer oder magnetorheologischer Flüssigkeiten. Diese sind in den genannten Schriften jedoch sehr spezifisch in hydraulischen Systemen integriert. Die Größe der Stellglieder entspricht ebenfalls häufig nicht dem zu erzielenden Effekt. Dies betrifft besonders passive mechanische Steuerungsbewegungen, die lediglich die Bewegung eines anderen Elementes verhindern, einschränken, bremsen oder lenken sollen, ohne selbst dieses Element aktiv zu bewegen. So benötigt zum Beispiel die Behinderung der Bewegung eines Kolbens nur wenige Gramm oder Milligramm Material, etwa für einen Anschlag oder eine Feststellschraube. Ein entsprechendes Stellglied - etwa ein Elektromagnet - besitzt dagegen das Vielfache dieser Masse. In bistabilen Systemen, die nicht durch Motoren betätigt werden, sind häufig die Stellzustände gegenüber mechanischen oder magnetischen äußeren Einflüssen störanfällig. Nicht zuletzt sind unverkapselte Systeme sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder Schmutz. In technischen Systemen, in denen ein geringer Energieverbrauch erforderlich ist oder Gewicht und Größe des Stellgliedes minimal gehalten werden sollen, beanspruchen bekannten Lösungen - insbesondere solche für passive Steuerungsaufgaben - oft zu sehr die gesamte Konstruktion. Solche technischen Systeme sind etwa dezentrale Systeme mit elektrochemischer Stromversorgung, Teilsysteme mit eingeschränktem Konstruktionsraum und problematischer Statik, kompakte mechatronische Systeme, Mikrosysteme oder dezentrale manuell bedienbare Systeme.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, als bauliche Einheit ein Stellglied für passive Steuerungsaufgaben zu entwickeln, das Stellfunktionen auf kleinem Raum mit einem geringen Energieverbrauch realisieren und dabei hohe Belastungen aufnehmen kann.

Die Aufgabe wird mit einem passiven Stellglied nach den Ansprüchen 1 und 2 gelöst.

Passive Stellglieder werden in dieser Schrift als solche verstanden, bei denen die Bewegungsfreiheit des zum Stellglied gehörenden Stellelementes innerhalb des Stellgliedes verändert werden kann ohne dass bei einem solchen Stellvorgang das Stellelement seine Lage ändert. Der veränderte Stellzustand wird erst dann gegenüber einem im technischen Gesamtsystem befindlichen Funktionselement wirksam, wenn sich dieses Funktionselement gegen dieses Stellelement bewegt und dabei - je nach Stellzustand - das Funktionselement etwa seine Bewegung ungehindert fortsetzen kann, indem sich das Stellelement bewegt, oder gestoppt wird, weil das Stellelement starr gestellt ist. Die Bewegung des Funktionselementes kann auch auf das Stellelement übertragen werden, welches wiederum die Bewegung auf andere bewegliche Elemente überträgt. Nachfolgend wird das Stellelement des Stellgliedes als Krafteinleitungselement oder Kraftübernahmeelement bezeichnet.

Nach den Patentansprüchen 1 und 2 besitzt das erfindungsgemäße passive Stellglied ein Gehäuse, welches einen abgedichteten, fluidgefüllten Reinraum umschließt. Unter einem Fluid wird ein fließfähiges Medium, etwa eine Flüssigkeit, eine Suspension, eine Emulsion oder ein flüssigkristallines Material verstanden. In Patentanspruch 1 kann das Fluid auch ein Gas, etwa Luft, darstellen oder es kann sich ein Vakuum im Reinraum befinden. Im Reinraum sind alle in ihm befindlichen Elemente gegen Verschmutzung geschützt. Dies bedeutet einen großen Vorteil, da für die innere Konstruktion des Stellgliedes keine separaten Sicherungsmaßnahmen gegen Verschmutzungen von außen berücksichtigt werden müssen. So ergeben sich hinsichtlich Materialeinsatz und Konstruktion optimale Möglichkeiten, was sich letztlich in einer besseren Raumausnutzung und größeren Energieeffizienz auswirkt, etwa wegen der Möglichkeit der Realisierung reibungsarmer, energieeffizienter, filigraner Strukturen mit funktionsangepassten Werkstoffen. Die Stellgliedfunktion wird über zwei Kraftelemente realisiert, einem Krafteinleitungselement und einem Kraftübernahmeelement, wobei beide Kraftelemente nach Patentanspruch 3 in einem vereinigt sein können. Unterschiedliche Stellzustände unterscheiden sich durch unterschiedliche Krafttransportmöglichkeiten zwischen Krafteinleitungselement und Kraftübernahmeelement. An Stellzuständen sind insbesondere zu unterscheiden der Freilaufzustand und der gekoppelte Zustand, bei dem eine Kraftübertragung vom Krafteinleitungs- zum Kraftaufnahmeelement erfolgt. Das Krafteinleitungselement muß stets beweglich angeordnet sein. Dagegen kann das Kraftaufnahmeelement auch das Stellglied selbst sein, wenn die Bewegung des Krafteinleitungselementes im Stellglied - in seinem Rahmen, Gestell, Gehäuse oder anderem Massivteil - blockiert wird und sich die gesamte Kraft auf das Stellglied selbst überträgt. In diesem Fall fungiert das Krafteinleitungselement funktional gleichzeitig als Kraftausleitungselement, da es etwa eine Sperrfunktion im technischen System selbst übernehmen kann, und Patentanspruch 3 ist anwendbar. In anderen Fällen überträgt das Krafteinleitungselement Kraft an ein speziell ausgebildetes Kraftübernahmeelement, das dann im technischen System lokal unabhängig vom Krafteinleitungselement wirken kann. Eine weitere Möglichkeit besteht entsprechend Patentanspruch 3 in der direkten Kopplung von Krafteinleitungs- und Kraftübernahmeelement, dessen gemeinsame Bewegung je nach Stellzustand blockiert oder freigegeben ist.

