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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrorheologische Fluide.
Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Erhöhen und/oder Modulieren
der Schubfließspannung
elektrorheologischer Fluide und auf eine Vorrichtung, die ein derartiges
Verfahren verwendet.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Elektrorheologische
Fluide (ER-Fluide) und ER-Effekte sind in der Technik wohl bekannt.
Seit der Entdeckung elektrorheologischer Fluide etwa im Jahr 1947
sind viele Anstrengungen unternommen worden, um die Schubfließspannung
von ER-Fluiden auf einen
Pegel zu erhöhen,
bei dem sie für
verschiedene industrielle Anwendungen, wie etwa als Aktuatoren für Drehmomentübertragungen
(z. B. Kupplung, Bremse und Leistungsgetriebe), zur Schwingungsdämpfung (z.
B. Stoßdämpfer, Motoraufhängung und Dämpfungseinrichtungen),
zur Fluidsteuerung (z. B. Servoventil und Druckventil) und viele
weitere industrielle Anwendungen vorteilhaft verwendet werden können. ER-Fluide
sind im Allgemeinen energieeffizienter als hydraulische, mechanische
oder elektromechanische Vorrichtungen, die der gleichen Funktion dienen.
Die Druckfestigkeit von ER-Fluiden war in der Vergangenheit im Allgemeinen
nicht ausreichend groß.
Die Suche nach druckfesten ER-Fluiden hat zu eingeschränkten Ergebnissen
geführt.
ER-Fluide besitzen gegenwärtig
eine Schubfließspannung
von bis zu 5 kPa beim Vorhandensein eines angelegten elektrischen
Felds, die jedoch im Allgemeinen für wesentliche industrielle
Anwendungen, von denen die meisten keine ER-Fluide verwenden, nicht
ausreichend ist. Die vorliegende Erfindung erreicht eine erhöhte Schubfließspannung
durch eine neuartige Anwendung der mikrostrukturellen Eigenschaften
von ER-Fluiden.
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Die
Fließeigenschaften
eines ER-Fluids ändern
sich, wenn ein elektrisches Feld an sie angelegt wird. Das ER-Fluid
reagiert auf das angelegte elektrische Feld in einer Form, die als
fortschreitendes Gelieren beschrieben werden kann. Im Einzelnen
umfasst das ER-Fluid im Allgemeinen ein Trägerfluid, wie etwa Pumpenöl, Siliconöl, Mineralöl oder chloriniertes
Paraffin. Feine Partikel wie Polymere, Mineralien oder Keramik werden
in dem Trägerfluid
in Suspension gehalten. Wenn ein elektrisches Feld durch das ER-Fluid
angelegt wird, trennen sich positive und negative Ladungen an den
Partikeln, wodurch jedes Partikel ein positives und ein negatives
Ende erhält. Die
in Suspension befindlichen Partikel ziehen sich untereinander an
und bilden Ketten, die von einer Elektrode zur anderen führen. Die
Partikelketten bewirken, dass das ER-Fluid in dem elektrischen Feld zwischen
den Elektroden proportional zu der Stärke des angelegten elektrischen
Felds "geliert". Auf diese Weise
wird im Stand der Technik ein Mittel geschaffen, um die Schubfließspannung
("effektive Viskosität") eines ER-Fluids
durch Anlegen eines elektrischen Felds zu erhöhen, die maximale Schubfließspannung,
die auf diese Weise erreicht wird (bis zu 5 kPa) ist jedoch trotzdem
für eine
Verwendung in den meisten industriellen Anwendungen nicht ausreichend.
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Das
Patent US-A-6.297.159 offenbart einen Prozess und eine Vorrichtung
zum chemisch-mechanischen Polieren (CMP) einer Halbleiterscheibe
mit einer Aufschlämmung,
die elektrorheologische Fluide (ER-Fluide) und/oder magnetorheologische
Fluide (MR-Fluide) enthält.
Die Kombination aus den Materialien und einem elektrischen Feld
schafft sowohl lokal als auch global eine inhärente Abstimmung der Polierraten
und verbessert die Ebenheit und Gleichmäßigkeit sowie macht Vertiefungen
und Korrosion minimal.
