DE19955959A1 - Druckmittelmotor auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Bei einem Druckmittelmotor auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten mit einem in einem Zylindergehäuse geführten Kolben, der in dem Zylindergehäuse zwei volumenveränderliche Arbeitskammern bildet, einer Einlaßbohrung für die elektrorheologische Flüssigkeit, die mit einer Druckmittelquelle (Pumpe) in Verbindung steht, einer Auslaßbohrung für die elektrorheologische Flüssigkeit, die mit einem Tank in Verbindung steht und in dem Zylindergehäuse angeordneten Ventilen auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten, die einen jeweils eine volumenveränderliche Arbeitskammer mit der Einlaßbohrung oder der Auslaßbohrung verbindenden Ventilspalt aufweisen, wobei die Begrenzungsflächen des Ventilspaltes als elektrisch ansteuerbare Elektrodenflächen ausgebildet sind, werden die Begrenzungsflächen (7, 8, 12) einerseits durch an der äußeren Mantelfläche des Zylindergehäuses (2) gebildeten ersten Gehäuseabschnitten und andererseits durch diesen gegenüberliegend beabstandet angeordneten zweiten Gehäuseabschnitten gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckmittelmotor auf Basis elek­ trorheologischer Flüssigkeiten, bei dem ein in einem Zylinder­ gehäuse geführter Kolben vorgesehen ist, der in dem Zylinder­ gehäuse zwei volumenveränderliche Arbeitskammern bildet, einer Einlaßbohrung für die elektrorheologische Flüssigkeit die mit einer Druckmittelquelle (Pumpe) in Verbindung steht, einer Auslaßbohrung für die elektrorheologische Flüssigkeit die mit einem Tank in Verbindung steht und in dem Zylindergehäuse an­ geordneten Ventilen auf Basis elektrorheologischer Flüssigkei­ ten, die einen jeweils eine volumenveränderliche Arbeitskammer mit der Einlaßbohrung oder der Auslaßbohrung verbindenen Ven­ tilspalt aufweisen, wobei die Begrenzungsflächen des Ventil­ spaltes als elektrisch ansteuerbare Elektrodenflächen ausge­ bildet sind.

Elektrorheologische Flüssigkeiten sind Flüssigkeiten, bei de­ nen die rheologischen Eigenschaften in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld steuerbar sind. In der Regel handelt es sich bei elektrorheologischen Flüssigkeiten um Suspensionen, daß heißt in einem Trägermedium suspendierte Festpartikel, die über das elektrische Feld polarisierbar sind. Durch den Ein­ satz von elektrorheologischen Flüssigkeiten als Arbeitsfluid ist es möglich geworden, die Anzahl der bewegten Teile bei hy­ draulischen Systemen erheblich zu verringern. Eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise der Einsatz bei Hy­ draulikventilen, Hydraulikzylindern, Vibratoren, Viskositäts­ kupplungen, Stoßdämpfern oder Motorlagern sind in dem Über­ sichtsartikel "Applications of tke electrorheological effect in engineering practice, Fluid mechanics Soviet research, Vol.6, No. 4, July - August 1979" bekannt.

Aus der DE-OS 197 35 466 ist ein Druckmittelmotor auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten bekannt. Die Ansteuerung des Druckmittelmotors erfolgt über vier im Zylinder integrier­ ten elektrorheologischen Ventilen, die als Vollbrücke mitein­ ander verschaltet sind. Bei diesem bekannten Druckmittelmotor sind die elektrorheologischen Ventile als Ringspaltventile ausgebildet, die durch in die Zylindergehäusewand eingebrachte Bohrungen und in den Bohrungen angeordnete Dorne gebildet wer­ den. Zur Erzeugung eines elektrischen Feldes sind die Begren­ zungswände des Ringspaltes als elektrisch ansteuerbare Elek­ trodenflächen ausgebildet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckmittel­ motor mit integrierten Ventilen derart weiterzubilden, daß bei noch kompakteren äußeren Abmessungen eine höhere Dynamik sowie hohe Stellkräfte erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Begrenzungsflächen einerseits durch an der äußeren Mantelfläche des Zylinderge­ häuses gebildeten ersten Gehäuseabschnitten und andererseits durch diesen gegenüberliegend beabstandet angeordneten zweiten Gehäuseabschnitten gebildet werden.