Die beweglichen Kraftelemente können als massives Stellelement - etwa in Form einer Welle, eines Kolbens oder eines anderen runden oder eckigen Hubelementes - oder als elastisches Element - etwa als Membran oder Balgen - ausgebildet sein. Sie sind an der Durchgangsstelle im Gehäuse so abgedichtet, dass die entsprechenden Reinraumbedingungen eingehalten werden können. Der Begriff Reinraum soll hier relativ verstanden werden und sich auf die für die jeweilige Konstruktion und den jeweiligen Anwendungsfall notwendige Dichtigkeit gegenüber der Umgebung beziehen. Eine Abdichtung kann daher von hermetisch dicht bis gas- oder flüssigkeitsdurchlässig ausgebildet sein, sollte aber zumindest eine Verschmutzung des Reinraumes durch feste Partikel, Staub, Tropfen oder oberflächlich kriechende Stoffe vermeiden. Dies kann erfolgen über Dichtungselemente, über enge und/oder genügend lange Spalte bei Führungsbuchsen, über unlösbare Fügeverbindungen zwischen elastischem Kraftelement und Gehäuse, etwa eine Schweiß-, Löt- oder Klebeverbindung, über die während der Fertigung des Gehäuses vorgenommene Herausbildung eines elastischen Kraftelementes durch einen Ur- oder Umformprozess oder über andere Abdichtvarianten.

Wesentlich ist, dass im Reinraum ein Stellmechanismus aus einem Reaktionselement im direkten Zusammenwirken mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld innerhalb des Reinraumes existiert und zur Einstellung der Stellzustände das Reaktionselement einen Bewegungszwanglauf herbeiführt, der den Kraftelementen eine spezifische Kopplung zuordnet. Das Reaktionselement kann nach Patentanspruch 1 ein mechanisches Element sein, etwa ein bewegliches Element mit Permanentmagnet oder ein durch elektrostatische Felder oder durch elektrische, magnetische oder elektromagnetische Wechselfelder bewegtes Element. In Patentanspruch 2 stellt das Reaktionselement eine feldsensitive Flüssigkeit, etwa eine elektro- oder magnetorheologische Flüssigkeit dar. Das Reaktionselement - oder die entsprechende feldsensitive Flüssigkeit - reagiert direkt auf ein elektrisches und/oder magnetisches Feld. Das elektrische und/oder magnetische Feld kann dabei sowohl im Reinraum erzeugt werden oder von außen, durch das Stellglied hindurch, in den Reinraum getragen werden. Die spezifische Kopplung wird dagegen abhängig vom feldabhängigen Lagezustand des Reaktionselementes bzw. des feldabhängigen Viskositätszustandes der feldsensitive Flüssigkeit durch ein vom Reaktionselement in eine entsprechende Position bewegtes Kraftleitelement bzw. durch die sich bei lokal unterschiedlicher Viskositätsänderung sich herausbildende Struktur eines Fließsystems herbeigeführt. In einem passiven Stellglied nach Patentanspruch 1 wird etwa durch die über das Reaktionselement initiierte Bewegung eines Schiebers oder eines Rotationskörpers ein Verbindung zwischen den Kraftelementen hergestellt, blockiert oder gelöst, oder dem Krafteinleitungselement wird ein Freilauf freigegeben. In einem System nach Anspruch 1, dass als hydraulisches System ausgebildet ist, muss das Kraftleitelement so ausgebildet sein, dass eine Ventilfunktion realisiert werden kann, um eine vom Krafteinleitungselement zum Kraftübernahmeelement bestehende hydraulische Verbindung - zumindest partiell - zu beeinflussen, etwa als Schieber, als Zylinder- oder Kugelventil.

In einem passiven Stellglied nach Patentanspruch 2 sind Reaktionselement und Kraftleitelement physisch identisch. Auch in einem System nach Patentanspruch 1 können nach Patentanspruch 4 Reaktionselement und Kraftleitelement fest miteinander verbunden, also physisch vereint sein, etwa wenn ein Permanentmagnet als Reaktionselement direkt innerhalb eines Schiebers oder eines Rotationselementes angeordnet ist, oder ein elektrostatisch bewegliches Element unmittelbar eine Schließ-/Öffnungsfunktion in oder an einem Ventil ausübt.

