DE4037134C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Antriebseinrichtung.

Aus dem JP-Abstract 1-2 42 804 A ist ein hydraulischer Antrieb bekannt, bei dem eine elektroviskose Flüssigkeit als hydraulische Flüssigkeit verwendet wird. Die hydraulische Flüssigkeit, die von einer externen Speisequelle stammt, wirkt auf ein Kolbenpaar aus gegenüberliegenden Kolben ein, mit denen eine Stange durch wechselseitiges Betätigen der Kolben in eine Pendelbewegung versetzt werden kann.

Um eine gezielte Ansteuerung des einen oder anderen Kolbens zu ermöglichen, sind in den Zuführungsleitungen zwischen der Speisequelle und den Kolben Ventile angeordnet, die wechselseitig geschlossen bzw. geöffnet werden können.

Jedes Ventil besteht aus einem Elektrodenpaar, das bei Anlegen einer elektrischen Spannung in der elektroviskosen Flüssigkeit zu einer Pfropfenbildung führt und dadurch den ungehinderten Durchfluß der Hydraulikflüssigkeit durch das Ventil hemmt. Der Zufluß zum Kolben erfolgt dann über die andere Zuführungsleitung, an dessen Elektroden keine elektrische Spannung anliegt.

Ferner ist aus der DE-OS 31 34 488 ein Hochgeschwindigkeitsantrieb mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Biegeelementen und einer elektrischen Steuereinrichtung zur Deformierung der Biegeelemente im Sinne der Erzeugung von elliptischen Deformationen bekannt. Durch eine Mehrzahl von Elektroden wird ein wanderndes Feld erzeugt, das zu einer umlaufenden Deformierung der Biegeelemente führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrohydraulische Antriebseinrichtung zu schaffen, die ein günstiges Leistungs-Gewichts-Verhältnis besitzt, große Verschiebewege zuläßt und selbst keine magnetischen Streufelder erzeugt.

Diese Aufgabe wird bei einer elektrohydraulischen Antriebseinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung nutzt als Antriebskraft die Eigenschaft einer elektroviskosen Flüssigkeit, nachfolgend abgekürzt EVF genannt, aus, unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes ihre Viskosität zu ändern. Eine solche EVF besteht z. B. aus Suspensionen oder Dispersionen feinverteilter hydrophiler Feststoffe in hydrophoben, elektrisch nicht leitenden Ölen, z. B. Alumosilikaten in Silikonöl. Im feldfreien Zustand ist die EVF dünnflüssig, während unter dem Einfluß eines hinreichend starken elektrischen Feldes die EVF zunehmend dickflüssig wird, da sich die Fest­ stoffteilchen zu festen Strukturen zusammenlagern.

In dem Bereich der EVF, der das elektrische Feld aufge­ prägt ist, bildet sich ein Propfen zusammenhaftender Feststoffteilchen aus, der für andere Teilchen bzw. Körper eine Bar­ riere bildet. Dieser Propfen kann durch ein wanderndes elektrisches Feld in seiner Gesamtheit verschoben werden, wenn dafür gesorgt ist, daß der zusammenhängende verfe­ stigte Bereich ständig erhalten bleibt. Die noch im flüssigen Zustand befindliche EVF-Säule wird vor dem verfestigten Bereich hergeschoben. Sie kann somit eine konventionelle Flüssigkeitsantriebseinrichtung antreiben.

Praktische Versuche haben ergeben, daß aus der elektri­ schen Leistung, die zum Aufbau des wandernden elektri­ schen Feldes benötigt wird, eine hohe mechanische Leistung resultiert. Der erfindungsgemäße Antrieb besitzt also einen hohen Wirkungsgrad. Angesichts des geringen spezifischen Gewichts der EVF sowie dem ebenfalls aus leichten Materialien herstellbaren Antriebsraum der Flüssigkeitsantriebseinrichtung ergibt sich so ein günstiges Leistungs-Gewichts-Verhältnis.

Weiterhin sind an den Wänden des Antriebsraumes mehrere elektrisch gegeneinander isolierte Elektrodenpaare angeordnet, an die eine sich zeitlich und örtlich ändernde Spannung anlegbar ist.

