DE3806055A1

DE3806055A1 - Maschinenelement

Info

Publication number: DE3806055A1
Application number: DE19883806055
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Eidenschink
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1989-09-07

Description

Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement aus mit veränderbarer Reibungskraft gegeneinander beweglichen festen Körpern unter Verwendung von thermotropen flüssigen Kristallen.

Die Bewegungen fester Körper innerhalb von Maschinen sowie die Bewegung einer Maschine gegenüber einer festen Unterlage werden mitbestimmt durch die Reibung, die zwischen den beteiligten Körpern jeweils anzusetzen ist. Dabei ist grundsätzlich zu unterscheiden, ob die Körper aufeinander gleiten oder aufeinander abrollen. Die Größe der Gleitreibung ist davon abhängig, ob die Körper direkt aufeinander gleiten oder vollständig durch ein Schmiermittel voneinander getrennt sind. Im ersten Fall spricht man von trockener, im zweiten von flüssiger Reibung. Eine sog. halbflüssige Reibung tritt auf, wenn der Schmierfilm nicht vollständig ausgebildet ist. Gleitreibung erfolgt grundsätzlich auch in Wälzlagern zwischen den abrollenden Wälzkörpern und ihren Führungselementen. Es ist elementar, die Reibungsverluste in Lagern durch die Wahl eines geeigneten Schmiermittels gering zu halten. Es sind heute eine Vielzahl flüssiger Schmierstoffe - zumeist sind es organische Verbindungen - in Gebrauch. Ebenso elementar ist es durch Auswahl der Werkstoffe für eine hohe Reibungkraft zu sorgen, wenn ein Kupplungs- oder Bremsvorgang ermöglicht werden soll.

Seit etwa 40 Jahren gibt es Bemühungen, die Viskosität von Schichten aus kolloidalen Lösungen zwischen festen Körpern durch ein angelegtes elektrisches Feld zu verändern. So ist es beispielsweise möglich, zwischen einer weitgehend reibungsverlustfreien Bewegung und einer Brems- bzw. Kupplungswirkung zu entscheiden. Diese Arbeiten werden unter dem Begriff Elektrorheologie zusammengefaßt (J. E. Stangroom, Electrorheological Fluids, Phys. Technol., Bd. 14, S. 290-296 (1983)).

Manche organischen Verbindungen gehen beim Erwärmen nicht direkt von der kristallinen in die isotrop-flüssige Phase über, sondern durchlaufen innerhalb eindeutig begrenzter Temperaturbereiche eine oder mehrere zusätzliche Phasen. Diese Phasen haben anisotrope physikalische Eigenschaften, wie es bei Kristallen beobachtet wird, lassen sich aber zugleich wie gewöhnliche isotrope Flüssigkeiten bewegen. Die von länglich geformten Molekülen gebildeten Phasen werden auch als rod-like oer calamitische Phasen bezeichnet. Anders als in der völlig ungeordneten isotropen Phase herrscht hier eine Fernordnung der Orientierung.

In den nematischen Phasen bisher bekannter niedermolekularer Verbindungen können die Moleküle frei um ihre Längsachse rotieren. Eng verwandt mit der nematischen ist die cholesterische Phase, die von optisch aktiven langgestreckten Molekülen gebildet wird oder die durch Zugabe von optisch aktiven Verbindungen zu nematischen Verbindungen erhalten wird. Für die vorliegende Erfindung sind cholesterische Phasen im Begriff der nematischen Phase eingeschlossen. Durch intermolekulare Wechsel wirkungen können parallel ausgerichtete stäbchenförmige Moleküle zu Schichten zusammengefügt und diese mit jeweils gleichen Abständen im Raum angeordnet werden. Diese Schichtstruktur ist typisch für die smektischen Phasen. Es können verschiedene smektische Phasen auftreten, die sich durch die Anordnung ihrer Bausteine innerhalb der Schichten unterscheiden. Die Schwerpunkte der Moleküle innerhalb einer Schicht können statistisch (z. B. bei der S _A- und S _C- Phase) oder regelmäßig (z. B. bei der S _B-Phase) angeordnet sein. Die Bezeichnung der Phasen erfolgte etwa in der Reihenfolge ihrer Entdeckung. Man kennt heute die smektischen Phasen S _A bis S _K. Die Merkmale solche calamitischer Phasen sind beschrieben (G. W. Gray, J. W. Goodby, Smectic Liquid Crystals, Leonard Hill, Glasgow, 1984).