Ein großer Vorteil nach den Patentansprüchen 1 und 2 ist, dass eine Änderung der Stellzustände ohne eine Kraftübertragung - und damit ohne eine Energieübertragung - vom Stellmechanismus auf die Kraftelemente erfolgt. In einem Stellglied nach Patentanspruch 2 erwirkt eine Viskositätsänderung zur Veränderung des Stellzustandes ohnehin keinen Kraftfluss. In einem Stellglied nach Patentanspruch 1 entscheidet die Position des Kraftleitelementes darüber, ob sich das Krafteinleitungselement bei Kraftbeaufschlagung frei bewegen kann oder blockiert wird und zu welchem Kraftübernahmeelement eine Kopplung vorliegt. Ein Unterschied zwischen Patentanspruch 1 und 2 besteht darin, dass bei Patentanspruch 2 immer ein Umstellen der Stellzustände möglich ist - wenngleich dies nicht immer vorteilhaft ist - während bei Patentanspruch 1 ein Umstellen nur erfolgen kann, wenn das Kraftleitelement durch die Position der Kraftelemente - oder in hydraulischen Systemen durch dynamische oder statische Drücke im hydraulischen Medium - nicht in seiner Bewegungsfreiheit behindert ist. Der - intern im Stellglied befindliche - Stellmechanismus ist somit hinsichtlich eines relevanten Kraftflusses zur Herbeiführung eines Stellzustandes vollständig von den - ins externe technische System reichenden - Kraftelementen entkoppelt. Daher ist es möglich, den Stellmechanismus sehr energiearm zu realisieren. Vom Stellmechanismus erfolgt keine aktive Kraftübertragung auf die Kraftelemente - insbesondere nicht zur Einstellung eines Stellzustandes - so dass es bei Änderung des Stellzustandes zu keiner Lageänderung der Kraftelemente kommt. Damit stellt das erfindungsgemäße Stellglied ein passives Stellglied dar.

Das erfindungsgemäße Stellglied ermöglicht eine Vielzahl von Realisierungsvarianten und lässt nicht zuletzt hierüber Lösungen im Sinne der Aufgabenstellung erreichen.

So ist als feldsensitive Flüssigkeit nach Patentanspruch 5 auch eine flüssigkristalline Flüssigkeit einsetzbar. Eine feldabhängige Viskositätsänderung kann entweder direkt zur Lenkung des Kraftflusses über ein sich herausbildenden Fließprofil genutzt werden oder auch über ein Differenzverfahren, bei dem zwei Fließbereiche parallel gelegt werden.

Hierdurch können insbesondere Temperatureffekte - etwa der Einfluss auf die Viskosität - ausgeschaltet werden.

Neben den Kraftelementen nach Patentanspruch 1 und 2 können noch weitere Hilfskraftelemente mit Vorteil eingesetzt werden. So können etwa nach Patentanspruch 6 weitere Hilfskraftleitelemente angeordnet werden, die die Einstellung des Kraftflusses über das Kraftleitelement oder die Struktur des Fließsystems unterstützen. So kann in einem Stellglied nach Patentanspruch 2 ein mechanisches Hilfskraftleitelement so angeordnet sein, dass es sich im Strom des Fließsystems bewegt. Besondere Vorteile ergeben sich hier in Kombination mit Differenzverfahren, wo zwei konkurrierende Fließsysteme auf ein Krafthilfsleitelement wirken und das Krafthilfsleitelement etwa infolge auftretender dynamischer oder statischer Drücke eine Fiießstromlenkungs- oder Ventilfunktion besitzen kann.

Weitere Hilfskraftelemente können nach Patentanspruch 7 Hilfskraftstellelemente sein, mit denen die Einstellung des aktuellen Stellzustandes manuell fixiert oder aufgehoben werden kann. Hilfskraftstellelemente erlauben nicht die Einstellung eines Sollzustandes. Sie sind geeignet etwa im Zusammenhang mit Notaus-Systemen oder zur Feststellung eines bestehenden Stellzustandes.

Aufgrund seiner Vorzüge für energiesparende Lösungen ist ein Stellglied nach Patentanspruch 1 oder 2 besonders dort mit Vorteil einsetzbar, wo insgesamt wenig Energie bereitsteht. Dies ist etwa in batterie-, solar- oder manuell betriebenen Systemen gegeben. Besondere Vorteile ergeben sich im Zusammenwirken des Stellgliedes mit manuell erzeugter Kraft und Energie nach den Patentansprüchen 8 und 9, da das Stellglied große Kräfte aufnehmen kann und so eine uneingeschränkte Funktionalität auch in energieversorgungsarmen oder energieautarken - etwa mit solarer mit oder manuelldynamoelektrischer Energiebereitstellung - Systemen gewährleistet werden kann.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass in passiven Stellgliedern entsprechend Patentanspruch 1, aber auch in einigen nach Patentanspruch 2, besonders einfach Sensorelemente zur Registrierung der Position der einzelnen Teile innerhalb der Stellglieder angeordnet werden können. Damit sind die Stellzustände kontrollierbar, wodurch die Stellglieder in Bereichen hoher Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen eingesetzt werden können.

Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich für kleine Baugrößen, insbesondere auch für mikrotechnische Größenordnungen entsprechend Patentanspruch 10. Da sich der Stellmechanismus in einem Reinraum befindet und der Stellvorgang vom externen technischen System entkoppelt ist, können auf einfache Weise passive Stellglieder realisiert werden, die in ihrer Baugröße sehr klein sind, die dabei vergleichsweise große Kräfte aufnehmen bzw. stellen können und die wenig Energie verbrauchen.

Des weiteren erfordern die erfindungsgemäßen Stellglieder keine komplizierten Konstruktionen, was geringe Fertigungskosten zur Folge hat und sie stellen eigenständige, einbaufreundliche Module dar, wodurch der Montage- oder Installationsaufwand gering gehalten werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
In den Zeichnungen ist dargestellt:
Fig. 1 passives Stellglied mit Elektromagnet im Reinraum und linear beweglichem Krafteinleitungselement
Fig. 2 passives Stellglied mit Elektromagnet im Reinraum und rotatorisch beweglichem Kraftelement
Fig. 3 gesonderte Darstellung des Krafteinleitungselementes und des Kraftleitelementes von Fig. 2
Fig. 4 passives Stellglied mit hydraulischem Kraftfluss und mit externem Elektromagneten
Fig. 5 Stellkammerbereich eines Stellgliedes mit elektrostatischem Reaktionselement (schematisch)
Fig. 6 passives Stellglied mit elektrorheologischer Flüssigkeit (schematisch)
Fig. 7 passives Stellglied mit kristalliner Flüssigkeit und Differenzdruckprinzip im Fließsystem
In Fig. 1 ist ein passives Stellglied nach Patentanspruch 1 dargestellt, bei dem ein kastenförmiges Gehäuse 1 einen Reinraum 2 umschließt. Das Gehäuse 1 wird aus dem dargestellten rechteckigen Kasten mit geschlossenem Boden sowie einem, hier nicht dargestellten Deckel gebildet. Er besteht aus einem weichmagnetischen Stahl mit einer hohen magnetischen Sättigungsinduktion, um effektiv äußere magnetische Störfelder abzuschirmen. In den Reinraum 2 führt ein als Stift ausgebildetes Kraftelement 3, das Krafteinleitungselement 4, das mit einer Feder 5 in der dargestellten Grundposition gehalten wird. Das Krafteinleitungselement 4 gelangt durch ein Loch im Gehäuse 1 und einer Führungsbuchse 6 in den Reinraum 2. Der geringe Spalt zwischen dem Loch der Führungsbuchse 6 und dem Krafteinleitungselement 4 sowie die Länge des Spaltes sorgen für eine gute Abdichtung des Reinraums 2 gegen Verschmutzung, insbesondere gegen Staub. Im Reinraum 2 befindet sich ein Elektromagnet 7, bestehend aus einem Eisenkern mit Polschuhen 8 und Spule 9, deren Drahtenden 10 durch ein kleines Loch im Gehäuse 1 nach außen geführt werden. Die Abdichtung erfolgt mit Klebstoff. Weiterhin befindet sich im Reinraum 2 ein Reaktionselement 11, das aus einem Verbund aus einer 0,1 mm starken Messingunterlage 12, einer 0,2 mm starken Eisenauflage 13 sowie einem 0,5 mm starken Dauermagneten 14 aus einem Samarium-Cobalt-Hochleistungsmagneten besteht. Die Grundabmessungen des Reaktionselementes 11 betragen 1,5 × 6 mm; an der Messingunterlage 12 befindet sich noch eine 1 mm lange und 0,5 mm breite Verlängerung 15, die in den Schlitz eines als Schieber ausgebildeten Kraftleitelement 16 eingreift. Der Dauermagnet 14 ist senkrecht zu seiner Schmalseite magnetisiert. Das Reaktionselement 11 ist an einer Welle 17 befestigt, die - nicht dargestellt - in Bronzelagerbuchsen geführt wird, welche sich am Boden und am Deckel des Gehäuses 1 befinden. Wird der Elektromagnet 7 mit Gleichstrom bestromt, entsteht ein magnetisches Feld, welches - abhängig von der Stromrichtung - auf das Reaktionselement 11 wirkt und dieses wie eine Wippe rotatorisch um den Drehpunkt der Welle 17 bewegt. Aufgrund der in das Kraftleitelement 16 eingreifenden Verlängerung 15 kann dabei das Kraftleitelement 16 vor das Krafteinleitungselement 4 gesetzt werden. Diese Position ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt und würde bedeuten, dass sich - nicht dargestellt - das Reaktionselement 11 an dem entsprechend anderen Polschuh 7 befindet. Das Kraftleitelement 16 selbst wird durch ein Widerlager 18 mit Loch 19 gestützt und zwischen Führungsbuchse 6, Elektromagnet 7 und Widerlager 18 in einem Führungsschlitz 20 geführt. Oben und unten wird das Kraftleitelement 16 durch Boden und Deckel des Gehäuses 1 gestützt und geführt. Befindet sich das Kraftleitelemente 16 nicht vor dem Loch 19, kann sich das Krafteinleitungselement 4 bei Beaufschlagung mit einer