Die elektrisch gegeneinander isolierten Elektrodenpaare ermöglichen es, selektiv an beliebigen, sich jeweils quer durch den Antriebsraum erstreckenden Bereichen ein elektrisches Feld zu erzeugen. Durch das Anlegen einer sich zeitlich und örtlich ändernden elektrischen Spannung kann dieses Feld mit der gewünschten Geschwindigkeit in die gewünschte Richtung verlagert werden und so der gebildete Pfropfen in der EVF exakt gesteuert werden. Die Bewe­ gungsgeschwindigkeit des Pfropfens beeinflußt proportio­ nal die Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen EVF.

Vorzugsweise sind die Elektrodenpaare mit einer Spannungswelle beaufschlagt, die jeweils an einem Elektrodenpaar oder gleichzeitig an mehreren benachbarten Elektrodenpaaren anliegt und sich von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar ausbreitet. Möglich sind auch gleichzeitig mehrere, im Abstand aufeinander folgende Spannungswellen.

Auf diese Weise läßt sich der Pfropfen in der EVF bei seiner Wanderung durch den Antriebsraum ständig in einer Größe und Festigkeit halten, die ausreicht, die Flüssig­ keitssäule unter Abdichtung gegen die Wandung des Antriebsraumes zu verschieben. Bei mehreren, im Abstand aufeinander folgenden Spannungswellen besteht auch dann ein ständiger Kraftschluß mit der Flüssigkeitssäule, wenn sich ein am Ende des Antriebsraumes ankommender Pfropfen auflösen muß.

Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Spannung einen Maximalwert von ca. 4000 bis 10 000 Volt besitzt.

Das durch diese Spannung erzeugte elektrische Feld sorgt für eine schnelle Zustandsänderung der Viskosität beim Wechsel der EVF von der flüssigen zur festen Phase. Er ermöglicht aber auch eine schnelle Rückkehr zur flüssigen Phase bei Abklingen des Feldes. Die Größe der Spannung ist ferner so bemessen, daß Spannungsüberschläge sicher vermieden werden.

Bei der Art des aufgeprägten elektrischen Feldes bieten sich mehrere Möglichkeiten. Eine erste Variante sieht vor, daß das aufgeprägte elektrische Feld ein unidirek­ tional wanderndes Feld ist.

Die mit der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung erzielbaren Bewegungsmöglichkeiten lassen sich sehr flexibel gestalten und so den jeweiligen Anwendungsfällen anpassen. Bei dem unidirektional wandernden Feld kann eine kontinuierliche Strömung bei einer starren Kopplung mit dem wandernden elektrischen Feld erzielt werden. Auch eine Strömungsrichtungsumkehr und ein Abbremsen der Strömung sind möglich.

Bei einer zweiten Variante ist das aufgeprägte elektrische Feld ein hin und her wanderndes Feld.

Eine Antriebseinrichtung in dieser Ausgestaltung ermöglicht, die Drehrichtung periodisch zu ändern. Auch Pendelbewegungen sind möglich. Die starre Kopplung zwischen der Flüssigkeitssäule und dem wandernden elektrischen Feld ist auch hier vorhanden.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß die Flüssigkeitsantriebseinrichtung außerhalb des Antriebsraumes angeordnet und mit diesem über eine Strömungsleitung verbunden ist.

Dadurch kann die Flüssigkeitsantriebseinrichtung an der Welle das Drehmoment abgegriffen wird, auch örtlich getrennt vom Antriebsraum angeordnet werden.

In einer ersten Ausgestaltung ist die Flüssigkeitsantriebseinrichtung als Turbine ausgebildet.

Die Ausführung ermöglicht eine sehr reibungsarme Antriebsart bei hoher Ausgangsdrehzahl.

In einer zweiten Ausgestaltung ist die Flüssigkeitsantriebseinrichtung als Verdrängungsmotor ausgebildet.

Hier läßt sich eine starre Kopplung zwischen der treibenden Flüssigkeitssäule und der Drehbewegung der Antriebswelle der Flüssigkeitsantriebseinrichtung erzielen, woraus sich eine besondere Eignung für Positionierantriebe ergibt.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7 und sind in der, der weiteren Beschreibung erläutert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrohydraulische Antriebseinrichtung gemäß der Erfindung.