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Aus
den oben beschriebenen Gründen
wäre ein
Verfahren zum Erhöhen
und/oder Modulieren der Schubfließspannung von ER-Fluiden durch
einen einfachen Prozess wünschenswert.
Außerdem
wäre ferner
eine Vorrichtung, die ein derartiges Verfahren zum Erhöhen und/oder
Modulieren der Schubfließspannung
von ER-Fluiden verwendet,
wünschenswert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen und/oder
Modulieren der Schubfließspannung
von ER-Fluiden und eine Vorrichtung, die ein derartiges Verfahren
verwendet.
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Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung wird zunächst ein ausreichendes elektrisches
Feld an das ER-Fluid angelegt, um Partikel in dem ER-Fluid dazu
zu veranlassen, Partikelketten zu bilden, und um das ER-Fluid zu
veranlassen, in dem elektrischen Feld zwischen den Elektroden zu "gelieren". Anschließend wird
ein ausreichender Druck auf das ER-Fluid zwischen den Elektroden
ausgeübt, während das
elektrische Feld, das in dem vorhergehenden Schritt angelegt wird,
im Wesentlichen aufrechterhalten wird. Dies bewirkt, dass sich die
Partikelketten verdicken, wobei auf diese Weise die Schubfließspannung
erhöht
wird. Der Druck und die Schubspannung können in einer beliebigen Richtung in
Bezug auf das angelegte elektrische Feld ausgeübt werden, wodurch veranlasst
wird, dass sich die Partikelketten verdicken. Wenn die erhöhte Schubspannung
nicht mehr benötigt
wird oder nach oben oder unten moduliert werden muss, werden der Druck
und wahlweise das elektrische Feld wie gewünscht nach oben oder nach unten
eingestellt.
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In
der ersten Ausführungsform
der Erfindung wird Druck in einer Richtung ausgeübt, die im Wesentlichen senkrecht
zu der Richtung des elektrischen Felds ist, wobei in diesem Fall
die Ketten Aggregate bilden und auf diese Weise dicker werden. In einer
zweiten Ausführungsform
wird der Druck in einer Richtung ausgeübt, die im Wesentlichen parallel zu
der Richtung des elektrischen Felds ist, wobei in diesem Fall die
Ketten kürzer
und somit dicker werden. Wie jedoch in der vorliegenden Erfindung
vorgesehen ist, kann der Druck in einer beliebigen Richtung in Bezug
auf die Richtung des elektrischen Felds ausgeübt werden, was eine Verdickung
der Ketten durch eine Kombination aus Verkürzen und Bilden von Aggregaten
zur Folge hat.
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Gemäß der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung wird das ER-Fluid zwischen zwei Arbeitsstrukturen
in Verbindung mit diesen platziert, zwischen denen (durch das ER-Fluid)
eine Kraft oder ein Drehmoment übertragen
werden soll. Das ER-Fluid steht
außerdem
mit wenigstens zwei Elektroden mit unterschiedlichen elektrischen
Potentialen in Verbindung, die dazu dienen, ein elektrisches Feld
durch das ER-Fluid anzulegen, wenn ein Erhöhen der Schubfließspannung
gewünscht
ist. Die Elektroden können
sich an der gleichen Arbeitstruktur oder an unterschiedlichen Arbeitstrukturen
befinden oder von diesen getrennt sein. Zunächst wird ein ausreichendes
elektrisches Feld zwischen den Elektroden angelegt, um die Partikel
in dem ER-Fluid zwischen den Elektroden dazu zu veranlassen, Partikelketten
zu bilden sowie ein Gelieren des ER-Fluids zu bewirken. Anschließend wirken
die Arbeitsstrukturen zusammen, um einen Druck auf das ER-Fluid
auszuüben, indem
die beiden Arbeitsstrukturen vorteilhaft näher zusammengebracht werden,
während
das elektrische Potential, das in dem vorhergehenden Schritt angelegt
wird, im Wesentlichen aufrechterhalten wird, um die Partikelketten
dazu zu veranlassen, dicker zu werden und auf diese Weise die Schubfließspannung
zu erhöhen.
