DE19717691A1

DE19717691A1 - Aktuator auf Basis einer elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Flüssigkeit

Info

Publication number: DE19717691A1
Application number: DE1997117691
Authority: DE
Inventors: Andreas Pohl; Horst Dr Rosenfeldt; Eckhardt Dr Wendt
Original assignee: Carl Schenck AG; Bayer AG
Current assignee: Fludicon GmbH
Priority date: 1997-04-26
Filing date: 1997-04-26
Publication date: 1998-10-29

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator auf Basis einer elektro rheologischen und/oder magnetorheologischen Flüssigkeit.

Hydraulische Aktuatoren können als Längszylinder oder Drehzy linder vielseitig eingesetzt werden. Dabei können Kräfte/Momen te und Geschwindigkeiten/Winkelgeschwindigkeiten über den ge samten Hub/Winkel konstant gehalten oder beliebig variiert werden.

Der Einsatz von elektroviskosen Flüssigkeiten zur Steuerung und Regelung ist bekannt (DE-OS 36 09 861). Elektrorheologische Flüssigkeiten bzw. magnetorheologische Flüssigkeiten sind Flüs sigkeiten, bei denen die rheologischen Eigenschaften stufenlos über das elektrische bzw. magnetische Feld steuerbar sind. In der Regel handelt es sich bei diesen Flüssigkeiten um Suspen sionen, d. h. in einem Trägermedium suspendierte Festpartikel, die über das elektrische bzw. magnetische Feld polarisierbar sind. Durch die Verwendung elektroviskoser Flüssigkeiten bzw. magnetorheologischer Flüssigkeiten ist es möglich geworden, hydraulische Systeme ohne bewegte Teile aus zuführen bzw. die Anzahl der bewegten Teile erheblich zu verringern. Bekannt ist der Einsatz bei Hydraulikventilen, Hydraulikzylindern, Vibrato ren, Viskositätskupplungen, Stoßdämpfern oder Motorlagern (Übersichtsartikel Applications of the electrorheological Effect in Engineering practice, Fluid Mechanics-Soviet Re search, Vol. 8, No. 4, July-August 1979).

Aus der Druckschrift A practical high speed ER Actuator, D. A. Brooks, Advanced Fluid Systems Limited, London, UK, Seite 110 bis 114, ist auf Seite 111 zur Fig. 3 eine Ansteuerung eines Gleichlaufzylinders beschrieben. Aus der vorgenannten Beschrei bung geht hervor, daß der abgebildete Zylinder über eine Vier ventil-Vollbrückenschaltung als Gleichlaufzylinder betrieben werden kann.

Die Druckölversorgung ist hierbei nur schematisch dargestellt. Die vier Ventile sind als elektrorheologische Ventile ausgebil det; der Aufbau eines solchen Ventils ist ebenfalls schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die Elektroden des Ventils sind als konzentrische Zylinder angeordnet, wobei auch eine Anordnung paralleler Platte möglich ist. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Kondensatorplatten läßt sich das Viskositätsver halten der elektrorheologischen Flüssigkeit in einem weiten Bereich nahezu verzögerungsfrei steuern.

Bei dieser bekannten Ausgestaltung können die vier elektrorheo logischen Flüssigkeits-Regelventile für den Zylinder nicht gleichzeitig als Druckbegrenzungsventile eingesetzt werden, so daß vorher eine Umwandlung von einem höheren Druck in einen niedrigen Druck erfolgen muß. Hierbei entstehen erhebliche Drosselverluste und ein großer Anteil der hydraulischen Energie wird vernichtet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mit elektro rheologisch/magnetorheologischen Flüssigkeiten arbeitenden Ak tuator auszubilden, der einfach aufgebaut ist und energiespa rend arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 angegebe nen Merkmale gelöst.