Die in der Zeichnung gezeigte elektrohydraulische Antriebseinrichtung umfaßt einen Antriebsraum 14, der mit einer elektroviskosen Flüssigkeit 10, abgekürzt EVF genannt, gefüllt ist. Der Antriebsraum 14 ist durch Wände 18 aus elektrisch nichtleitendem Material begrenzt. An den Wänden 18 sind mehrere elektrisch gegeneinander isolierte Elektrodenpaare 20, 22, 24, 26, 28, 30 angeordnet.

Die Elektrodenpaare 20, 22, 24, 26, 28, 30 sind mit einer Steuerschaltung 36 verbunden, die an sie eine sich zeitlich und örtlich ändernde elektrische Spannung U(t) anlegt. Diese Spannung U(t) erzeugt innerhalb des Antriebsraumes 14 ein wanderndes elektrisches Feld 16 oder auch mehrere wandernde elektrische Felder 16.

Die EVF 10 besteht aus Suspensionen oder Dispersionen feinverteilter hydrophiler Feststoffe in hydrophoben elektrisch nicht leitenden Ölen, z. B. Alumosilikaten in Silikonöl. Im feldfreien Zustand ist die EVF 10 dünnflüssig, während unter dem Einfluß des zwischen den spannungsbeaufschlagten Elektrodenpaaren 20, 22, 24, 26, 28, 30 befindlichen elektrischen Feldes 16 die EVF 10 zunehmend dickflüssig wird, da sich die Feststoffteilchen zu festen Strukturen zusammenlagern.

Es entsteht so ein Pfropfen 38 in der EVF 10, der bei entsprechend stark ausgeprägtem Feld 16, wie es bei einer Spannung in Höhe von maximal 4000 bis 10 000 Volt erreicht wird, den Querschnitt des Antriebsraumes 14 ausfüllt. Der Pfropfen 38 bildet dann für andere Teilchen bzw. Körper eine Barriere und kann durch ein wanderndes elektrisches Feld 16 in seiner Gesamtheit verschoben werden.

Durch die Steuerschaltung 36 können die Elektrodenpaare 20, 22, 24, 26, 28, 30 so angesteuert werden, daß das aufgeprägte elektrische Feld 16 ein unidirektional oder ein hin und her wanderndes Feld ist. Dabei kann die Ansteuerung mit einer Spannungswelle U(t) erfolgen, die jeweils an einem Elektrodenpaar 20; 22; 24 oder gleichzeitig an mehreren benachbarten Elektrodenpaa­ ren 20, 22; 22, 24 anliegt. Diese Spannungswelle U(t) breitet sich von Elektrodenpaar 20 zu Elektrodenpaar 22 und von dort weiter zu Elektrodenpaar 24 usw. aus, wie es in der Zeichnung durch den Amplitudenverlauf mit dem Richtungspfeil angedeutet ist.

Als Alternative kann die Ansteuerung auch mit mehreren aufeinanderfolgenden Spannungswellen U(t) erfolgen, die jeweils an einem örtlich auseinanderliegenden Elektrodenpaar 20; 26; oder gleichzeitig an mehreren benachbarten Gruppen örtlich auseinanderliegender Elektrodenpaare 20, 22; 22, 24; 26, 28; 28, 30 anliegt. Es ist besonders dann zweckmäßig, eine weitere Spannungswelle U(t) am Anfang 40 des Antriebsraumes 14 zu starten, wenn sich ein am Ende 42 des Antriebsraumes 14 ankommender Pfropfen 38 auflösen muß. Dadurch wird nämlich ein kontinuierlicher Kraftschluß der Flüssigkeitssäule vor dem Pfropfen 38 gewahrt.

Der Antriebsraum 14 ist an beiden Seiten 40, 42 über eine Strömungsleitung 32 mit einem Flüssigkeitsantriebseinrichtung 12 in Form einer Turbine verbunden. Die Antriebswelle 34 der Turbine ist wiederum mit einem nicht dargestellten anzutreibenden Objekt gekoppelt.