Die Erhöhung
der Schubfließspannung,
die sich aus dem ausgeübten
Druck ergibt, bewirkt, dass eine Kraft oder ein Drehmoment, das
durch eine Arbeitsstruktur bereitgestellt wird, effektiver an die
andere Arbeitsstruktur übertragen wird.
Wenn die effektivere Übertragung
von Kraft oder Drehmoment nicht mehr benötigt wird, können der
Druck und wahlweise das elektrische Feld entfernt werden. Wenn eine
mittelmäßig effektive Übertragung
von Kraft oder Drehmoment benötigt
wird, kann der ausgeübte
Druck verringert werden, während
das angelegte elektrische Feld auf dem gleichen Pegel bleibt oder
mit einem höheren
oder niedrigeren Pegel angelegt wird. Nachdem auf diese Weise eine höhere Schubfließspannung
aufgebaut wurde, kann sie wie gewünscht nach oben oder nach unten
moduliert werden, indem die Stärke
des elektrischen Felds, des ausgeübten Drucks oder von beiden
erhöht
oder verringert wird.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung ist die erste Arbeitsstruktur vorzugsweise elektrisch
isolierend, sie kann jedoch außerdem
elektrisch geerdet sein, wobei sich alle Elektroden an der zweiten
Arbeitsstruktur befinden, deren Arbeitsfläche zu der Arbeitsfläche der
ersten Arbeitsstruktur parallel verläuft. In dieser Ausführungsform
bilden sich die Partikelketten in der Nähe der zweiten Arbeitsstruktur zwischen
den Elektroden durch das ER-Fluid. Ein Druck wird in einer Richtung,
die senkrecht zu der Richtung des elektrischen Felds ist, ausgeübt, indem die
beiden Arbeitsflächen
näher zusammengebracht werden,
wodurch das Bilden von Aggregaten der Ketten zu dickeren Ketten
bewirkt wird, was eine Erhöhung
der Schubfließspannung
schafft. In einer Variation dieser Ausführungsform haben die Elektroden eine
abwechselnde Anordnung auf der zweiten Arbeitsstruktur, die durch
isolierende Zonen getrennt ist, so dass benachbarte (angrenzende)
Elektroden unterschiedliche elektrische Potentiale besitzen. Es sind
jedoch andere Elektrodenordnungen bei ähnlichen Ergebnissen möglich. Außerdem sind
weitere Variationen dieser Ausführungsformen
möglich,
bei denen die beiden Arbeitsstrukturen nicht parallel verlaufen
und/oder nicht eben sind.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind die beiden Arbeitsstrukturen parallel und jede Arbeitsstruktur
dient als eine Elektrode. In dieser Ausführungsform bilden sich die
Partikelketten zwischen den beiden Arbeitsstrukturen durch das ER-Fluid.
Druck wird in einer Richtung, die parallel zu der Richtung des elektrischen
Felds ist, ausgeübt,
indem die beiden Arbeitsflächen
näher zusammengebracht
werden, wodurch die Ketten dazu veranlasst werden, kürzer und
dicker zu werden, was wiederum eine Erhöhung der Schubfließspannung
schafft. Variationen dieser Ausführungsform
sich außerdem
möglich,
bei denen die beiden Arbeitsstrukturen nicht parallel verlaufen und/oder
nicht eben sind.