äußere Kraft ungehindert durch den Führungsschlitz 20 des Kraftleitelementes 16 hindurch in das Loch 19 hineinbewegen. Das passive Stellglied ist damit auf Freilauf bzw. weich eingestellt. Befindet sich dagegen das Kraftleitelement 16 vor dem Loch 19, so wird eine eventuelle Bewegung des Krafteinleitungselementes 4 am Kraftleitelement 16 gestoppt und der Kraftfluss überträgt sich sofort über Kraftleitelement 16 und Widerlager 18 auf das Gehäuse 1 bzw. wirkt zurück auf das Krafteinleitungselement 4. Das passive Stellglied ist somit auf Blockierung bzw. hart eingestellt, die Kraft wird faktisch reflektiert. In diesem Stellzustand ist das Stellglied selbst bzw. dessen Gehäuse 1 als Kraftübernahmeelement 21 oder das Krafteinleitungselement 4 ist entsprechend Patentanspruch 3 als vereinigtes Kraftelement 3 von Kraftübernahmeelement 21 und Krafteinleitungselement 4 zu verstehen. Zum ungehinderten Einstellen eines jeweiligen Stellzustandes darf der Führungsschlitz 20 nicht blockiert sein, dass heißt, das Krafteinleitungselement 4 muss sich in der in Fig. 1 gezeigte Grundposition befinden. Unabhängig davon kann weder das Krafteinleitungselement 4 den jeweiligen Stellzustand beeinflussen noch führt eine Bewegung des Kraftleitelementes 16 noch die eines anderen Teiles im Reinraum 2 zu einer Kraftübertragung auf das Krafteinleitungselement 4, so dass die Darstellung in Fig. 1 als reines passives Stellglied wirkt.
Das Reaktionselement 11 wird mit hohen Haftkräften an dem jeweils zugewandten Polschuh 7 festgehalten. Ein Umschwenken in die entsprechend andere Position kann wegen der rotatorischen Lagerung des Reaktionselementes 11 nur durch eine Rotationsbeschleunigungen erfolgen, da die entsprechende Masse des Kraftleitelementes 16 durch eine Ausgleichsmasse 22 ausgeglichen wird. Die hohen Haftkräfte einerseits und die geringen Massen des Reaktionselementes 11 sowie des Kraftleitelementes 16 würden hier extrem hohe Rotationsbeschleunigungen erfordern, die insbesondere im eingebauten Zustand praktisch nicht erreicht werden können. Alle magnetisch aktiven Teile, wie die Eisenteile der Spule und das Reaktionselement 11, befinden sich in einem Sicherheitsabstand von mindestens 0,5 mm vom Gehäuse 1 entfernt. Das passive Stellglied hat einen geringen Energieverbrauch von unter 10 mWs pro Stellvorgang, besitzt einen geringen Verschleiß und eine hohe Betriebssicherheit.
Wegen der guten Abschirmung, wegen der hohen Manipulationssicherheit, wegen seiner Zuverlässigkeit und wegen seiner Robustheit stellt das passive Stellglied ein sehr sicheres technisches Bauteil dar, was auch im Sicherheitsbereich - etwa im Bereich von Schlössern oder schließtechnischer Anlagen - oder in Bereichen hoher Zuverlässigkeitsanforderungen - etwa im Automobilbereich - mit Vorteil eingesetzt werden kann.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Darstellung eines Stellgliedes mit analogem Aufbau wie das in Fig. 1, außer, dass das Krafteinleitungselement 4 als Welle gestaltet und rotatorisch bewegt wird. Das Krafteinleitungselement 4 besitzt eine Abflachung 23. Eine entsprechend ausgelegte, rotatorisch wirkende Feder 5 drückt das Krafteinleitungselement 4 gegen den Anschlag 24 in eine Grundstellung, bei der die Abflachung 23 parallel zu Deckel und Boden des Gehäuses 1 angeordnet ist. Der Anschlag 24 ist an einem Lagerelement 25 angebracht und erlaubt eine 150° Drehung des Krafteinleitungselementes 4. Das Kraftleitelement 16 ist hier stärker ausgebildet als in Fig. 1 und besitzt eine gabelförmige Gestalt. Ist das Kraftleitelement 16 in der dargestellten Freilaufposition, kann das Krafteinleitungselement 4 ungehindert um 150° rotieren; es ist weich gestellt. Befindet sich das Reaktionselement 11 dagegen an dem entsprechenden anderen Polschuh 8, wird der gabelförmige Teil des Kraftleitelementes 16 über die Abflachung 23 des Krafteinleitungselementes 4 geschoben. Dadurch wird zuverlässig eine mögliche Drehbewegung des Krafteinleitungselementes 4 verhindert, zumal das Kraftleitelement 16 oben und unten durch Boden und Deckel des Gehäuses 1 abgestützt wird; das passive Stellglied ist hart gestellt. Wie in Fig. 1 ist jedoch auch hier im blockierten Stellzustand stets eine kurze Bewegung des Krafteinleitungselementes 4 möglich und notwendig, da in der Grundstellung ein bestimmter Abstand zum Kraftleitelement 16 bzw. zu dessen Bewegungsraum gewährt werden muss, um einen ungehinderten Stellvorgang im Führungsschlitz 20 zu ermöglichen.