Flüssigkristalline Phasen können auch von tellerförmigen Verbindungen gebildet werden (sog. discoide Phasen). Die discoid-nematische Phase hat dabei die am einfachsten zu beschreibende Molekülanordnung. In den sog. discoid-columnaren Phasen sind solche Moleküle durch intermolekulare Wechselwirkungen in säulenähnlichen Anordnungen zusammengefaßt. Die Merkmale diskotischer Phasen sind beschrieben in Mol. Cryst. Liq. Cryst. 106, 121 (1984). Seit kurzem sind Verbindungen bekanntgeworden, die sog. phasmidische Phasen, ebenfalls thermotrope flüssigkristalline Phasen, bilden (J. Malthete et al., J. Phys. (Paris) Lett., Bd. 46, 875 (1985)). Thermotrope flüssigkristalline Phasen werden auch von Polymeren und ihren Mischungen mit niedermolekularen Verbindungen gebildet (H. Finkelmann in Thermotropic Liquid Crystals, John Wiley & Sons, New York 1987, S. 145-170). Die Ausnutzung der günstigen Viskosität einer einzigen Phase für die Laufwerke von Uhren wurde bereits beschrieben (EP 00 92 682).

Herkömmliche Schmierstoffe sind zur Steuerung der Reibungskraft zwischen zwei gegeneinander beweglichen festen Körpern wenig geeignet, weil keine einfache Möglichkeit bekannt ist, durch Einwirkung eines äußeren Einflusses ihre Viskosität schnell und reversibel zu verändern. Auch die elektrorheologischen Flüssigkeiten sind bisher nicht einsetzbar, weil sie zur Sedimentation neigen. Ferner unterliegen die bewegten Maschinenteile einem Abrieb. Allgemein ist die Realisierung hoher elektrischer Feldstärken zwischen beweglichen, elektrisch leitenden Maschinenteilen ohne Kurzschlüsse nicht einfach.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in technisch einfacher Weise die Änderung der zwischen zwei gegeneinander bewegten festen Körpern wirksamen Reibungskraft zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß zwischen die gegeneinander beweglichen Körper eines Maschinenelements eine thermotrope flüssigkristalline Masse oder eine zur Ausbildung einer oder mehrerer thermotroper flüssigkristalliner Phasen befähigte Masse gebracht wird und durch Erniedrigung der Temperatur der Masse ein Übergang von einer isotropen in eine thermotrope flüssig kristalline Phase oder von einer thermotropen flüssigkristallinen Phase in eine andere thermotrope flüssigkristalline Phase bzw. durch Erhöhung der Temperatur ein Übergang in umgekehrter Abfolge der Phasen herbeigeführt wird. Erschwert wird die Aufgabe dadurch, daß die sich in komplizierter Weise strömenden, anisotropen Medien einstellenden Reibungskräfte nicht vorausberechenbar sind und nicht angebbar ist, welche der zahlreichen Viskositätskoeffizienten ausschlaggebend sind.

Es wurde überraschend gefunden, daß sich erfindungsmäßige Vor richtungen mit Verbindungen oder Mischungen von Verbindungen mit einem Phasenübergang von einer isotropen zu einer smektischen Phase verwirklichen lassen. Hier sind die Übergänge isotrop-S _B, isotrop-S _A und isotrop-S _C bevorzugt. Besonders bevorzugt ist der Übergang isotrop-S _B.

Es wurde ferner gefunden, daß sich erfindungsmäßige Vorrichtungen mit Verbindungen und Mischungen von Verbindungen mit einem Phasen übergang von der nematischen in eine smektische Phase realisieren lassen. Bevorzugt sind Phasenübergänge nematisch-S_B und nematisch- S_A. Besonders bevorzugt sind Verbindungen oder Mischungen mit einem Phasenübergang nematisch-S_B.

Es wurde auch überraschend gefunden, daß sich erfindungsgemäße Vorrichtungen mit Verbindung oder Mischungen von Verbindungen mit Phasenübergängen zwischen verschieden geordneten smektischen Phasen herstellen lassen. Bevorzugt sind die Übergänge S_B-S_A und S_C-S_A. Besonders bevorzugt ist der Phasenübergang S_B-S_A.

Eingeschlossen in der vorliegenden Erfindung sind Vorrichtungen, die sich die mehrfach abgestufte Änderung der Reibungskraft zunutze machen, wenn bei steigender oder fallender Temperatur in der fluiden Schicht mehrere Phasenumwandlungen hintereinander durchlaufen werden. Durch Auswahl der eingesetzten Verbindungen und die Wahl ihrer Anteile in Mischungen können Phasenfolge und Temperaturinter valle der Phasen in weiten Temperaturbereichen eingestellt werden. Bevorzugte Phasenabfolgen sind N-S_A-S_B, I-S_A-S_B, N-S_C-S_B, I-S_C-S_B, I-S_A-S_C-S_B, N-S_A-S_C-S_B und N-S_A-S_C-S_G. Besonders bevorzugte Phasenab folgen sind N-S_A-S_B, I-S_A-S_B und N-S_A-S_C-S_B.