Die Wirkungsweise der elektrohydraulischen Antriebseinrichtung beruht auf dem folgenden Prinzip. In dem Bereich der EVF 10, dem gerade das elektrische Feld 16 aufgeprägt ist, bildet sich ein Propfen 38 zusammenhaftender Feststoffteilchen aus. Wenn nun das elektrische Feld 16 wandert und währenddessen der verfestigte Bereich in der EVF 10 ständig erhalten bleibt, wird die noch im flüssigen Zustand befindliche EVF-Säule vor dem verfestigten Bereich hergeschoben. Diese EVF-Säule tritt am Ende 42 des Antriebsraumes 14 in die Strömungsleitung 32 ein, durchströmt die Flüssigkeitsantriebseinrichtung 12, der Antriebswelle 34 darauf in Drehung versetzt wird, und gelangt an der anderen Seite 40 wieder in den Antriebsraum 14 zurück. Die Reaktionskraft, die die verdrängte EVF-Säule auf den Pfropfen 38 ausübt, wird durch das elektrische Feld 16 aufgefangen, das den Pfropfen 38 in Position hält.

Durch ein in eine Richtung wanderndes Feld 16 gelingt es daher, die EVF-Säule zu einer stetigen Strömungsbewegung innerhalb des Antriebsraumes 14 zu veranlassen. Ein in die entgegengesetzte Richtung wanderndes Feld 16 bewirkt, daß auch die EVF-Säule ihre Strömungsrichtung umkehrt.

Über die Flüssigkeitsantriebseinrichtung 12 wird mechanische Arbeit verrichtet, die über der Antriebswelle 34 auf ein angetriebenes Objekt übertragen werden kann. Dabei besteht so lange, wie das elektrische Feld 16 den Pfropfen 38 in Position halten kann, eine starre Kopplung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit der EVF-Säule und der Wanderungsgeschwindigkeit des elektrischen Feldes 16.

Die in der Zeichnung dargestellten Elektroden können als Platten ausgebildet sein.

Claims (7)

1. Elektrohydraulische Antriebseinrichtung mit einem eine elektroviskose Flüssigkeit (10) enthaltenden Antriebsraum (14) und einer von der elektroviskosen Flüssigkeit (10) durchströmten Flüssigkeitsantriebseinrichtung (12), wobei über mehrere an den Wänden des Antriebsraumes (14) angeordnete, elektrisch gegeneinander isolierte Elektrodenpaare (20, 22, 24; 26, 28, 30) durch eine Steuerschaltung (36) eine sich zeitlich und örtlich ändernde elektrische Spannung (U(t)) derart anlegbar ist, daß der elektroviskosen Flüssigkeit (10) im Antriebsraum (14) ein wanderndes elektrisches Feld (16) aufgeprägt wird und durch einen Pfropfen (38) der im elektrischen Feld (16) verfestigten elektroviskosen Flüssigkeit (10) die übrigen, im flüssigen Zustand verbleibende Säule der elektroviskosen Flüssigkeit (10) verschoben wird und die Flüssigkeitsantriebseinrichtung (12) angetrieben wird.

2. Elektrohydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare (20, 22, 24, 26, 28, 30) durch die Steuerschaltung (36) mit einer Spannungswelle (U(t)) oder mehreren, im Abstand aufeinanderfolgenden Spannungswellen (U(t)) beaufschlagt sind, die jeweils an einem örtlich auseinander liegenden Elektrodenpaar (z. B. 20; 26) oder gleichzeitig an mehreren der benachbarten Elektrodenpaare (20, 22, 24; 26, 28, 30) anliegt bzw. anliegen und sich von Elektrodenpaar (20; 26) zu Elektrodenpaar (22; 28 usw.) ausbreitet bzw. ausbreiten.

3. Elektrohydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgeprägte elektrische Feld (16) ein unidirektional wanderndes Feld ist.

4. Elektrohydraulische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgeprägte elektrische Feld (16) ein hin und her wanderndes Feld ist.

5. Elektrohydraulische Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsantriebseinrichtung (12) außerhalb des Antriebsraumes (14) angeordnet und mit diesem über eine Strömungsleitung (32) verbunden ist.

6. Elektrohydraulische Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsantriebseinrichtung (12) als Turbine ausgebildet ist.

7. Elektrohydraulische Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsantriebseinrichtung (12) als Verdrängungsmotor ausgebildet ist.