Da die Druckseite der Hydraulikpumpe direkt mit dem Einlaß der Arbeitskammer und der Auslaß des an der Auslaßbohrung direkt angeordnete elektrorheologischen Flüssigkeits-Ventils/magneto rheologischen Flüssigkeits-Ventils mit der Saugseite der Hy draulikpumpe in Verbindung steht, bestimmt der an dem Ventil anliegende Druck den Pumpendruck, d. h. die Pumpe arbeitet direkt mit dem benötigten Arbeitsdruck, womit eine energiespa rende Anordnung erreicht wird. Das elektrorheologische/magne torheologische Flüssigkeitsventil wirkt somit als Regel/Steuer ventil und als Druckbegrenzungsventil für die Hydraulikpumpe. Somit wird eine Ventil-Viertelbrückenschaltung zur Ansteuerung eines Zylinders ermöglicht.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist eine Gleichlauf-Zylinderanordnung vorgesehen, die in ihrer ersten und zweiten Arbeitskammer als Arbeitsfluid elektro- bzw. magne torheologische Flüssigkeit enthält. Dieser Zylinder wird über eine Ventil-Halbbrückenschaltung als Gleichlaufzylinder betrie ben, wobei die jeweils am Auslaß angeordneten Ventile als Re gel-/Steuerventile und als Druckbegrenzungsventile für die jeweils am Einlaß der Arbeitskammern angeordneten Hydraulikpum pen wirken. Hierdurch wird eine energiesparend arbeitende Gleichlaufzylinder-Anordnung ermöglicht, die nur mit dem benö tigten Arbeitsdruck betrieben werden muß.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Zylinderanordnung zur Erzeugung eines Längs hubes in Schnittdarstellung;

Fig. 2a eine Ausgestaltung einer Differential-Zylinderan ordnung zur Erzeugung eines Längshubes;

Fig. 2b eine Ausgestaltung einer Gleichlauf-Zylinderanord nung zur Erzeugung eines Längshubes;

Fig. 3a eine Ausgestaltung der Zylinderanordnung als Dreh zylinder in Schnittdarstellung längs der Linie III-III in Fig. 3b;

Fig. 3b eine Schnittdarstellung durch das Drehzylinderge häuse sowie die Ein- und Auslaßbohrungen der Ar beitskammern samt Ventil und Pumpenanordnung.

Die in Fig. 1 dargestellte Zylinderanordnung 1 dient zur Erzeu gung eines Längshubes und weist einen in einem als Hohlzylinder ausgebildetes Zylindergehäuse 2 verschiebbar gelagerten Kolben 3 auf. Der Kolben 3 teilt das nach außen abgedichtete Zylin dergehäuse 2 in zwei ein Arbeitsfluid enthaltende volumenver änderliche Arbeitskammern 4, 4' auf. Als Arbeitsfluid wird eine elektrorheologische Flüssigkeit oder magnetorheologische Flüs sigkeit verwendet.

Der Kolben 3 ist beidseitig mit einer zylindrischen, den glei chen Querschnitt aufweisenden Kolbenstange 5, 5' verbunden, die jeweils abgedichtet aus dem Zylindergehäuse 2 nach außen ge führt ist. In das Zylindergehäuse 2 sind für jede Arbeitskammer 4, 4' jeweils eine Einlaß- 6, 6' und Auslaßbohrung 7, 7' für das Arbeitsfluid eingebracht.

Eine erste und eine zweite Hydraulikpumpe 8, 8' sind auf einer gemeinsamen Antriebswelle eines Elektromotors angeordnet und werden von diesem angetrieben. Die Druckseite der ersten Hy draulikpumpe 8 fördert das Arbeitsfluid direkt über die Ein laßbohrung 6 in die erste Arbeitskammer 4. Die Auslaßbohrung 7 der ersten Arbeitskammer 4 steht direkt mit einem ersten elek trorheologischen Flüssigkeitsventil 9 in Verbindung. Der Auslaß des ersten rheologischen Flüssigkeitsventils 9 ist mit der Saugseite der ersten Hydraulikpumpe 8 verbunden, so daß ein erster Hydraulikkreislauf gebildet wird.