Hierdurch kann ein hinsichtlich seiner äußeren Abmessungen kompakter Druckmittelmotor realisiert werden, mit dem eine noch höhere Dynamik erreicht wird. Aufgrund der kompakten Bau­ weise kann eine höhere hydraulische Steifigkeit erreicht wer­ den. Da der Druckmittelmotor ein niedriges Gewicht aufweist ist seine dynamische Steifigkeit niedrig. Hierdurch kann er insbesondere in der Automationstechnik eingesetzt werden. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ventilspalte durch Begrenzungsflächen des Zylindergehäuses so­ wie eine das Zylindergehäuse konzentrisch umqebende Hülse ge­ bildet werden. Hierdurch wird ein Druckmittelmotor realisiert, der einen mechanisch einfachen Aufbau aufweist. In einer wei­ teren Ausgestaltung sind für jedes Ventil zwei parallel ange­ ordnete Flachspalte vorgesehen. Durch diese Ausbildung können höhere Strömungsgeschwindigkeiten erzielt werden.

Eine Besonderheit des Druckmittelmotors ist seine Eigenschaft, auf elektronischem Weg bei einem Differentialzylinder die Wir­ kung eines Gleichlaufzylinders zu erreichen. Dies wird möglich aufgrund der hohen Dynamik des kompakten Druckmittelmotors. Die Ventile werden als Vollbrücke verschaltet und derart ange­ steuert, daß die Drücke in den volumenveränderlichen Arbeits­ kammern A und B sich umgekehrt proportional zu den jeweiligen Kolbenflächen verhalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels, das in den Fig. 1-4 dargestellt ist, näher erläu­ tert. Es zeigt:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmittelmotor auf Basis elektrorheologischer Flüs­ sigkeiten;

Fig. 2: einen Querschnitt Y-Z des Druckmittelmotors gemäß Fig. 1;

Fig. 3: einen Querschnitt W-X des Druckmittelmotors gemäß Fig. 1;

Fig. 4: eine schematische Darstellung der Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Druckmittelmotors.

Der in den Fig. 1-3 dargestellte Druckmittelmotor 1 be­ steht aus einem Zylindergehäuse 2, in das eine zylindrische Durchgangsbohrung 3 eingebracht ist. In der Durchgangsbohrung 3 ist ein Kolben 4 mit einer einseitig nach außen geführten Kolbenstange 5 axial verschiebbar geführt. Der Kolben 4 unter­ teilt die zylindrische Durchgangsbohrung 3 in zwei volumenver­ änderliche Arbeitskammern A, B. Das Zylindergehäuse 2 ist von einer Hülse 6 umgeben, die konzentrisch zu dem Zylindergehäu­ se 2 angeordnet ist. Zwischen der inneren Mantelfläche 7 der Hülse 6 und der äußeren Mantelfläche 8 des Zylindergehäuse 2 verbleibt dabei ein Ringraum 9, der sich über die gesamte axiale Baulänge des Zylindergehäuse 2 erstreckt. Hülse 6 und Zylindergehäuse 2 sind über vier gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Kunststoffleisten 10, die sich in axia­ ler Richtung über die gesamte Baulänge de Zylindergehäuse 2 erstrecken, miteinander verbunden. Durch die Anordnung der Kunststoffleisten 10, wird der Ringraum 9 in vier gleichgroße Teilräume 11 aufgeteilt, die voneinander abgedichtet sind.

Die Teilräume 11 werden jeweils durch ein Rohrsegmentelement 12, das sich über die gesamte axiale Baulänge des Zylinderge­ häuse 2 erstreckt in je zwei Flachspalte 13 unterteilt, die je­ weils parallel beabstandete zylindrisch verlaufende Begren­ zungsflächen aufweisen. Die Rohrsegmentelemente 12 sind je­ weils endseitig in einer Kunststoffleiste 10 gehalten, durch die eine Abdichtung der Flachspalte 13 voneinander erfolgt. Zwischen Zylindergehäuse 2 und Hülse 6 werden somit vier Ven­ tile auf Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten (a1, a2, b1, b2) gebildet, die jeweils zwei Flachspalten 13 aufweisen. In einer nichtdargestellten Ausführungsform könnten für jedes Ventil eine Vielzahl von parallel angeordneten Flachspalten vorgesehen sein.

Die elektrorheologischen Ventile a1, a2, b1, b2 sind als Kon­ densatoren ausgeführt, wobei die Elektrodenflächen einerseits durch die Begrenzungsflächen der Rohrsegmentelemente 12 und andererseits durch die innere Mantelfläche der Hülse 6 bzw. der äußeren Mantelfläche des Zylindergehäuse 2 gebildet werden.

Die Rohrsegmentelemente 12 sind jeweils über einen aus dem Druckmittelmotor herausgeführten als elektrischen Anschluß dienenden isolierten Dorn 14 mit einer Hochspannungsversorgung verbunden und einzeln elektrisch ansteuerbar ausgeführt. Das Zylindergehäuse 2 sowie die Hülse 6 sind jeweils geerdet. Die Kunststoffleisten 10 dienen der Isolation.