Das Krafteinleitungselement 4 ist über die Abflachung 23 hinaus - als Welle - verlängert und tritt auf der gegenüberliegenden Seite zur Eintrittsöffnung aus dem Gehäuse 1 wieder aus. Der verlängerte Teil stellt damit entsprechend Patentanspruch 3 ein Kraftübernahmeelement 21 dar, welches im Freilauf-Stellzustand - etwa über ein Ritzel 27 - an einem anderen Ort wirken kann als der Ort, an dem das Krafteinleitungselement 4 mit Kraft beaufschlagt wird. Eine erhöhte Verschmutzungsgefahr für den Reinraum 2 besteht nicht, da sich bei einer rotierenden Welle die entsprechenden Durchtrittsorte gut abdichten lassen. Eine analoge Anbindung des Kraftübernahmeelementes 21 wäre zwar auch in dem Stellglied der Fig. 1 möglich, jedoch wäre dort die Abdichtung nicht so einfach zu bewerkstelligen.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt des Krafteinleitungselementes 4 in Höhe der Abflachung 23 und eine Seitenansicht des Kraftleitelementes von Fig. 2 in der selben Schnittebene.
Fig. 4 zeigt ein hydraulisches, passives Stellglied nach Patentanspruch 1 in einem Schnitt in der Aufsicht. In einem Gehäuse 1 aus einer unmagnetischen Legierung sind um eine zentrale runde Stellkammer 28 drei weitere runde, flache Druckkammern 29 angeordnet, die von der zentralen Stellkammer 28 aus sternförmig durch Fliesswege 30 miteinander verbunden sind. In der zentralen Stellkammer 28 befindet sich - auf einem Saphirlager sehr reibungsarm gelagert - ein radial magnetisierter Dauermagnet 31, der eine gewinkelte Durchführung 32 aufweist. Die Löcher der Durchführung 32 treten in einem Winkel von 120° am Umfang aus dem Dauermagneten 31 aus. Der Dauermagnet 31 ist vollständig vernickelt. Er stellt gleichzeitig Reaktionselement 11 und Kraftleitelement 16 des Stellmechanismus dar. Zwischen Dauermagnet 31 und Kammerwand befindet sich nur ein sehr enger Spalt. Die Druckkammern 29 schließen auf einer Stirnseite mit je einer Membran ab (nicht dargestellt), die während der Herstellung des Gehäuses 1 durch ein Prägeverfahren in dieses integriert wurden. Ansonsten sind alle Kammerwände und das Gehäuse 1 selbst starr, das Gehäuse 1 sehr robust. Das Gehäuse 1 ist in Höhe der Stellkammer 28 eingeschnürt, so dass beide Polschuhe 7 eines außerhalb des Stellgliedes angeordneten Elektromagneten zu beiden Seiten und in unmittelbarer Nähe des Dauermagneten 31 stehen.
Die Kammern 28 und 29 und die Fliesswege 30 sind vollständig ohne Lufteinschlüsse mit Propanol als Fluid gefüllt. Auf einer Seite der Einschnürung befindet sich eine Druckkammer 29, deren Membran das Krafteinleitungselement 4 des Wandlers darstellt. Je nach Stellung des Dauermagneten 31 ist immer eine der beiden Membranen auf der entsprechend anderen Seite des passiven Stellgliedes - auf der Kraftübernahmeseite - ein Kraftübernahmeelemente 21, während die jeweils andere als Abdeckung eines Ausgleichsgefäßes fungiert. Wird nämlich das Krafteinleitungselement 4 (in Fig. 4 zur linken, alleinstehenden Druckkammer 29 gehörig) mit einer Kraft belastet, wird das in dieser Druckkammer 29 befindliche Fluid über die Durchführung 32 in die entsprechende Druckkammer 29 mit der Membran als Kraftübernahmeelement 21 gedrückt. Dabei hebt sich die Membran und dieses Kraftübernahmeelement 21 kann eine externe Stellfunktion ausüben. Neben dem dargestellten Hauptfließstrom des Fluides existiert ein Leckfließverhalten über die engen Spalte in die jeweils andere, als Ausgleichsgefäß wirkende Druckkammer 29. Bei ständig gedrücktem Krafteinleitungselement 4 kommt es ohnehin zu einem Druckausgleich, so dass sich auf der Kraftübernahmeseite eine gleiche Verformung der Membranen einstellt. Für Stellaufgaben müssen daher die externen Stellwege so ausgelegt sein, dass nur eine bei dynamischer Belastung des Krafteinleitungselementes 4 hervorgerufene - maximale - Verformung des Kraftübernahmeelementes 21 - etwa bei einem kurzen Druck mit einem Daumen auf die Membran - einen externen Stellvorgang auslösen kann. Das Stellglied ist hermetisch völlig dicht. Es besteht - abgesehen vom Elektromagneten - nur aus drei Teilen: dem zweiteiligen Gehäuse 1 und dem Dauermagneten 31 und ist somit einerseits sehr robust und andererseits sehr preiswert herstellbar.
Im Gegensatz zu den vorangegangenen Fig. 1-3 wird im Stellglied der Fig. 4 das im Reinraum 2 auf das Reaktionselement 11 wirkende Feld - in dem Fall ein magnetisches - außerhalb des Gehäuses 1 erzeugt.