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Es
sollte klar sein, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung
als auch die folgende genaue Beschreibung für die Erfindung beispielhaft,
jedoch nicht einschränkend
sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 veranschaulicht
die erste Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
mit mehreren Elektroden an einer der Arbeitsstrukturen, wobei der
ausgeübte
Druck senkrecht zu dem elektrischen Feld ist und die Schubspannung
parallel zu dem elektrischen Feld ausgeübt wird;
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2 veranschaulicht
die erste Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
mit mehreren Elektroden an einer der Arbeitsstrukturen, wobei der
ausgeübte
Druck senkrecht zu dem elektrischen Feld ist und die Schubspannung
senkrecht zu dem elektrischen Feld ausgeübt wird;
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3 veranschaulicht
eine Variation der Vorrichtung von 2;
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4 veranschaulicht
die zweite Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
mit einer Elektrode in jeder Arbeitsstruktur, wobei der ausgeübte Druck
parallel zu dem elektrischen Feld ist und die Schubspannung senkrecht
zu dem elektrischen Feld ausgeübt
wird, wobei die Vorrichtung mit einem System verbunden ist, das
beim Messen der Schubfließspannung
des elektrorheologischen Fluids unter Druckbeaufschlagung verwendet
wird;
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5 ist
eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse einer Schubfließspannungsmessung zeigt,
bei der Drücke
bei verschiedenen konstanten elektrischen Feldern ausgeübt werden,
die unterschiedliche Werte aufweisen und an das elektrorheologische
Fluid gemäß der Vorrichtung
von 1 angelegt werden;
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6 ist
eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse einer Schubfließspannungsmessung zeigt,
bei der Drücke
bei verschiedenen konstanten elektrischen Feldern ausgeübt werden,
die unterschiedliche Werte aufweisen und an das elektrorheologische
Fluid gemäß der Vorrichtung
von 2 angelegt werden;
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7 ist
eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse einer Schubfließspannungsmessung zeigt,
bei der elektrische Felder bei verschiedenen konstanten Drücken angelegt
werden, die unterschiedliche Werte aufweisen und auf das elektrorheologische
Fluid gemäß der Vorrichtung
von 1 ausgeübt
werden;
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8 ist
eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse einer Schubfließspannungsmessung zeigt,
bei der elektrische Felder bei verschiedenen konstanten Drücken angelegt
werden, die unterschiedliche Werte aufweisen und auf das elektrorheologische
Fluid gemäß der Vorrichtung
von 2 ausgeübt
werden;
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9 ist
eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse einer Schubfließspannungsmessung zeigt,
bei der Drücke
bei verschiedenen konstanten elektrischen Feldern ausgeübt werden,
die unterschiedliche Werte aufweisen und an das elektrorheologische
Fluid gemäß der Vorrichtung
von 4 angelegt werden;
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10 ist
eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse einer Schubfließspannungsmessung zeigt,
bei der elektrische Felder bei verschiedenen konstanten Drücken angelegt
werden, die unterschiedliche Werte aufweisen und auf das elektrorheologische
Fluid gemäß der Vorrichtung
von 4 ausgeübt
werden.
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In
der gesamten Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
Elemente.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung erhöht
die Schubfließspannung
von elektrorheologischen Fluiden (ER-Fluide) durch Erzeugen einer Änderung
in ihrer Mikrostruktur durch die Ausübung von Druck. In den 1 bis 10 betrifft
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erhöhen und/oder Modulieren der Schubfließspannung
von ER-Fluiden und eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet.
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Das
Verfahren zum Erhöhen
der Schubfließspannung
eines ER-Fluids 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst die folgenden Schritte:
- a)
Anlegen eines ausreichenden elektrischen Feldes an das ER-Fluid 10,
um Partikel in dem ER-Fluid 10 dazu zu veranlassen, in
dem elektrischen Feld Partikelketten zu bilden; und
- b) Ausüben
eines ausreichenden Drucks auf das ER-Fluid 10 nach dem
Schritt a) und während
das elektrische Feld, das im Schritt a) angelegt wird, im Wesentlichen
aufrechterhalten wird, um die Partikelketten dazu zu veranlassen,
sich zu verdicken oder Aggregate zu bilden und um dem ER-Fluid 10 eine
erhöhte
Schubfließspannung
zu verleihen.