Die Druckseite der zweiten Hydraulikpumpe 8' fördert das Ar beitsfluid direkt über die Einlaßbohrung 6' in die zweite Ar beitskammer 4'. Die Auslaßbohrung 7' der zweiten Arbeitskammer 4' steht direkt mit einem zweiten elektrorheologischen Flüssig keitsventil 9' in Verbindung. Der Auslaß des zweiten elektro rheologischen Flüssigkeitsventils 9' ist mit der Saugseite der zweiten Hydraulikpumpe 8' verbunden, so daß ein zweiter Hydrau likkreislauf gebildet wird. Zwischen Auslaß der elektrorheolo gischen Flüssigkeitsventile 9, 9' und Saugseite der Hydraulik pumpen 8, 8' ist vorzugsweise jeweils ein elastisches Verbin dungsstück oder wie in der Fig. 1 angedeutet jeweils ein Spei cher 10, 10' angeordnet, der die Volumendifferenz der Zylin derkammern und die Ausdehnung des Arbeitsfluides bei veränder ten Temperaturen ausgleichen kann.

Die elektrorheologischen/magnetorheologischen Flüssigkeitsven tile 9, 9' könnten auch jeweils an den Durchführungen der Kol benstangen 5, 5' aus dem Zylindergehäuse 2 angeordnet sein, oder an den Durchführungen der Kolbenstangen im Zylindergehäuse 2 integriert sein.

Die elektrorheologischen Flüssigkeitsventile 9, 9' sind nur schematisch angedeutet und sind beispielsweise aus koaxialen Zylinderelektroden oder aus Anordnungen paralleler Platten auf gebaut, zwischen denen das Arbeitsfluid hindurchströmt. Durch eine an die Elektroden gelegte elektrische Spannung sind der Fließwiderstand der elektrorheologischen Flüssigkeiten und damit der Druckabfall über das Ventil kontinuierlich steuerbar. Bei ausreichend hoher Spannungsbeaufschlagung ist der Strö mungswiderstand so hoch, daß kein Volumenstrom mehr fließt und das Ventil schließt. Aus der PCT/T 93/00109 ist der Aufbau eines elektrorheologischen Flüssigkeitsventils für den Einsatz in Vibrationen dämpfende Anordnungen beschrieben.

Bei dem Einsatz von magnetorheologischen Flüssigkeiten als Arbeitsfluid werden als Ventile 9, 9' magnetorheologische Flüs sigkeitsventile eingesetzt. Hierbei ist der Fließwiderstand über eine magnetisches Feld gesteuert.

Der bedingt durch den Fließwiderstand der elektrorheologischen Flüssigkeit bzw. magnetorheologischen Flüssigkeit sich einstel lende Druck in dem ersten bzw. zweiten Hydraulikkreislauf ist gleichzeitig der Arbeitsdruck der Hydraulikpumpe 8 bzw. 8'.

Fig. 2a zeigt eine weitere Ausbildung einer Zylinderanordnung 1', die zur Erzeugung eines Längshubes dient. Die in Fig. 2a schematisch dargestellte Zylinderanordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Zylinderanordnung dadurch, daß hier der Zylinder mit einem Differentialkolben versehen ist und nur mit einer Hydraulikpumpe 8 und einem elektrorheologischen Flüssigkeitsventil 9 verbunden ist. Die mit der Hydraulikpumpe 8 und dem Flüssigkeitsventil 9 in Verbindung stehende erste Arbeitskammer 4 ist mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit gefüllt. In der zweiten Arbeitskammer 4' ist ein Gas enthalten, die Arbeitskammer 4' wird über ein Entlüftungsventil 11 entlüf tet.