Ebenfalls eingeschlossen in der vorliegenden Erfindung sind Vor richtungen, deren fluide Schichten aus Verbindungen oder Mischungen aus Verbindungen bestehen, die sog. Reentrant-Phasen bilden, also bei Temperaturerhöhung z. B. die Phasenabfolge N-S_A-N oder I-S_A-N durchlaufen, wobei der Existenzbereich z. B. der S_A-Phase oberhalb des Temperaturintervalls einer nematischen Phase liegt. Die Existenz solcher Flüssigkristalle ist beschrieben (L. Longa, W. H. de Jeu, Phys. Rev. A26, 1632 (1982)).

Es wurde ebenfalls gefunden, daß sich erfindungsgemäße Vorrichtungen herstellen lassen, wenn die zwischen zwei gegeneinander beweglichen Körper befindliche fluide Schicht aus Verbindungen oder Mischungen von Verbindungen besteht, die einen Phasenübergang von einer isotropen oder discoid-nematischen Phase zu einer discoid-columnaren Phase haben. Bevorzugt sind dabei Verbindungen oder Mischungen mit Übergängen von einer isotropen zu einer discoid-columnaren Phase.

Günstig für die Anwendung von flüssigen Kristallen in dem erfindungs mäßigen Maschinenelement ist die Tatsache, daß die Übergänge zwischen verschiedenen flüssigkristallinen Phasen sowie zwischen flüssigkristallinen Phasen und der isotropen Phase mit nur geringen zeitlichen Verzögerungen erfolgen. Metastabile Phasen durch Unter kühlung, wie sie beim Übergang von der flüssigen zur kristallinen Phase nichtmesomorphe Verbindungen auftreten, können also aus geschlossen werden, wenn die Anordnung oberhalb der Kristalli sationstemperatur betrieben wird. Diese Temperatur kann durch Verwendung von eutektischen oder nichteutektischen Mischungen von Verbindungen mit flüssigkristallinen Phasen ausreichend tief eingestellt werden. Ein weiterer günstiger Aspekt ist, daß bei den Phasenübergängen isotrop-flüssigkristallin oder flüssigkristallin- flüssigkristallin im Vergleich zu den Schmelzenthalpien nur geringe Übergangsenthalpien anzusetzen sind.

Die Wahl der Wärmezu- bzw. Wärmeabfuhr hängt von der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb einer Maschine ab. Die Übertragung von Wärmeenergie auf die fluide Schicht kann durch Konvektion mittels einer Flüssigkeit oder einem Gas erfolgen. Möglich ist ferner die Wärmezufuhr durch elektrische Widerstands heizung, durch elektromagnetische Wellen, wenn mindestens einer der gegeneinander beweglichen Körper transparent ist, oder durch ein elektrisches Wechselfeld zwischen zwei elektrisch leitenden Körpern erfolgen. Die Abführung von Wärmeenergie aus der fluiden Schicht kann durch eine Kühlflüssigkeit oder ein Gas erfolgen. Auch die Abführung durch Wärmestrahlung allein ist möglich. Darüber hinaus kann in besonderen Fällen Wärmeenergie durch Peltier- Elemente abgeführt werden.

Wird in der unterhalb der jeweiligen Umwandlungstemperatur befind lichen Schicht ausreichende Reibungswärme erzeugt und dabei für eine schlechte Wärmeabführung gesorgt, so erfolgt die Phasen umwandlung ohne Heizung.

Die in der flüssigkristallinen Masse eines erfindungsmäßigen Maschinenelements auftretenden Reibungskräfte hängen von der Ausrichtung der Moleküle gegenüber der Richtung der Bewegung der festen Körper des Elementes ab. Diese Ausrichtung kann durch Vorbehandlung der Körperoberflächen durch Reiben in einer Vorzugs richtung oder durch Aufbringen einer dünnen Schicht aus einem organischen oder anorganischen Material beeinflußt werden.

