-
-
Verfahren zur Übertragung von Schubspannungen durch
-
Rotations- und/oder Translationsbewegungen mit scherverdickenden Fluiden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Schubspannungen durch Rotationsbewegungen
und/oder Translationsbewegungen sich relativ zueinander bewegender räumlicher Flächen
mit dazwischenbefindlichen, scherverdickenden Fluiden gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
-
Bekannt ist das scherverdickende Verhalten von dilatanten Fluiden,
deren Viskosität sich bei Scherbeanspruchung reversibel verändert. In der Patentanmeldung
P 30 25 562.0 wird die Herstellung und das Verhalten einer dilatanten Copolymer-Dispersion
beschrieben, deren Viskosität sich bei Erreichen der kritischen Schergeschwindigkeit
um bis zu mehrere Zehnerpotenzen ändert. Im örtlichen Bereich der kritischen Schergeschwindigkeit
verursachen jedoch innere strukturelle Eigenschaften derartiger dilatanter Fluide
eine Unterbrechung der Oberflächenhaftung, welche im weiteren als Abreißen bezeichnet
wird. Dieses Abreißen des dilatanten Fluids vermindert die den Schergeschwindigkeiten
und Viskositätsänderungen entsprechenden, übertragbaren Schubspannungen.
-
Bekannt ist ferner aus der Patentanmeldung P 31 26 841.2 die Bremsung
von Türbewegungen mit in einem Scherspalt befindlichen dilatanten Fluid. In ihr
werden zwar sowohl axiale als auch radiale Scherspaltänderungen als solche genannt,
jedoch keine Lösungen des Abreißproblems aufgezeigt.
-
Weiterhin bekannt sind Rotationsdämpfer mit dilatanten Dispersionen.
Dabei werden ausschließlich über den Umfang
der Scherflächenelemente
konstante Scherspaltabstände verwendet. Dies führt jedoch zu gleichzeitig über den
ganzen Umfang auftretenden kritischen Schergeschwindigkeiten und damit zum Abreißen
der Oberflächenhaftung über diesen Umfang. Damit wird die Übertragung von Schubspannungen
stark reduziert. Um die vorgegebenen über tragungsdrehmomente zu erreichen, müssen
deshalb größere Scherflächen und damit größere Bauteile verwendet werden.
-
Zusätzlich führt das Abreißen zu undefinierten Schubspannungsübertragungen,
welche z.B. die Dämpfungscharakteristiken negativ beeinflussen.
-
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, welches
das Abreißen der Oberflächenhaftung bei Erreichen der, den scherverdickenden Fluiden
eigenen, kritischen Schergeschwindigkeiten von sich gegeneinander bewegenden und
einen Scherspalt bildenden, räumlichen Flächen verhindert. Um die Anwendungsvorteile
derartiger Verfahren gegenüber gebräuchlichen Kupplungs-, Brems- oder Dämpfungstechniken
in fertigungstechnischer und wirtschaftlicher Hinsicht zu erhalten, sollen möglichst
einfache, z.B. aus kreisförmigen Elementen gebildete Scherspaltgeometrien verwendet
werden.
-
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, wie
es in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist.
-
Um. durch Rotations- und/oder Translationsbewegungen mittels scherverdickender
Fluide maximal erreichbare Schubspannungen übertragen zu können, wird erfindungsgemäß
gewährleistet, daß längs der Scherrichtung des Spalts an einer oder mehreren Stellen
gleichzeitig sowohl kritische als auch unterkritische Schergeschwindigkeitsbereiche
vorliegen. In den unterkritischen Bereichen befindet sich das scherverdickende Fluid
durch seinen nieder- oder
newtonschviskosen Zustand, bei entsprechend
benetzender Eigenschaft, im innigen Kontakt mit den Scherspaltoberflächen. In den
kritischen Schergeschwindigkeitsbereichen verdickt das Fluid bis hin zur Feststoffkonsistenz
sehr schnell. Gleichzeitig wirken aber an diesen Stellen Zugspannungen auf das Fluid
normal zur Scherspaltfläche.
