DE4122360C2

DE4122360C2 - Hydraulisches System mit elektrorheologischem Fluid

Info

Publication number: DE4122360C2
Application number: DE19914122360
Authority: DE
Inventors: Michael Stoppert
Original assignee: Metzeler Gimetall AG
Current assignee: Metzeler Gimetall AG
Priority date: 1991-07-05
Filing date: 1991-07-05
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2011-07-06
Also published as: DE4122360A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches System mit einem elektrorheologischen Fluid in einem Strömungs kanal, der zumindest teilweise zwischen und im wesentli chen parallel zu Elektroden verläuft, an welche eine elektrische Spannungsdifferenz zum Steuern der Viskosi tät des Fluids anlegbar ist.

Ein solches System ist beispielsweise aus EP 0 137 112 A2 in Form eines hydraulisch dämpfenden Zweikammer-Motor lagers insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen bekannt. Darin stehen zwei Kammern, die gummielastische Wände aufweisen und flüssigkeitsgefüllt sind, über einen in einer starren Zwischenplatte vorgesehenen Strömungs kanal hydraulisch miteinander in Verbindung. Zur Ausge staltung als sog. aktives Lager mit schneller Anpassung an wechselnde Betriebsbedingungen sind die Kammern mit einer elektroviskosen Flüssigkeit (einem elektrorheo logischen Fluid) gefüllt, deren Viskosität gesteuert wird, indem an den Strömungskanal ein elektrisches Feld quer zur Strömungsrichtung angelegt wird. Geeignete elektrorheologische Flüssigkeiten sind in der genannten Druckschrift offenbart.

Eine Schwierigkeit bei derartigen elektrohydraulischen Lagern besteht darin, die zum Anlegen des elektrischen Feldes bestimmten Elektroden am Strömungskanal in einer Weise zu befestigen, die sowohl eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit als auch eine genügend hohe elek trische Durchschlagsfestigkeit bietet und dazu noch chemische Beständigkeit gegen die elektrorheologischen Medien gewährlei stet. Zudem müssen die Elektroden auch noch elektrisch ange schlossen werden.

Diese Kombination von Forderungen ist technisch äußerst an spruchsvoll. Die hydraulischen Systeme, um die es sich im vor liegenden Fall handelt, werden in Stoßdämpfern, Motorlagern und anderen stark beanspruchten Bauteilen unter hohen Zuverlässig keitsanforderungen eingesetzt. Letztere werden durch die im Stand der Technik vorgeschlagenen Isoliermaterialien (DE 40 05 889 A1: Kunststoff, Keramik; DE 34 33 797 C2: PTFE, Polyäthy len; DE 37 31 024 A1: Kunstharz, Keramik) nicht in ihrer Ge samtheit hinreichend erfüllt. Zum Beispiel wird auf die Sprö digkeit (Bruchanfälligkeit) keramischer Werkstoffe hingewiesen.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines gattungsge mäßen hydraulischen Systems, bei dem die Elektroden in einer Weise befestigt werden, daß sowohl eine hohe mechanische Fe stigkeit als auch eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und chemische Beständigkeit gewährleistet ist.

Die geforderte Qualität der Anordnung von Elektroden und ande ren Systemteilen wird in gattungsgemäßen hydraulischen Systemen dadurch erreicht, daß wenigstens eine der Elektroden mittels eines oder mehrerer Halteelemente aus Faserverbundwerkstoff be festigt ist und daß der Faserverbundwerkstoff zumindest eine Schicht mit hoher elektrischer Leitfähigkeit auf oder zwischen Schichten mit hohem Isolationswert besitzt.

Durch die Haltelemente aus Faserverbundwerkstoff wird in vor teilhafter Weise eine weitgehend starre Aufhängung oder Abstüt zung von Elektrodenanordnungen und Systemteilen in hydrauli schen System, die mit elektrorheologi schen Fluiden betrieben werden, erzielt. Neben der hohen und temperaturstabilen spezifischen Festigkeit in mecha nischer Hinsicht - auch gegenüber dynamischer Ermüdung - ist die hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit als Vor teil festzuhalten; Durchschlagsfeldstärken größer als 10 kV/mm sind möglich. Gleichzeitig sind die dielektri schen Verluste gering, da die relative Dielektrizitäts konstante unter 5 liegt. Ferner weisen Halteelemente aus Faserverbundwerkstoff eine gute chemische Beständigkeit gegen elektrorheologische Fluide auf.