Fig. 2b zeigt eine Ausbildung einer Zylinderanordnung 1'', die zur Erzeugung eines Längshubes dient. Die in Fig. 2b schema tisch dargestellte Zylinderanordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Zylinderanordnung dadurch, daß hier der Zylinder mit einer Hydraulikpumpe 8 und einem elektrorheologi schen Flüssigkeitsventil 9 verbunden ist. Die mit der Hydrau likpumpe 8 und dem Flüssigkeitsventil 9 in Verbindung stehende erste Arbeitskammer 4 ist mit einer elektrorheologischen Flüs sigkeit gefüllt. In der zweiten Arbeitskammer 4' ist eine me chanische Feder 12 angeordnet, die eine Vorspannung des Kolbens 3 bewirkt. Die zweite Arbeitskammer 4' wird über ein Durch gangsventil 11' be- und entlüftet.

Wird nun das elektrorheologische Flüssigkeitsventil 9' bei spielsweise vollständig geschlossen, verschiebt sich der Kolben 3 nach oben gegen die vorgespannte Feder 12. Bei Öffnen des elektrorheologischen Flüssigkeitsventils 9' wird der Kolben 3 durch die Federkraft wieder zurückgestellt.

In den Fig. 3a und 3b ist der erfindungsgemäße Aktuator als Drehzylinder 13 ausgebildet. Der Drehzylinder besteht aus einem Drehantriebskolben 3', der ein im wesentlichen zylindrisches Mittelteil mit einem radial nach außen ragenden Vorsprung auf weist, der drehbar in einem Zylindergehäuse 2' gelagert ist. Das Zylindergehäuse 2' weist zur Aufnahme des Drehantriebskol bens 3' eine zylindrische Bohrung auf, die durch einen radial nach innen ragenden Gehäusesteg unterbrochen ist. Zwischen Drehantriebskolben 3' und Zylindergehäuse 2' werden zwei Ar beitskammern 4, 4' gebildet. Die Arbeitskammern 4, 4' sind jeweils mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit bzw. magne torheologischen Flüssigkeit gefüllt und weisen jeweils eine Einlaßbohrung- und eine Auslaßbohrung 7, 7' für das Arbeits fluid auf. Wie bei der Ausführung nach Fig. 1 ist auch bei dem Drehzylinder die Druckseite der ersten Hydraulikpumpe 8 direkt über die Einlaßbohrung 6 mit der ersten Arbeitskammer 4 ver bunden. Die Auslaßbohrung 7 der ersten Arbeitskammer 4 steht direkt mit einem ersten elektrorheologischen Flüssigkeitsventil 9 in Verbindung. Der Auslaß des ersten elektrorheologischen Flüssigkeitsventils 9 ist mit der Saugseite der ersten Hydrau likpumpe 8 verbunden, wodurch der erste Hydraulikreislauf ge schlossen ist. Die Druckseite der zweiten Hydraulikpumpe 8' fördert das Arbeitsfluid direkt über die Einlaßbohrung 6' in die zweite Arbeitskammer 4' des Drehzylinders 13. Die Auslaß bohrung 7' der zweiten Arbeitskammer 4' steht direkt mit einem zweiten elektrorheologischen Flüssigkeitsventil 9' in Verbin dung. Der Auslaß des zweiten elektrorheologischen Flüssigkeits ventils 9' ist mit der Saugseite der zweiten Hydraulikpumpe 8' verbunden, so daß der zweite Hydraulikkreislauf geschlossen ist.

Claims

1. Aktuator auf Basis einer elektrorheologischen oder magne torheologischen Flüssigkeit, bei dem ein in einem Gehäuse (2) geführter Kolben (3) vorgesehen ist, der das Gehäuse in mindestens zwei volumenveränderliche Arbeitskammern (4, 4') unterteilt, wobei mindestens eine erste Arbeitskammer (4) mit elektrorheologischer Flüssigkeit bzw. magnetorheologi scher Flüssigkeit gefüllt ist und eine Ein- und Auslaßboh rung (6, 7) für die Flüssigkeit aufweist und wobei minde stens eine Hydraulikpumpe (8) vorgesehen ist, die mit ihrer Druckseite mit der Einlaßbohrung (6) der ersten Arbeits kammer (4) verbunden ist und der Auslaß (7) der ersten Arbeitskammer (4) mit einem elektrorheologischen/magneto rheologischen Flüssigkeitsventil (9) direkt verbunden ist und wobei der Auslaß des elektrorheologischen/magnetorheo logischen Flüssigkeitsventils (9) mit der Saugseite der Hydraulikpumpe (8) in Verbindung steht und wobei ein eine Rückstellkraft erzeugendes Element (8', 9', 12) vorgesehen ist, das den Kolben (3) entgegen dem in der ersten Arbeits kammer (4) erzeugten Arbeitsdruck beaufschlagt.