Das erfindungsmäßige Maschinenelement kann als Kupplung, Bremse, mechanische Überlastungssicherung, hydraulisches Dämpfungselement oder Element zur hydraulischen Kraftübertragung (die beiden letzteren Maschinenelemente lassen sich unter dem Begriff hydraulische Vorrich tung zusammenfassen) verwendet werden. Ebenso ist eine Verwendung als Gleitlager mit einer für den vorgesehenen Anwendungszweck einstellbaren Abhängigkeit der Verlustreibung von der Temperatur möglich. Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Einsparung von mechanischer Energie, weil bei niederen Drehfrequenzen in einem Radial- oder Axiallager eine hohe effektive Viskosität und somit eine niedrigere Übergangsdrehfrequenz n _ü von der halbflüssigen Reibung zur flüssigen Reibung gewählt werden kann. Wird die Drehfrequenz erhöht, so kann die Temperatur durch die Reibungswärme allein oder durch zusätzliche Zuführung von Wärmeenergie so weit angehoben werden, daß ein Übergang zu einer Phase mit einer niedri geren effektiven Viskosität erfolgt. Die Zusammenhänge zwischen Reibungsverlust, Viskosität und n _ü sind bekannt (R. Stribeck, VDI- Zeitschr. Bd. 46, S. 1341 (1902)).

Die vorliegende Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Herbeiführung einer Änderung der zwischen zwei gegeneinander bewegten festen Körpern wirksamen Reibungskraft. Ein erfindungsmäßiges Ma schinenelement zeichnet sich durch einen einfachen und störungs unanfälligen Aufbau aus und benötigt keine, den Verschleiß fördernde kolloidale Lösungen. Ferner läßt sich mit ihm eine beträchtliche Energieeinsparung erzielen.

Beispiel 1

Ein hydraulischer Dämpfer, bestehend aus einem oben und unten in der in Fig. 1 gezeigten Weise begrenzten Zylinder (1) mit einem lichten Durchmesser von 10 mm und einem in der aufgeschraubten kreisringförmigen Abdeckung (2) sowie an der Zylinderwand geführten 8 mm langen Kolben (3), der zwei die beiden Zylinderräume verbindende Bohrungen (4) von je 0,5 mm Durchmesser hat, wird fast vollständig mit der Verbindung

die eine Übergangstemperatur von der S_A - zur isotropen Phase von 53,5°C hat, in ein Wasserbad gestellt, das den Zylinder mit Inhalt auf einer Temperatur von 51°C hält. In der Stellung des oberen Anschlages wird der Kolben mit einer das Gewicht des Kolbens und der Führungsstange einschließenden Gesamtkraft von 2,0 N bewegt. Für den 30 mm langen Kobenweg wird eine Zeit von 175 s benötigt. Wird die Temperatur der Anordnung auf 56°C gesteigert, werden 4,2 s gemessen.

Die Dämpfungskonstanten der Vorrichtung haben demnach folgende Werte:
bei 51°C 1,2 · 10⁴ Ns/m
bei 56°C 2,8 · 10² Ns/m.

Beispiel 2

Eine Kegelschliffhülse (1) und ein dazu passender Schliffkern (2), beide aus Duranglas (Normbezeichnung NS 29/32, DIN 12 249), sind die wesentlichen Teile einer erfindungsmäßigen Kupplung (Fig. 2). Die Hülse ist fest mit einer Hebevorrichtung (3) in Fig. 2 nicht näher ausgeführt) verbunden, deren rotierende Teile ein Trägheitsmoment von 2,5 · 10^-4 kgm² haben und deren zu überwindendes Drehmoment 0,32 Nm beträgt. Der Kern ist Teil einer waagerecht liegenden, einseitig verschlossenen hohle Welle (4) aus 2 mm starkem Duranglas, die in zwei Lagern (5) geführt und über ein Transmissionsband (6) durch einen Motor (6) ausreichender Leistung angetrieben werden kann. Vor Inbetriebnahme werden die getrennten Schliffelemente mit heißer Luft auf etwa 80°C erwärmt und über die Fläche des Kerns 0,10 g der Verbindung

mit einem Phasenübergang von smektisch B nach nematisch bei 24°C gleichmäßig verteilt, so daß sich beim Schieben in die Hülse unter Anwendung einer geringen Andrückkraft (0,5 bis 1 N) eine luftblasen freie Schicht der organischen Verbindung bildet. Hierauf wird der Motor eingeschaltet und die Welle mit 10 Hz gedreht. Der Phasenüber gang von nematisch nach smektisch wird dadurch herbeigeführt, daß durch eine in Fig. 2 skizzierte seitliche Zuführung (8) kurzzeitig Kühlwasser aus einem Reservoir (9) mit einer Temperatur, die im Sinne einer schnellen Wärmeabführung wenigstens 6°C unterhalb der Übergagstemperatur liegt, mit einer ausreichenden Strömungs geschwindigkeit eingespeist wird. Die Drehbewegung der Hebevorrichtung mit einer Frequenz von 10 Hz erfolgt nach einer Totzeit von weniger als 10 s innerhalb einer Beschleunigungszeit von weniger als 5 s. Eine Entkuppelung erfolgt durch Einspeisen von Wasser aus einem Reservoir (10) mit einer Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur über einen Dreiwegehahn (11) · (12) ist eine Auffangrinne.