Zur Erzielung elektrisch leitfähiger Anschlußelemente werden die Schichten mit hoher elektrischer Leitfähig keit, insbesondere aus Kohlefasern, Metallfasern oder Fasern aus organischem Polymer, in Schichten mit hohem Isolationswert eingebettet oder auf diese aufgebracht. Ergänzend oder alternativ können als weitere Möglichkei ten zur Herstellung elektrischer Verbindungen die elek trisch leitfähigen Schichten aus Dispersionen von elek trisch leitfähigen Pulvern, wie Kohlenstoff oder Metall (z. B. Silber), auf Schichten aus Fasern mit hohem Isola tionswert aufgebracht oder in diese eingebettet werden. Vorteilhaft können auch metall- (z. B. kupfer-)kaschierte Faserverbundplatten verwendet werden, wobei die Metall beschichtung mit bekannten Verfahren (z. B. Ätzung) teil weise entfernt werden kann, um stromleitende Bahnen zu erhalten, über welche die Elektroden oder andere System teile mit elektrischen Bauteilen, insbesondere mit inte grierten Schaltkreisen, beschaltet werden können. Auch können solche Bauteile im Faserverbundwerkstoff einge bettet werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform be steht beispielsweise darin, daß Sensoren - etwa Deh nungsmeßstreifen - zum Registrieren des aktuellen hy draulischen Arbeitspunkts fest mit dem jeweiligen Halte element verbunden werden können, wo sie gegen äußere me chanische Beschädigungen und elektrische Fremdein wirkungen geschützt sind. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die elektronischen Bauteile in räumlicher Nähe zueinander angebracht sind, wodurch gegenüber herkömmlicher elektrischer Beschaltung der elektronische Störabstand erhöht wird.

Halteelemente aus Faserverbundwerkstoff bieten alle ge forderten Eigenschaften in Kombination und geben damit dem Fachmann einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Gestaltung der Elektroden und ihrer Befestigung und da mit auch bei der Gestaltung des hydraulischen Systems als Ganzem.

Vorteilhaft sind die verstärkenden Fasern der Faserver bundteile ausgewählt aus an sich bekannten elektrisch isolierenden Fasern mit einem Elastizitätsmodul über 5000 N/mm², vorzugsweise über 7000 N/mm², insbesondere Glasfasern (Aramid) oder anderen organischen Hochmodul fasern. Als Bindemittel kann Reaktionsharz oder thermo plastisches Harz verwendet werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a und 1b im Schnitt bzw. in der Draufsicht ein hy draulisches System mit einem ringspaltförmigen Strömungskanal und einer Tragstege aufweisenden Elektroden-Trägerplatte aus Faserverbundwerkstoff;

Fig. 2a und 2b im Schnitt bzw. in der Draufsicht eine Faserverbundplatte gemäß Fig. 1, mit aufgebrachten elektrischen Leiterbahnen und Bauteilen;

Fig. 3a und 3b im Schnitt bzw. in der Draufsicht eine Faserverbundplatte gemäß Fig. 1, mit eingebetteten elektrischen Leiterbahnen und Bauteilen;

Fig. 4a und 4b im Schnitt bzw. in der Draufsicht ein hy draulisches System mit einem ringspaltförmigen Strömungskanal und einer zylindrischen Innenelek trode, welche durch Halteplättchen aus Faserver bundwerkstoff gehaltert ist; und

Fig. 5 im Schnitt ein hy draulisches System mit einem Strömungskanal für elektroviskose Flüssigkeit, in dem ein Tauchzylin der aus Faserverbundwerkstoff verschiebbar angeord net ist.

Fig. 1a und 1b zeigen im Schnitt bzw. in der Draufsicht ein hydraulisches System mit einem ringspaltförmigen Strömungskanal 1, der zwischen einer zylindrischen (oder alternativ hohlzylindrischen) Innenelektrode 2 und einer hohlzylindrischen Außenelektrode 3 liegt. Durch Anlegen einer Spannungsdifferenz an die Elektroden 2 und 3 kann die Viskosität eines elektrorheologischen Fluids gesteu ert werden, das etwa auf seinem Weg von einer oberen Kammer in eine untere Kammer oder umgekehrt den Strö mungskanal 1 durch Durchlaß- oder Düsenschlitze 6 pas siert.

Im vorliegenden Beispiel ist die Innenelektrode 2 mit tels eines Halteelements 4 - hier einer im wesentlichen scheibenförmigen, aber durchbrochenen Faserverbundplatte - gehaltert, indem diese Platte in einer Ringnut der Außenelektrode 3 liegt und dort durch einen Halte ring 5 festgelegt ist, wobei mehrere Tragstege 7 einen äußeren ringförmigen Teil der Faserverbundplatte mit einem inneren scheibenförmigen Teil der Faserverbund platte 4 verbinden und dabei den Ringspalt 1 zwischen Außenelektrode 3 und Innenelektrode 2 überbrücken, die sen aber zum überwiegenden Teil freilassen, um die Durchlaß- oder Düsenschlitze 6 zu bilden. Die Innenelek trode 2 kann durch eine einzige Faserverbundplatte an der Außenelektrode 3 befestigt sein, z. B. durch Klebung, Verschraubung, Nietung, Lötung an eine Metallbeschich tung etc., oder/und es kann unterhalb der Innenelektrode 2 eine (nicht dargestellte) zweite Faserverbundplatte vorgesehen und wiederum an der Außenelektrode 3 montiert sein, so daß die Innenelektrode 2 zwischen zwei Faser verbundplatten gehalten wird.