-
Durch die Relativbewegung der Scherspaltflächen'wird nun kontinuierlich
nicht scherbelastetes Fluid an diese Stellen transportiert und ein Abreißen der
Oberflächenhaftung unterdrückt. Ein dabei zusätzlich auftretender, als Verdichtung
der dilatanten Dispersion verstandener Effekt verstärkt die dortige Dilatanz und
Oberflächenhaftung derart, daß die um die unterkritischen Bereiche des Scherspalts
verminderte Schubspannungsübertragungsfläche überkompensiert wird. Die sich in den
kritischen Schergeschwindigkeitsbereichen dadurch einstellende, auch bei Erhöhung
der Schubbelastung weitgehend konstante Schergeschwindigkeit bzw. Relativbewegung
der Scherspaltelemente, verhindert das Erreichen des kritischen Zustands des Fluids
im unterkritisch ausgelegten Scherspalt. Dadurch wird verhindert, daß die Oberflächenhaftung
über den ganzen Umfang des Scherspalts abreißt.
-
Um solche Schergeschwindigkeitsbereiche sehr einfach einstellen zu
können, wird in bevorzugter Ausbildung der Erfindung ein exzentrischer Scherspalt
durch exzentrisch drehende und/oder gelagerte kreiszylindrische Scherflächenelemente
gebildet.
-
Die Vergrößerung der Schubspannungsübertragungsflächen einzelner,
rotierender Scherflächenelemente erfolgt nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung
durch mehrere, über den Umfang des Scherspalts verteilte, jeweils entweder wellenseitig
oder gehäuseöffnungsseitig variable
Durchmesser, wie beispielsweise
eine ellipsenförmige Welle oder eine viereckige Gehäuseöffnung.
-
Des weiteren werden zur Vergrößerung der Schubspannungsübertragungsflächen
von Rotationsbewegungen mehrere radial angeordnete und zueinander exzentrisch drehende
und/oder gelagerte Scherflächenelemente vorgesehen.
-
Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht die periodisch oder drehwinkelabhängig
voränderliche Schubspannungsübertragung bei Rotationsbewegungen durch exzentrische
Drehung eines zusätzlich exzentrisch gelagerten Kreiszylinders in einer kreiszylindrischen
Gehäusebohrung vor.
-
Veränderliche Grenzgeschwindigkeiten von rotierenden, einfachen Scherflächenelementen
lassen sich vorteilhaft sowohl durch konzentrische Drehung eines Kreiszylinders
in einem dazu exzentrisch gelagerten und kreisförmig durchbrochenen Gehäusering
als auch durch eine kreisförmige Gehäuseöffnung mit dazu exzentrisch drehendem Kreiszylinder,
welcher aus einer inneren, exzentrisch gelagerten Welle mit exzentrisch darübergeschobener
Wellenbüchse besteht, durch Verdrehen derselben und ohne Volumenänderung der Scherspalte
einstellen. Ebenso lassen sich die Scherspaltgeometrien in axialer Richtung durch
Verschieben von z.B. parallel-kegelförmigen Rotationselementen und Gehäusebohrungen
einstellen. Andererseits wird durch z.B.
-
nichtparallel-kegelförmige Rotationselemente und Gehäusebohrungen
bei vorgegebenem kritischem Scherverhalten des Fluids, das Schubspannungsübertragungsverhalten
der Rotationsbewegung eingestellt.
-
Um andere Bauformen zur Schubspannungsübertragung durch Rotationsbewegungen
zu erhalten, beinhaltet eine weitere Ausbildung der Erfindung die Einstellung kritischer
und unter-
kritischer Schergeschwindigkeitsbereiche durch eine
oder mehrere, axial angeordnete, z.B. kreiskegelförmige und zur Rotationsachse hin
geneigten Scheiben, welche sich in z.B.