In Fig. 5 ist schematisch der Stellkammerbereich eines Stellgliedes analog zu dem in Fig. 4 dargestellt, jedoch mit elektrostatischem Reaktionselement 11. Die Stellkammer 28 besitzt einen sehr flachen Aufbau. Sie befindet sich in Höhe der Trennebene zwischen der oberen und unteren Hälfte des Gehäuses 1, die miteinander verklebt und voneinander elektrisch isoliert sind. Dazwischen und gegen beide Hälften des Gehäuses 1 isoliert, ist das elektrostatische Reaktionselement 11 eingeklebt. Es besteht aus einer sehr dünnen, oberflächenisolierten Wolframfolie. Die Fließwege 30 zu den Druckkammern 29 auf der Kraftübernahmeseite stoßen stirnseitig und der Fließweg 30 zur Krafteinleitungsseite seitlich - in der Darstellung oben und unten - in die Stellkammer 28. Wird zwischen dem Reaktionselement 11 und einer Hälfte des Gehäuses 1 eine genügend hohe Gleichspannung angelegt und darüber ein elektrisches Feld erzeugt, bewegt sich das Reaktionselement 11 zu der entsprechenden Seite, legt sich auf die Öffnung des dort befindlichen Fließweges 30 und verschließt diesen. Auf diese Weise kann der Kraftfluss vom Krafteinleitungselement 4 zu einem Kraftübernahmeelement 21 eingestellt werden. Wie in Fig. 4 eignet sich das Stellglied der Fig. 5 eher für eine dynamische Kraftbeaufschlagung.
Fig. 6 zeigt schematisch ein passives Stellglied nach Patentanspruch 2. In den Fließwegen 30 zwischen den Druckkammern 29 auf der Kraftaufnahmeseite und den Druckkammern 29 auf der Kraftübernahmeseite befinden sich feine Elektroden 33 in Form dünner Stifte, die voneinander und gegen das Gehäuse 1 isoliert sind. Als feldsensitives Fluid wird eine elektrorheologische Flüssigkeit verwendet. Beim Anlegen einer hohen Spannung zwischen den Elektroden 33 und dem Gehäuse 1 verfestigt sich die Flüssigkeit. Hierdurch können ganz gezielt verschiedene Kraftübernahmeelemente 21 bedient werden. Die Fließwege 30 stellen damit gleichzeitig Stellkammern 28 dar.
In Fig. 7 ist der Stellkammerbereich für ein weiteres passives Stellglied nach Patentanspruch 2 gezeigt. Als feldsensitives Fluid wird nach Patentanspruch 5 eine kristalline Flüssigkeit verwendet. Die Fließwege 30 zu den Druckkammern 29 auf der Kraftübernahmeseite stoßen wie in Fig. 5 stirnseitig und die der Krafteinleitungsseite seitlich in die Stellkammer 28. Vor den Öffnungen der Fließwege 30 befindet sich eine Metallplatte 34. Beim Anlegen einer Spannung zwischen einer Hälfte des Gehäuses 1 und der davon elektrisch isolierten Metallplatte 34 verändert die kristalline Flüssigkeit ihre Viskosität, wodurch im Falle eines Flüssigkeitsstromes vor der Öffnung, die dieser Seite zugewandt ist, ein dynamischer Druckaufbau entsteht. Ein von der Krafteinleitungsseite kommender Flüssigkeitsstrom und damit der Kraftfluss wird daher wegen des Differenzdruckes vorwiegend in Richtung der jeweils anderen Öffnung geleitet. Zur Verstärkung des Druckaufbaus ist es von Vorteil, wenn die Metallplatte 34 in Richtung der Öffnungen zu den Fließwegen 30 durch eine Feder auf eine Mittellage orientiert und beweglich in Richtung der Fließwege 30 angeordnet wird. Die Metallplatte 34 stellt dann ein Hilfskraftelement entsprechend Patentanspruch 6 dar. Im Falle einer asymmetrischen Viskositätsänderung kann sie eine Verstärkung des Flüssigkeitsstromes bzw. des Kraftflusses zu einem bevorzugten Fließweg 30 und hin zu einem entsprechenden Kraftübernahmeelement 21 herbeiführen.
Stellglieder der im Ausführungsbeispiel dargestellten Art sind manuell leicht bedienbar und könnten etwa in elektronischen Schlössern eingesetzt werden, wobei die Erzeugung des entsprechenden elektrischen oder magnetischen Feldes mit der Berechtigung zur Bedienung verbunden ist und der Stellvorgang dann manuell initiiert werden kann. Des weiteren sind die gezeigten Stellglieder stark miniaturisierbar, weswegen sie entsprechend Patentanspruch 10 in einer mikrotechnischen Größenordnung gefertigt werden können. Bezugszeichenliste 1 Gehäuse
2 Reinraum
3 Kraftelement
4 Krafteinleitungselement
5 Feder
6 Führungsbuchse
7 Elektromagnet
8 Polschuh
9 Spule
10 Drahtenden
11 Reaktionselement
12 Messingunterlage
13 Eisenauflage
14 Dauermagnet
15 Verlängerung
16 Kraftleitelement
17 Welle
18 Widerlager
19 Loch
20 Führungsschlitz
21 Kraftübernahmeelement
22 Ausgleichsmasse
23 Abflachung
24 Anschlag
25 Lagerelement
26 Dichtungsring
27 Ritzel
28 Stellkammer
29 Druckkammer
30 Fließwege
31 Dauermagnet
32 Durchführung
33 Elektrode
34 Metallplatte