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Nach
dem Erhöhen
der Schubfließspannung des
ER-Fluids 10 gemäß den oben
genannten Schritten a) und b) kann die Schubfließspannung ferner durch einen
der folgenden zusätzlichen
Schritte moduliert werden:
- c) Erniedrigen oder
Erhöhen
des ausgeübten Drucks
nach dem Schritt b), um die Schubfließspannung wie gewünscht nach
unten bzw. nach oben zu modulieren, um die Kraft oder das Drehmoment,
die bzw. das von einer Arbeitsstruktur zur anderen Arbeitsstruktur übertragen
wird, einzustellen; oder
- d) Verkleinern oder Vergrößern des
angelegten elektrischen Feldes nach dem Schritt b), um die Schubfließspannung
wie gewünscht
nach unten bzw. nach oben zu modulieren, um die Kraft oder das Drehmoment,
die bzw. das von einer Arbeitsstruktur zur anderen Arbeitsstruktur übertragen wird,
einzustellen; oder
- e) Kombinieren der Schritte c) und d), um die Schubfließspannung
wie gewünscht
nach unten oder nach oben zu modulieren.
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Ein
Beispiel des oben beschriebenen Verfahrens zum Erhöhen und/oder
Modulieren der Schubfließspannung
eines ER-Fluids 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst die folgenden Schritte:
- a)
Anlegen eines ausreichenden elektrischen Feldes an das ER-Fluid 10,
um Partikel in dem ER-Fluid 10 dazu zu veranlassen, in
dem elektrischen Feld Partikelketten zu bilden; und
- b) Ausüben
eines ausreichenden Drucks auf das ER-Fluid 10 nach dem
Schritt a) und während
das elektrische Feld, das im Schritt a) angelegt wird, im Wesentlichen
aufrechterhalten wird, um die Partikelketten dazu zu veranlassen,
sich zu verdicken oder Aggregate zu bilden und um dem ER-Fluid 10 eine
erhöhte
Schubfließspannung
zu verleihen;
- c) Erniedrigen oder Entfernen des ausgeübten Drucks nach dem Schritt
b) und während
das elektrische Feld, das im Schritt a) angelegt wird, im Wesentlichen
aufrechterhalten wird, um zu bewirken, dass sich die Dicke der Partikelkette
verringert, und um auf diese Weise dem ER-Fluid 10 eine
verringerte Schubfließspannung
zu verleihen;
- d) bei Bedarf Wiederholen der Schritte b) und c).
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Da
bei diesem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens das elektrische
Feld bestehen bleibt, ist die Schubfließspannung, die nach dem Schritt
c) übrig
bleibt, nicht null, wie es der Fall wäre, wenn auch das elektrische
Feld entfernt werden würde.
Es kann angemerkt werden, dass die maximale Schubfließspannung,
die bei den meisten ER-Fluiden beim Fehlen des ausgeübten Drucks
erreicht werden kann, so gering ist (typischerweise 5 kPa oder geringer),
dass ein Entfernen des elektrischen Felds in einigen Anwendungen
nicht erforderlich ist, für
die dieses Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens deswegen zutreffend
ist.
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In
allen Ausführungsformen
und Beispielen, die hier beschrieben sind, ist es bevorzugt, dass
das ER-Fluid 10 einen Volumenanteil besitzt, der nicht
zu gering und nicht zu hoch ist, und dielektrische Partikel in einer
nicht leitenden Flüssigkeit,
wie etwa Öl, das
Pumpenöl,
Transformatoröl,
Siliconöl
usw. enthält,
jedoch nicht darauf beschränkt
ist, umfasst. Der in der vorliegenden Anmeldung verwendete Ausdruck "Volumenanteil" bezeichnet das Volumen
der reinen dielektrischen Partikel relativ zu dem Volumen des ER-Fluids
und sein nützlicher
Wertebereich ist im Stand der Technik in Bezug auf ER-Fluids wohlbekannt.
Die Prüfungen
der vorliegenden Erfindung mit einem Volumenanteil von 35% ergeben
ausgezeichnete Ergebnisse, Prüfungen
mit anderen Volumenanteilen funktionieren ebenfalls gut, z. B. ein
Volumenanteil im Bereich von etwa 10% bis etwa 60% und insbesondere
im Bereich von etwa 20% bis etwa 50%.