Als verstärkendes Material für die Herstellung der Faserverbundplatte eignen sich elektrisch isolierende Fasern mit einem Elastizitätsmodul über 5000 N/mm², vor zugsweise über 7000 N/mm², insbesondere Glasfasern oder andere organische Hochmodulfasern. Als Bindemittel kann Reaktionsharz oder thermoplastisches Harz verwendet wer den.

Wie in den weiteren Beispielen gemäß den Fig. 2 und 3 gezeigt (in denen entsprechende Teile gleiche Bezugszei chen tragen), kann die Faserverbundplatte nicht nur als Träger für die (hier nicht mehr dargestellte) Innen elektrode 2, sondern auch als z. B. metallbeschichtete Platine dienen und zur elektrischen Beschaltung der Elektroden 2 und 3 insbesondere in den Bereichen der Tragstege 7 z. B. geätzte elektrische Leiterbahnen 8 und darauf z. B. aufgelötete elektrische Bauteile 9 tragen.

Die Tragstege 7 haltern somit nicht nur den Innenteil der Faserverbundplatte (und damit die Innenelektrode 2), sondern ermöglichen zugleich einen kompakten und si cheren elektrischen Anschluß der Innenelektrode 2 und ggf. weiterer vorhandener elektrischer Bauteile. Die raumsparende und stabile Unterbringung solcher Bauteile besitzt aufgrund der kurzen Leitungswege zwischen ihnen den zusätzlichen Vorteil, daß Störeinstrahlungen oder -abstrahlungen auf ein Mindestmaß beschränkt werden.

Leiterbahnen 10 und Bauteile 11 (Fig. 3) können aber auch in der Faserverbundplatte eingebettet sein, indem lei tende Schichten in ihr vorgesehen werden, z. B. durch Einbringen einer Schicht aus Fasern mit hoher elektri scher Leitfähigkeit, insbesondere aus Kohlefasern, Me tallfasern oder Fasern aus organischem Polymer, auf oder zwischen Schichten aus Fasern mit hohem Isolationswert. Andererseits kann der Faserverbundwerkstoff zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht aus einer Dispersion eines elektrisch leitfähigen Pulvers, wie etwa Kohlen stoff oder Metall, insbesondere Silber, auf oder zwi schen Schichten aus Fasern mit hohem Isolationswert be sitzen. Durch Einbettung können auch mehrere Ebenen von Leiterbahnen 8, 10 übereinander geschaffen werden.

Bezugnehmend auf Fig. 4 (in der entsprechende Teile wie der gleiche Bezugszeichen tragen), wird nunmehr be schrieben, wie anstelle einer Faserverbundplatte an dere Halteelemente aus Faserverbundwerkstoff verwendet werden können, um die Innenelektrode 2 eines ringspalt förmigen Strömungskanals 1 (mit Durchlaßschlitz 6) an der Außenelektrode 3 zu haltern. Und zwar erfolgt die Halterung in diesem-Beispiel mittels mehrerer Faserver bund-Halteplättchen 12, die im Ringspalt über dessen Um fang verteilt angeordnet sind, den Ringspalt aber zum überwiegenden Teil freilassen, um die Durchlaß- oder Dü senschlitze 6 zu bilden. Es sollten mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier, Halteplättchen 12 aus Fa serverbundwerkstoff verwendet werden, um die Innenelek trode 2 zu zentrieren. Die Halteplättchen 12 können die Innenelektrode 2 z. B. durch Reibschluß (Klemmung), Form schluß oder/und Adhäsion (Klebung) o. dgl. an der Außen elektrode 3 halten. Die von den Halteplättchen 12 herge stellte Überbrückung des Ringspalts kann wiederum ge nutzt werden, um auch eine elektrische Verbindung zur Innenelektrode 2 zu schaffen, etwa durch Leiterbahnen auf oder in den Halteplättchen 12.

Schließlich wird auf Fig. 5 Bezug genommen, die ein etwas komplexeres Faserverbund-Halteelement 14 für Elektroden 15 in einem ringförmigen, in einem Dämpfergehäuse 16 an geordneten und mit elektrorheologischer Flüssigkeit ge füllten Strömungskanal 13 zeigt. Das Dämpfergehäuse 16 kann als Außenelektrode 3 dienen. Das die Elektroden 15 tragende Halteelement aus Faserverbundwerkstoff ist hier ein Tauchzylinder 14, der mittels eines aus dem Ring spalt führenden Kopplungsgestänges 17 aus Faserverbund werkstoff verschiebbar, d. h. in den Ringspalt und damit in die elektrorheologische Flüssigkeit absenkbar ist.