Claims

1. Passives Stellglied, das ein Gehäuse (1) aufweist, welches einen abgedichteten, fluidgefüllten oder Vakuum enthaltenden Reinraum (2) umschließt, und bei dem
ein kolbenartiges oder elastisches Krafteinleitungselement (4) an bzw. in den Reinraum (2) führt,
mindestens ein Kraftübernahmeelement (21) im Reinraum (2) angeordnet ist und/oder aus diesem herausführt,
im Reinraum (2) ein Stellmechanismus aus einem mechanischen Reaktionselement (11) im direkten Zusammenwirken mit einem elektrischen und/oder magnetischem Feld innerhalb des Reinraumes (2) existiert,
ein Stellzustand des Kraftflusses vom Krafteinleitungselement (4) auf ein Kraftübernahmeelement (21) durch die Position eines vom Reaktionselement (11) bewegten Kraftleitelementes (16) bestimmt ist und
eine Änderung der Stellzustände ohne eine Kraftübertragung vom Stellmechanismus auf das Krafteinleitungselement (4) oder ein Kraftübernahmeelement (21) erfolgt.

2. Passives Stellelement, das ein Gehäuse (1) aufweist, welches einen abgedichteten, fluidgefüllten Reinraum (2) umschließt, und bei dem
ein kolbenartiges oder elastisches Krafteinleitungselement an bzw. in den Reinraum (2) führt,
mindestens ein Kraftübernahmeelement im Reinraum (2) angeordnet ist und/oder aus diesem herausführt,
im Reinraum ein Stellmechanismus aus einem feldsensitiven Fluid, dessen Viskosität durch ein elektrisches und/oder magnetisches Feld beeinflusst wird, im direkten Zusammenwirken mit einem elektrischen und/oder magnetischem Feld innerhalb des Reinraumes (2) existiert,
ein Stellzustand des Kraftflusses vom Krafteinleitungselement (4) auf ein Kraftübernahmeelement (21) durch die Struktur des Fließsystems des feldsensitiven Fluides infolge lokaler Viskositätsänderung bestimmt ist und
eine Änderung der Stellzustände ohne eine Kraftübertragung vom Stellmechanismus auf das Krafteinleitungselement (4) oder ein Kraftübernahmeelement (21) erfolgt.

3. Passives Stellglied nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Krafteinleitungselement (4) und Kraftübernahmeelement (21) in einem Kraftelement (3) vereinigt sind.

4. Passives Stellglied nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktionselement (11) und Kraftleitelement (16) fest miteinander in einem gemeinsamen Element vereint sind.

5. Passives Stellglied nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die feldsensitive Flüssigkeit eine kristalline Flüssigkeit ist.

6. Passives Stellglied nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfskraftleitelemente (34) angeordnet sind, die die Einstellung des Kraftflusses über das Kraftleitelement (16) oder die Struktur des Fließsystems unterstützt.

7. Passives Stellglied nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfskraftelement angeordnet ist, welches die Einstellung des aktuellen Stellzustandes fixiert oder aufhebt.

8. Passives Stellglied nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement (4) mit Kraft beaufschlagt wird, die manuellen Ursprungs ist.

9. Passives Stellglied nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Reinraum (2) wirkende elektrische oder/und magnetische Feld auf manuelle Weise erzeugt und/oder geändert wird.

10. Passives Stellglied nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugröße eine mikrotechnische Größenordnung besitzt.