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Für die Verfahren
der vorliegenden Erfindung, die beschrieben werden, kann jeder der
Schritte bei veränderlichen
Parametern und Bedingungen ausgeführt werden. Diese Parameter
und Bedingungen, die offenbart werden, ermöglichen einem Fachmann, das
bestimmte beschriebene Verfahren bzw. die bestimmten beschriebenen
Verfahren auszuführen,
sie sollen jedoch nicht implizieren, dass das bestimmte beschriebene
Verfahren bzw. die bestimmten beschriebenen Verfahren bei anderen
Parametern und/oder Bedingungen wirkungsvoll sind oder wirkungsvoll
ausgeführt
werden können.
Die speziellen Parameter und Bedingungen, die ausgewählt sind,
können
infolge verschiedener Faktoren variieren, wie etwa das bestimmte
ER-Fluid, das verwendet wird, die gewünschte Erhöhung der Schubfließspannung
oder des Pegels der Schubfließspannung des
ER-Fluids, die spezielle Einrichtung oder Vorrichtung, die erforderlich
ist, um diese Verfahren auszuführen,
usw.
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Der
Schritt des Anlegens eines elektrischen Felds oder der Schritt a)
der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen
veranlasst die in dem ER-Fluid 10 vorhandenen Partikel, sich
zu Partikelketten zu bilden, wenn über Elektroden durch direktes
Anlegen an das ER-Fluid 10 oder durch irgendein anderes
geeignetes Verfahren ein ausreichendes elektrisches Feld an das
ER-Fluid 10 angelegt
wird. Die Elektroden können
z. B. von dem ER-Fluid 10 durch eine elektrisch isolierende
Schicht getrennt sein und trotzdem ein ausreichendes elektrisches
Feld (obwohl dieses mehr oder weniger gedämpft ist) an das ER-Fluid 10 anlegen.
Es gibt keine strenge Begrenzung für die Stärke des elektrischen Felds,
das in diesem Schritt angelegt wird, der nützliche Wertebereich ist jedoch
im Stand der Technik in Bezug auf ER-Fluide wohlbekannt. Das elektrische Feld
sollte ausreichend stark sein, so dass eine angemessene Anzahl von
Partikelketten in dem ER-Fluid 10 gebildet werden. Das
angelegte elektrische Feld kann z. B. in dem Bereich von etwa 500 V/mm
bis etwa 3000 V/mm und insbesondere im Bereich von etwa 1000 V/mm
bis etwa 2000 V/mm liegen. Das elektrische Feld kann ein Gleichspannungs-
oder ein Wechselspannungsfeld sein.
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Der
Schritt des Ausübens
von Druck oder der Schritt b) der in der vorliegenden Anmeldung
beschriebenen Ausführungsformen
veranlasst die im Schritt a) gebildeten Partikelketten dazu, sich
zu verdicken, wenn ein ausreichender Druck auf das ER-Fluid 10 ausgeübt wird,
während
das elektrische Feld aufrechterhalten wird. Das Verdicken der Ketten verleiht
dem ER-Fluid 10 eine erhöhte Schubfließspannung.
Es ist erforderlich, dass der Schritt des Ausübens von Druck nach dem Schritt
a) erfolgt, während
das im Schritt a) angelegte elektrische Feld im Wesentlichen aufrechterhalten
wird. Der ausgeübte
Druck kann im Bereich von etwa 50 kPa bis etwa 850 kPa liegen, er
kann jedoch in Abhängigkeit
von dem Betrag der erforderlichen Erhöhung der Schubfließspannung
kleiner oder größer sein.
Der Druck kann in einer beliebigen Richtung relativ zu der Richtung
des angelegten elektrischen Felds ausgeübt werden, einschließlich insbesondere
in einer parallelen Richtung (wobei sich die Ketten in diesem Fall verkürzen und
dicker werden) oder in einer senkrechten Richtung (wobei die Ketten
in diesem Fall Aggregate bilden und dicker werden).