Das Zylindergehäuse 2 ist endseitig mit Deckelteilen 15, 16 versehen, die mittig einen zylindrischen Ansatz 17 aufweisen, der jeweils die zylindrische Durchgangsbohrung 3 abschließt. Die Deckelteile 15, 16 besitzen die gleiche radiale Erstreckung wie die Hülse 6. In die Deckelteile 15, 16 sind jeweils zwei im wesentlichen halbzylindrische Kammern 18, 19 bzw. 20, 21 eingebracht, die zu dem Zylindergehäuse 2 sowie der das Zy­ lindergehäuse 2 umgebenden Hülse 6 weisen. Die Kammern 18, 19 bzw. 20, 21 sind über einen radial sich erstreckenden Trenn­ steg 22, 23 voneinander abgetrennt.

Die endseitig angeordneten Deckelteile 15, 16 sind um 90° ver­ dreht zueinander angeordnet, so daß die Trennstege 22, 23 senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Die Kammer 18 ist über eine axiale in das Deckelteil 15 eingebrachte Durchgangsboh­ rung 24 mit einer Druckmittelpumpe verbunden. Die Kammer 19 ist über eine axiale in das Deckelteil 15 eingebrachte axiale Durchgangsbohrung 25 mit einem Tank verbunden. Die Kammer 20 steht über eine in das Zylindergehäuse 2 eingebrachte Bohrung 26 mit der volumenveränderlichen Arheitskammer A in Verbin­ dung, die Kammer 21 steht über eine in das Zylindergehäuse 2 eingebrachten Bohrung 27 mit der volumenveränderlichen Ar­ beitskammer B in Verbindung.

Aufgrund der oben beschriebenen Anordnung steht die Kammer 18 mit den elektrorheologischen Ventilen a1 und a2 und die Kammer 19 mit den elektrorheologischen Ventilen b1 und b2 in Verbin­ dung. Weiterhin steht Kammer 20 mit den Flachspalten 13 der Ventile a1 und b2 sowie Kammer 21 mit den Flachspalten 13 der Ventile a2 und b1 in Verbindung.

Anhand von Fig. 4, die eine schematische Darstellung der Ver­ schaltung der vier elektrorheologischen Ventile zu einer Voll­ brücke darstellt, wird die Funktionsweise bzw. Ansteuerung nä­ her beschrieben. Die Linien bezeichnen die Strömungskanäle, durch die die elektrorheologische Flüssigkeit als Arbeitsfluid von einer Pumpe P kommend zu einem Tank gefördert wird. Zwi­ schen der Pumpe P und dem Behälter T sind zwei parallele Strö­ mungszweige vorhanden. Der obere Zweig enthält in Reihe ge­ schaltet die elektrorheologischen Ventile a1 sowie b2 der un­ tere Strömungszweig die elektrorheologischen Ventile a2 und b1. Die elektrorheologischen Ventile sind schematisch als Kreis­ flächen dargestellt. Zwischen den elektrorheologischen Venti­ len a1, b2 des oberen Strömungszweigs ist die volumenveränder­ liche Arbeitskammer A des Druckmittelmotors angeschlossen, zwischen den elektrorheologischen Ventilen a2, b1 des unteren Strömungszweigs ist die volumenveränderliche Arbeitskammer B des Druckmittelmotors 1 angeschlossen. Soll der die Arbeits­ kammern A und B trennende Kolben 4 in Richtung der Kammer A bewegt werden, so werden die elektrorheologischen Ventile a1, b1 durch Anlegen einer elektrischen Spannung geschlossen, das heißt durch das in den Flachspalten 13 erzeugte elektrische Feld verändert die elektrorheologische Flüssigkeit ihre Visko­ sität von flüssig in fest. Die Druckseite der Pumpe fördert die elektrorheologische Flüssigkeit dann direkt über die Durchgangsbohrung 24 in die Kammer 18. Da das Ventil a1 ge­ sperrt ist, wird die elektrorheologische Flüssigkeit durch das Ventil bzw. die Flachspalte 13 des Ventils a2 in die Kammer 21 gefördert und wird anschließend in die volumenveränderliche Arbeitskammer B gedrückt. Hierdurch steigt der Druck in der Arbeitskammer B an. Der Druck in der Arbeitskammer A bleibt hingegen auf dem Niveau des Tankes, da das Ventil b2 geöffnet ist. Durch die Druckdifferenz der Arbeitskammer B und der Ar­ beitskammer A wird der Kolben 4 in Richtung der Arbeitskammer A bewegt. Die aus der Arbeitskammer A verdrängte elektrorheo­ logische Flüssigkeit wird durch die Bohrung 26 in die Kammer 20 gedrückt. Da das Ventil a1 geschlossen ist, fließt die elektrorheologische Flüssigkeit durch die Flachspalte des Ven­ tils b2 in die Kammer 19 und anschließend durch die Durch­ gangsbohrung 25 in den Tank. Soll der Kolben 4 in Richtung der Arbeitskammer B bewegt werden, so werden die elektrorheologi­ schen Ventile a2, b2 gesperrt und die elektrorheologischen Ventile a1, b1 spannungslos und damit auf Durchgang geschal­ tet.