2. Aktuator auf Basis einer elektrorheologischen oder magne torheologischen Flüssigkeit gemäß Patentanspruch 1, wobei der Kolben (3) längsbeweglich in einem Zylindergehäuse (2) geführt ist und eine erste und eine zweite volumenveränder liche Arbeitskammer (4, 4') unterteilt und wobei der Kolben (3) beidseitig jeweils eine Kolbenstange (5, 5') mit glei chem Querschnitt aufweist, die jeweils abgedichtet aus dem Zylindergehäuse (2) nach außen geführt ist.

3. Aktuator auf Basis einer elektrorheologischen oder magne torheologischen Flüssigkeit gemäß Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 2, wobei in dem Zylindergehäuse (2) eine erste Arbeitskammer (4) mit elektrorheologischer Flüssig keit gefüllt ist und wobei das eine Rückstellkraft erzeu gende Element eine in der zweiten Arbeitskammer (4') an geordnete mechanische Feder (12) ist, und die zweite Ar beitskammer (4') über ein Durchgangsventil (11') be- und entlüftet wird.

4. Aktuator auf Basis einer elektrorheologischen oder magne torheologischen Flüssigkeit gemäß Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 2, wobei in dem Zylindergehäuse (2) eine erste Arbeitskammer (4) mit elektrorheologischer Flüssig keit gefüllt ist und wobei das eine Rückstellkraft erzeu gende Element ein in der zweiten Arbeitskammer (4') befind liches Gas ist, und die zweite Arbeitskammer (4') über ein Belüftungsventil (11) entlüftet wird.

5. Aktuator auf Basis einer elektrorheologischen oder magne torheologischen Flüssigkeit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der ersten und der zweiten Arbeitskam mer (4, 4') elektrorheologische/magnetorheologische Flüs sigkeit enthalten ist und eine zweite Hydraulikpumpe (8') vorgesehen ist, die mit ihrer Druckseite mit der Einlaßboh rung (6') der zweiten Arbeitskammer (4') verbunden ist und der Auslaß (7') der zweiten Arbeitskammer (4') mit einem zweiten elektrorheologischen/magnetorheologischen Flüssig keitsventil (9') direkt verbunden ist und wobei der Auslaß des zweiten elektrorheologischen/magnetorheologischen Flüs sigkeitsventils (9') mit der Saugseite der zweiten Hydrau likpumpe (8') in Verbindung steht.

6. Aktuator auf Basis einer elektrorheologischen oder magne torheologischen Flüssigkeit nach Patentanspruch 1, wobei der Kolben als Rotor (3') in einem Zylindergehäuse (2') gelagert ist und zwischen Kolben (3') und Zylindergehäuse (2') eine erste und eine zweite volumenveränderliche Ar beitskammer (4, 4') ausgebildet sind und wobei eine zweite Hydraulikpumpe (8') vorgesehen ist, die mit ihrer Drucksei te mit der Einlaßbohrung (6') der zweiten Arbeitskammer (4') verbunden ist und der Auslaß der zweiten Arbeitskammer (4') mit einem elektrorheologischen/magnetorheologischen Flüssigkeitsventil (9') direkt verbunden ist und wobei der Auslaß des elektrorheologischen/magnetorheologischen Flüs sigkeitsventils (9') mit der Saugseite der zweiten Hydrau likpumpe (8') in Verbindung steht.