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Eine
Vorrichtung, die das Verfahren zum Erhöhen und/oder Modulieren der
Schubfließspannung eines
ER-Fluids 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet, umfasst zwei Arbeitsstrukturen, zwischen denen
eine Kraft oder ein Drehmoment übertragen
werden muss, und ein ER-Fluid 10, das sich zwischen ihnen
befindet und mit ihnen kommuniziert. Das zwischen den Arbeitsstrukturen
befindliche ER-Fluid 10 kommuniziert außerdem mit wenigstens zwei
Elektroden mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen, die dazu
dienen, ein elektrisches Feld durch das ER-Fluid 10 anzulegen,
wenn eine Erhöhung
der Schubfließspannung
für eine
bessere Übertragung
einer Kraft oder eines Drehmoments zwischen den beiden Arbeitsstrukturen
gewünscht ist.
Die Elektroden können
Teil einer oder beider Arbeitsstrukturen sein oder können von
beiden Arbeitsstrukturen getrennt sein, vorausgesetzt, dass sie
sich innerhalb der Begrenzung des Bereichs oder nahe dieser Begrenzung
zwischen den beiden Arbeitsstrukturen befinden. Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung wird zunächst ein ausreichendes elektrisches
Feld zwischen den Arbeitsstrukturen an das ER-Fluid 10 angelegt,
um Partikelketten zu bilden und zu veranlassen, dass das ER-Fluid 10 "geliert". Das elektrische
Feld wird erzeugt, indem eine elektrische Potentialdifferenz zwischen
den Elektroden angelegt wird. Dann wird ein ausreichender Druck
an das ER-Fluid 10 ausgeübt, indem die beiden Arbeitsstrukturen
vorteilhaft näher
zusammengebracht werden, während
die in dem vorhergehenden Schritt angelegte Potentialdifferenz im
Wesentlichen aufrechterhalten wird, um die Partikelketten zu veranlassen,
dicker zu werden und dadurch die Schubfließspannung zu erhöhen. Die
Erhöhung
der Schubfließspannung,
die sich aus der ausgeübten Kraft
ergibt, verbessert die Übertragung
einer Kraft oder eines Drehmoments zwischen den Arbeitsstrukturen.
Wenn die verbesserte Kraft- oder Drehmomentübertragung nicht mehr benötigt wird,
werden der Druck und wahlweise das elektrische Feld entfernt oder
wie für
eine bestimmte Anwendung gewünscht
nach oben oder nach unten moduliert.
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In
einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die erste Arbeitsstruktur vorzugsweise elektrisch isolierend,
kann jedoch auch elektrisch geerdet sein, und alle Elektroden befinden
sich an der zweiten Arbeitsstruktur, wie in den 1 bis 3 genauer
gezeigt ist. In dieser Ausführungsform
bilden sich die Partikelketten in der Nähe der zweiten Arbeitsstruktur
und verlaufen zwischen den Elektroden durch das ER-Fluid 10.
Das Ausüben
von Druck erfolgt, indem die Arbeitsstrukturen näher zusammengebracht werden,
und bewirkt eine Aggregatbildung der Ketten zu dickeren Ketten, was
zu einer höheren
Schubfließspannung
und einer verbesserte Kraft- oder Drehmomentübertragung führt. In
dieser Ausführungsform
verlaufen der ausgeübte
Druck und das elektrische Feld zueinander senkrecht. In einer Variation
dieser Ausführungsform, die
in den 1 und 2 gezeigt ist, besitzen geradlinige
parallele Elektroden 25, 27 eine abwechselnde
Anordnung an der zweiten Arbeitsstruktur 22, die durch
isolierende Zonen voneinander getrennt ist, so dass benachbarte
Elektroden 25, 27 unterschiedliche elektrische
Potentiale aufweisen. In einer Variation dieser Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist, besitzt die Vorrichtung 12 Elektroden 15, 17,
die kreisförmig
und konzentrisch sind. Viele weitere Variationen sind möglich, die
die wesentlichen Merkmale aufrechterhalten, die erforderlich sind,
um das erfindungsgemäße Verfahren
anzuwenden, z. B.: (1) Arbeitsflächen,
die zueinander nicht parallel verlaufen und nicht eben sind (z.