In einer nichtdargestellten Ausführungsform ist das zylinder­ gehäuse an der äußeren Mantelfläche mit vier Abflachungen ver­ sehen, die sich über die gesamte axiale Baulänge erstrecken und die jeweils eine Begrenzungsfläche eines Flachspaltes ei­ nes Ventils bilden. Diesen planen Begrenzungsflächen werden parallel beabstandet jeweils weitere als Elektrodenflächen ausgebildete Begrenzungsflächen zugeordnet, die in an das Zy­ lindergehäuse angeflanschten Gehäuseabschnitten gebildet wer­ den, so daß Flachspaltventile mit ebenen Spaltflächen entste­ hen.

Anstelle der Verwendung von einer elektrorheologischen Flüs­ sigkeit als Druckmittel kann auch eine magnetorheologische Flüssigkeit eingesetzt werden. Bei der Verwendung von magne­ torheologischen Flüssigkeiten werden anstelle der Elektroden­ flächen elektrisch ansteuerbare Spulenanordnungen vorgesehen.

Claims (6)

1. Druckmittelmotor auf Basis elektrorheologischer Flüssig­ keiten, bei dem ein in einem Zylindergehäuse geführter Kolben vorgesehen ist, der in dem Zylindergehäuse zwei volumenveränderliche Arbeitskammern bildet, einer Einlaß­ bohrung für die elektrorheologische Flüssigkeit die mit einer Druckmittelquelle (Pumpe) in Verbindung steht, ei­ ner Auslaßbohrung für die elektrorheologische Flüssigkeit die mit einem Tank in Verbindung steht und in dem Zylin­ dergehäuse angeordneten Ventilen auf Basis elektrorheolo­ gischer Flüssigkeiten, die einen jeweils eine volumenver­ änderliche Arbeitskammer mit der Einlaßbohrung oder der Auslaßbohrung verbindenen Ventilspalt aufweisen, wobei die Begrenzungsflächen des Ventilspaltes als elektrisch ansteuerbare Elektrodenflächen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen (7, 8, 12) ei­ nerseits durch an der äußeren Mantelfläche des Zylinder­ gehäuses (2) gebildeten ersten Gehäuseabschnitten und an­ dererseits durch diesen gegenüberliegend beabstandet an­ geordneten zweiten Gehäuseabschnitten gebildet werden.

2. Druckmittelmotor nach Anspruch 1, wobei ein Ringraum (9) durch eine konzentrisch zu dem Zylindergehäuse (2) beab­ standet angeordnete Hülse (6) gebildet wird, der durch vier Kunststoffleisten (10) in vier Teilräume (11) unter­ teilt wird und jeder Teilraum ein Ventil (a1, a2, b1, b2) bildet, wobei die Begrenzungsflächen des Ventilspaltes jedes Ventils (a1, a2, b1, b2) durch Mantelabschnitte der äußeren Mantelfläche (8) des Zylindergehäuses (2) und durch Mantelabschnitte der inneren Mantelfläche (7) der Hülse (6) gebildet werden.

3. Druckmittelmotor nach Anspruch 2, wobei die Teilräume (11) jedes Ventils (a1, a2, b1, b2) jeweils durch ein Rohr­ segmentelement (12) in zwei Flachspalte (13) unterteilt wird und die Begrenzungsflächen jedes Ventils (a1, a2, b1, b2) durch die Begrenzungsflächen des Rohrseg­ mentelementes (12) einerseits und ein, Mantelabschnitt der inneren Mantelfläche der Hülse (6) bzw. einem Mantelab­ schnitt der äußeren Mantelfläche des Zylindergehäuses (2) gebildet werden.

4. Druckmittelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die volumenveränderlichen Arbeitskammern (A, B) je­ weils über endseitig an dem Zylindergehäuse (2) angeord­ neten Deckelteilen (15, 16) abgedichtet werden und in den Deckelteilen (15, 16) Kammern (18, 19, 20, 21) vorgesehen sind, durch die die Ventilspalte (13) der Ventile (a1, a2, b1, b2) mit der Einlaßbohrung (24) und der Auslaß­ bohrung (25) bzw. einer volumenveränderlichen Arbeitskam­ mer (A, B)verbunden sind.

5. Druckmittelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventile (a1, a2, b1, b2) als Vollbrücke miteinan­ der verschaltet sind.

6. Druckmittelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei magnetorheologische Flüssigkeit verwendet wird und die Ventile als magnetorheologische Ventile mit Spulenan­ ordnungen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes ausge­ bildet sind.