-
kreiszylindrischen und mit Fluid gefüllten Kammern frei drehen und
mit den Kammerstirnwänden einen über den Umfang der Scheiben variablen Scherspalt
ausbilden. Durch zueinander in Drehrichtung versetzte Neigungen mehrerer Scheiben,
wird die Schubkraftverteilung über den Wellenumfang verteilt.
-
Durch räumlich nicht geschlossene Scherspalte, wie sie z.B. durch
eine, in einem kreiszylindrischen Rohr befindliche, Förderschnecke ausgebildet werden
lassen sich ebenfalls kritische und unterkritische Schergeschwindigkeitsbereiche
und damit hohe übertragbare Schubspannungen einstellen.
-
Die Einstellung von kritischen und unterkritischen Schergeschwindigkeitsbereichen
bei Translationsbewegungen mit dilatanten Fluiden erfolgt durch wellen- oder gehäuseseitige,
ein- oder mehrmalige axiale Durchmesseränderungen, deren Abstände voneinander den
Relaxationszeiten des Fluids und den kritischen Translationsgeschwindigkeiten proportional
sind.
-
Die Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben
sich durch Ausführungsbeispiele, welche anhand schematischer Zeichnungen im folgenden
näher beschrieben werden.
-
Es zeigen: Figur 1 die konzentrische Drehung eines gegenüber einer
kreiszylindrischen Gehäuseöffnung exzentrisch gelagerten Kreiszylinders, Figur 2
die exzentrische Drehung eines gegenüber einer kreiszylindrischen Gehäuseöffnung
konzentrisch gelagerten Kreiszylinders, Figur 3 die konzentrische Drehung eines
nichtkreiszylindrischen Drehkörpers in einer kreiszylindrischen Gehäuseöffnung,
Figur 4 die konzentrische Drehung eines Kreiszylinders in einer nichtkreiszylindrischen
Gehäuseöffnung, Figur 5 einen gegenüber einer kreiszylindrischen Gehäuseöffnung
exzentrisch gelagerten und exzentrisch drehenden Kreiszylinder, Figur 6 die in Figur
5 dargestellte Funktion mit um 900 gedrehtem Kreiszylinder, Figur 7 die konzentrische
Drehung kreiszylindrischer Scherflächenelemente, welche gehäuseseitig exzentrisch
gelagert und radial angeordnet sind gegenüber ebenfalls kreiszylindrischen gehäusefesten
Scherflächenelementen,
Figur 8 die gehäusseitige Einstellbarkeit
eines exzentrischen Scherspalts durch einen, zur Drehung eines Kreiszylinders, exzentrisch
gelagerten und kreisförmig durchbrochenen, verstellbaren Gehäusezwischenring, Figur
9 die wellenseitige Einstellbarkeit eines exzentrischen Scherspalts durch exzentrische
Drehung eines mit einer verstellbaren exzentrisch aufgeschobenen Hülse versehenen
Kreiszylinders, Figur 10 mehrere, axial angeordnete und zu ihrer Drehachse hin geneigte,
doppelkegelförmigen Scheiben in mit Fluid gefüllten Gehäusekammern, Figur 11 einen,
in einem zylindrischen Gehäuse rotierenden schraubenwendelförmigen Rührer, Figur
12 einen bei Translationsbewegungen wellenseitig und/oder gehäuseseitigen durch
Durchmesseränderungen gebildeten, axial variierenden Scherspalt.
-
In Figur 1 ist schematisch die konzentrische Drehung eines mit der
Exzentrizität 4 gelagerten Kreiszylinders 3 in einer kreisförmigen Gehäuseöffnung
5 dargestellt. Die Schergeschwindigkeiten werden wegen der konstanten Umfangsgeschwindigkeit
durch die örtlichen Spaltweiten erzeugt.