Claims

1. Hydraulisches System, insbesondere hydraulisch dämpfendes Zweikammer-Motorlager, mit einem elektrorheologischen Fluid in einem Strömungskanal (1; 13), der zumindest teilweise parallel zwischen Elektroden (2, 3; 15) verläuft, an welche eine elektrische Spannungsdifferenz zum Steuern der Vis kosität des Fluids anlegbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (2, 3; 15) mittels eines oder mehrerer Halteelemente (4; 12; 14) aus Faserverbundwerkstoff in dem hydrauli schen System befestigt ist und daß der Faserver bundwerkstoff zumindest eine Schicht mit hoher elektrischer Leitfähigkeit auf oder zwischen Schichten mit hohem Isolationswert besitzt.

2. Hydraulisches System nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Faserverbundwerkstoff ver stärkende, elektrisch isolierende Fasern mit einem Elastizitätsmodul über 5000 N/mm² enthält.

3. Hydraulisches System nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolieren den Fasern Glasfasern oder organische Hochmodulfa sern sind.

4. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbund werkstoff als Bindemittel Reaktionsharz oder ther moplastisches Harz enthält.

5. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbund werkstoff zumindest eine Schicht aus Kohlefasern, Metallfasern oder Fasern aus organischem Polymer auf oder zwischen Schichten aus Fasern mit hohem Isolationswert besitzt.

6. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundwerkstoff zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht aus einer Dispersion eines elektrisch leitfähigen Pulvers auf oder zwischen Schichten aus Fasern mit hohem Isolations wert besitzt.

7. Hydraulisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leit fähige Pulver aus Kohlenstoff oder Metall besteht.

8. Hydraulisches System nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß als Metall Silber verwendet wird.

9. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die aus dem Faserverbundwerkstoff bestehenden Halteelemente (4) plattenförmig sind.

10. Hydraulisches System nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das oder die aus dem Faserver bundwerkstoff bestehenden Halteelemente (4) auf zu mindest einer Seite mit einem Metall kaschiert sind.

11. Hydraulisches System nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halteelemente (4) kupferka schiert sind.

12. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf zumindest einem Halteelement (4) ein oder mehrere elektrische Bau teile (9) aufgebracht sind.

13. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest einem Halteelement (4) ein oder mehrere elektrische Bau teile (11) eingebettet sind.

14. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Hal teelement (4) ein oder mehrere planare elektrische Bauteile (11) trägt oder einschließt.

15. Hydraulisches System nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß zumindest ein Halteelement (4) einen oder mehrere integrierte Schaltkreise trägt oder einschließt.

16. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (1; 13) ein Ringspalt ist, der zwischen einer zy lindrischen oder hohlzylindrischen Innenelektrode (2; 15) und einer hohlzylindrischen Außenelektrode (3; 16) liegt.

17. Hydraulisches System nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Innenelektrode (2) mittels eines Halteelementes (4) in Form einer Faserver bundplatte an der Außenelektrode (3) gehaltert ist, wobei mehrere Tragstege (7) einen äußeren Teil der Faserverbundplatte mit einem inneren Teil der Fa serverbundplatte verbinden und dabei den Ringspalt (1) zwischen Außenelektrode (3) und Innenelektrode (2) überbrücken, diesen aber zum überwiegenden Teil (6) freilassen.

18. Hydraulisches System nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß das Halteelement (4) als Faser verbundscheibe ausgestaltet ist.

19. Hydraulisches System nach Anspruch 17 oder 18, da durch gekennzeichnet, daß die Tragstege (7) elektrische Leiterbahnen (8; 10) tragen oder ent halten.

20. Hydraulisches System nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Innenelektrode (2) mittels mehrerer Faserverbund-Halteplättchen (12) an der Außenelektrode (3) gehaltert ist, wobei die Halte plättchen (12) im Ringspalt (1) über dessen Umfang verteilt angeordnet sind, den Ringspalt (1) aber zum überwiegenden Teil (6) freilassen.

21. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal ein Ringspalt (13) ist, in dem ein eine oder meh rere Elektroden (15) tragender Tauchzylinder (14) aus Faserverbundwerkstoff angeordnet ist.

22. Hydraulisches System nach Anspruch 21, dadurch ge kennzeichnet, daß der Tauchzylinder (14) mittels eines aus dem Ringspalt (13) führenden Kopplungsge stänges (17) aus Faserverbundwerkstoff verschiebbar ist.