Beispiel 3

Die Anordnung des Beispiels 2 wird in der dort beschriebenen Weise mit der Verbindung

betrieben, die eine Übergangstemperatur von smektisch B nach smektisch A von 49°C hat. Auch hier kann durch Änderung der fluiden Schicht und einem damit verbundenen Phasenübergang zwischen einer Kupplung und einem Freilauf gewählt werden.

Beispiel 4

betrieben, die einen Übergang von einer discoid-columnaren zu einer isotropen Phase bei 66°C hat. Auch hier kann durch Änderung der Temperatur der fluiden Schicht und einem damit verbundenen Phasenübergang zwischen Kupplung und Freilauf gewählt werden.

Beispiel 5

Ein Radiallager besteht aus einer polierten Messingwelle (Durchmesser 15 mm) und einer thermostatisierbaren, ungeteilten Lagerschale aus Messing (tragende Lagerbreite 100 mm). Das Lagerspiel beträgt 0,07 mm, die Belastung des Lagers während des Betriebs beträgt 5,0 N. Auf die Gleitflächen wird etwas Lecithin gegeben, das mit Wolle zu einer dünnen gleichmäßigen Schicht verrieben wird. Darauf hin wird das erwärmte Lager in eine zusammenhängende Schicht der Verbindung

mit einem Übergang von einer smektischen A Phase zu einer nematischen Phase bei 78°C eingebettet. Bei einer Drehfrequenz von 10 Hz und einer Temperatur des Lagers von 73°C ergibt sich eine Reibungszahl μ von 0,15, bei 81°C und gleicher Drehfrequenz wird ein μ von von 0,007 gemessen. μ wird in allgemeinen bekannter Weise durch das Drehmoment bestimmt, das aufgewendet werden muß um die Bewegung mit einer bestimmten Drehfrequenz aufrechtzuerhalten.

Claims

1. Maschinenelement aus mit veränderbarer Reibungskraft gegen einander beweglichen festen Körpern, die voneinander durch eine thermotrope flüssigkristalline Masse oder eine zur Ausbildung einer oder mehrerer thermotroper flüssigkristalliner Phasen befähigte Masse getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erniedrigung der Temperatur der Masse ein Übergang von einer isotropen in eine thermotrope flüssigkristalline Phase oder von einer thermotropen flüssigkristallinen Phase in eine andere thermotrope flüssigkristalline Phase bzw. durch Erhöhung der Temperatur ein Übergang von einer thermotropen flüssigkristallinen Phase in eine isotrope Phase oder von einer thermotropen flüssigkristallinen Phase in eine andere thermotrope flüssigkristalline Phase herbeigeführt wird.

2. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erniedrigung oder Erhöhung der Temperatur ein Übergang zwischen einer isotropen und einer smektischen B Phase herbeigeführt wird.

3. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erniedrigung oder Erhöhung der Temperatur ein Übergang zwi schen einer isotropen und einer smektischen A Phase herbeigeführt wird.

4. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erniedrigung oder Erhöhung der Temperatur ein Übergang zwischen einer nematischen und einer smektischen B Phase herbeigeführt wird.

5. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erniedrigung oder Erhöhung der Temperatur ein Übergang zwi schen einer nematischen und einer smektischen A Phase herbeigeführt wird.

6. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erniedrigung oder Erhöhung der Temperatur ein Übergang zwi schen einer smektischen A und einer smektischen B Phase herbeigeführt wird.

7. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erniedrigung oder Erhöhung der Temperatur ein Übergang zwischen einer isotropen und einer discoid-columnaren Phase herbeigeführt wird.

8. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erniedrigung oder Erhöhung der Temperatur ein Übergang zwischen einer discoid-nematischen und einer discoid-columnaren Phasen herbeigeführt wird.

9. Verwendung eines Maschinenelements nach Anspruch 1 bis 8 als Kupplung.

10. Verwendung eines Maschinenelements nach Anspruch 1 bis 8 als Bremse.

11. Verwendung eines Maschinenelements nach Anspruch 1 bis 9 als hydrau lische Vorrichtung.

12. Verwendung eines Maschinenelements nach Anspruch 1 bis 8 als Gleitlager.