-
Die näherungsweise eingezeichnete maximale und minimale Schergeschwindigkeit
1, 2 tritt an der kleinsten und größten Spaltweite auf. Der besondere Vorteil dieser
Anordnung ist ihre einfache Geomtrie und damit Herstell-
barkeit,
sowie die räumlich weit voneinander getrennten und stetig ineinander übergehenden
kritischen und unterkritischen Schergeschwindigkeitsbereiche. Wird bei der sich
einstellenden kritischen Schergeschwindigkeit und damit Drehzahl des Kreiszylinders
3 die Relaxationszeit bzw. Erholzeit bezüglich des Scherverhaltens des Fluids während
mindestens einer Umdrehung nicht unterschritten, so wird ein Abreißen der Oberflächenhaftung
über den gesamten Zylinderumfang sicher verhindert. Durch geeignete Wahl des Zylinderdurchmessers
und der Exzentrizität 4 können deshalb bei gegebenem Scherverhalten des Fluids optimale
Übertragungsbedingungen für die Schubspannungen eingestellt werden.
-
In Figur 2 ist die exzentrische Drehung und deren konzentrische Lagerung
gegenüber der kreisförmigen Gehäuseöffnung 10 eines Kreiszylinders 8 dargestellt.
Durch die Exzentrizität 9 treten am Umfang des Kreiszylinders 8 unterschiedliche
Tangentialgeschwindigkeiten auf. Bei gleicher Spaltgeometrie und Grenzdrehzahl (wie
in Fig. 1) wird dadurch die Differenz der Schergeschwindigkeiten im kritischen und
unterkritischen Bereich 6, 7 vergrößert.
-
Neben der geringeren unterkritischen Scherbeanspruchung im maximalen
Scherspalt 7 ist der besondere Vorteil dieser Anordnung die Verwendung scherverdickender
Fluide mit niedriger Feststoffkonzentration, damit geringerer Viskosität im unbelasteten
Fall und kürzeren Relaxationszeiten. Zusätzlich bewegen sich bei Drehung des Kreiszylinders
8 die kritischen und unterkritischen Schergeschwindigkeitsbereiche 6, 7 in entgegengesetzt
scherbeanspruchte Fluidzonen des ruhenden Gehäuses 10 und führen bei ebenfalls sehr
einfacher Geometrie und Herstellbarkeit der Anordnung zur Verminderung der Abreißneigung
der Oberflächenhaftung.
-
In Fig. 3 ist die konzentrische Drehung eines nichtkreiszylindrischen,
z.B. elliptischen, Rotationskörpers 13 in einer kreisförmigen Gehäuseöffnung 14
dargestellt. Damit lassen sich über den Umfang des Scherspalts s mehrere kritische
und unterkritische Schergeschwindigkeitsbereiche 11, 12 einstellen und damit die
spezifische Scherbelastung des dilatanten Fluids bei vergleichbaren äußeren Drehmomenten
vermindern. Dasselbe wird durch die in Figur 4 dargestellte Anordnung erreicht,
in dem sich in einer z.B. quadratischen Gehäuseöffnung 18 ein kreiszylindrischer
Rotationskörper 17 dreht. Die kritischen und unterkritischen Schergeschwindigkeitsbereiche
15, 16 werden hier durch die Seitenflächen und Ecken der Gehäuseöffnung 18 erzeugt.
-
Die in Figur 5 und 6 dargestellte Anordnung entspricht der in Figur
1 beschriebenen Funktion bezüglich ihrer kritischen und unterkritischen Schergeschwindigkeitsbereiche
19, 20, wobei hier der exzentrisch drehende Kreiszylinder 23 gegenüber der Gehäuseöffnung
24 zusätzlich mit der Exzentrizität 22 gelagert ist. Damit wird auf einfachste Weise
eine über den Drehwinkel variable bzw.
-
periodisch veränderliche Kraft- oder Schubspannungsübertragung möglich.
Figur 6 zeigt den gegenüber Figur 5 sich durch eine 9O°-Drehung des Kreiszylinders
23 verengenden Scherspalt s.
-
Mit der in Figur 7 dargestellten Anordnung mit in radialer Richtung
angeordneten, kreiszylindrischen Scherflächenelementen 27, 28 läßt sich das übertragbare
Drehmoment vervielfachen bzw. die spezifische Scherbelastung des Fluids durch Erhöhung
der Anzahl der kritischen und unterkritischen Schergeschwindigkeitsbereiche 25,
26 stark vermindern. Es lassen sich die in Figur 1 bis 5 dargestellten Funktionen
und deren Vorteile hinsichtlich Einfachheit und
Abreißen der Oberflächenhaftung
verwirklichen. Bei hier drei rotierenden, z.B. konzentrisch drehenden und exzentrisch
gelagerten Scherflächenelementen 28 werden bei geeigneter Wahl ihrer Abmessungen
die unterschiedlichen Schergeschwindigkeitsbereiche verfünffacht.
-
Die in Figur 8 und 9 dargestellten Anwendungsbeispiele ermöglichen
die kontinuierliche Einstellung der Scherspaltgeometrie unter Beibehaltung der in
den Figuren 1 und 2 beschriebenen Funktionen und-Vorteile. In Figur 8 wird der Scherspalt
s gehäuseseitig durch Verstellen der Exzentrizitäten 34, 36 des Zwischenrings 35
verändert und in Figur 9 wellenseitig durch Verstellen der Exzentrititäten 42, 40
der Wellenbüchse 43.
-
Im Gegensatz zu den in Figur 7 in radialer Richtung vermehrten kritischen
und unterkritischen Schergeschwindigkeitsbereichen 25, 26 lassen diese sich auch
gemäß dem in Figur 10 dargestellten Beispiel in exialer Richtung anordnen. Dabei
wird ein über dem Umfang variabler Scherspalt s durch z.B. doppelkegelförmige und
zur Drehachse hin geneigten Scheiben 46 in einem z.B. zylinderförmigen Gehäuse 47
eingestellt. Es werden je Scheibe mindestens zwei kritische und unterkritische Schergeschwindigkeitsbereiche
44, 45 erzeugt.
-
In Figur 11 wird am Beispiel eines eingängigen Schraubenwendelrührers
50 in einem kreiszylindrischen Gehäuse 51 die räumliche Trennung von kritischem
und unterkritischem Schergeschwindigkeitsbereich durch den sich dabei bildenden,
räumlich nicht geschlossenen Scherspalt s realisiert.
-
Ein Abreißen der Schubspannungs- bzw. Drehmomentübertragung kann durch
geeignete Wahl der Rührergeometrie praktisch völlig verhindert werden.
-
Das in Figur 12 schematisch dargestellte Beispiel zeigt die Einstellung
kritischer und unterkritischer Schergeschwindigkeitsbereiche 52, 53 bei Translationsbewegungen.
-
Der in axialer Erstreckung variable Scherspalte s kann sowohl gehäuseseitig
56 als auch wellenseitig 57 mittels einzelner oder mehrerer Durchmesseränderungen
gebildet werden. Die Periodizität dieser Änderungen ist dem Scherverhalten des Fluids
anzupassen. Die Wellenabdichtungen befinden sich in unterkritisch beanspruchten
und damit niederviskosen Fluidbereichen, Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile
bestehen insbesondere darin, daß die Oberflächenhaftung und damit die Schubspannungsübertragung
bei Rotations- und/oder Translationsbewegungen mittels scherverdickender, sich in
einem räumlichen Scherspalt befindlichen, Fluide grundsätzlich verbessert bzw. ermöglicht
wird. Dies erlaubt die optimale Auslegung von Anwendungstechniken, wie z.B. Bremsen,
Kuppeln oder Dämpfen.
-
Desweiteren ist die einfache Geometrie und damit die kompakte und
wirtschaftliche Herstellung derartiger Scherflächenelemente zu nennen.
-
Weitere Vorteile sind die mit den Verfahren einstellbaren übertragungscharakteristiken
von Schubkräften bei Rotations- und/oder Translationsbewegungen wie z.B. Drehwinkelabhangigkeit,
Grenzwerteinstellung und Periodizität.
-
Zeichn.
-
Leerseite