B. konzentrische sphärische Abschnitte);
(2) Elektroden, die Teil eines Gitters (offen oder nicht offen)
sind, das an keiner der Arbeitsstrukturen befestigt ist, sondern
sich zwischen ihnen befindet; oder (3) Elektroden, die durch eine
elektrisch isolierende Schicht oder Membran von dem ER-Fluid 10 getrennt
sind.
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In
den 1 und 2 umfasst eine Vorrichtung 20 gemäß der ersten
Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine erste Arbeitsstruktur 18,
eine zweite Arbeitsstruktur 22, Metallstreifen, die als
Elektroden 25, 27 dienen, isolierende Sperren 24, 26 und
ein ER-Fluid 10. Die erste Arbeitsstruktur 18 besitzt
eine innere (in den Figuren untere) isolierende Oberfläche 28 (die
mit dem ER-Fluid 10 in Kontakt ist), eine äußere Oberfläche 30 und
mehrere Seiten 32. Die Elektroden 25, 27 dieser
Ausführungsform
sind in die innere (in den Figuren obere) Oberfläche 29 (die mit dem
ER-Fluid 10 in Kontakt ist) der zweiten Arbeitsstruktur 22 eingebettet
und durch isolierende Sperren 24, 26 getrennt. Die
Elektroden 25, 27 sind in einer abwechselnden Anordnung
positioniert, so das jede positive Elektrode 25 neben wenigstens
einer negativen Elektrode 27 positioniert ist. Die Ausdrücke "positiv" und "negativ" in Bezug auf die
Elektroden bedeuten nicht, dass sie irgendeine Beziehung zur elektrischen
Masse darstellen, sondern geben an, dass eine Elektrode (positive
Elektrode) auf einem höheren
elektrischen Potential ist als die andere Elektrode (negative Elektrode).
Die Polaritäten
(positiv und negativ) der Elektroden können umgekehrt werden, ohne
die Funktionsweise der Vorrichtung zu beeinflussen. Diese Anordnung
erzeugt ein ausreichendes elektrisches Feld, um die Partikel des
ER-Fluids 10 in Partikelketten auszurichten, die sich in
dem ER-Fluid in der Richtung des angelegten elektrischen Felds ausrichten.
Wie in den 1 und 2 dargestellt
ist, sind die obere Oberfläche
der Elektroden 25, 27 und die obere Oberfläche der
Sperren 24, 26, die eine Arbeitsfläche definieren,
auf gleicher Höhe
eben, glatt und parallel zur inneren Oberfläche 28 der ersten
Arbeitsstruktur 18. Dies macht die viskose Rei bung zwischen
dieser Arbeitsfläche
und dem ER-Fluid 10 minimal, wenn kein elektrisches Feld
angelegt ist. Das ER-Fluid 10 ist zwischen den Arbeitsstrukturen 18, 22 positioniert.
Wenn die Vorrichtung 20 im Gebrauch ist, können die
Arbeitsstrukturen 18, 22 aufeinander zu und voneinander
weg bewegt werden. Es wird angenommen, dass die erste Vorrichtung 20 und
ihre Variationen, wie etwa jene, die in 3 dargestellt sind,
für viele
industrielle Anwendungen geeignet sind, wie etwa Kraftfahrzeugkupplung,
Drehmomentübertragung
usw. Die 1 bis 3 betreffen
die erste Arbeitsstruktur 18, deren Bewegung den ausgeübten Druck
erzeugt. In der Praxis kann eine Bewegung einer oder beider Arbeitsstrukturen 18, 22 zu dem
ausgeübten
Druck beitragen.
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In
einer Variation (nicht dargestellt) der in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsformen können alle
Elektrodenstreifen 25, 27, die gleiches elektrisches
Potential besitzen, zu einer einzigen kammförmigen Elektrode kombiniert
werden, die Zähne
aufweist, derart, dass die Zähne
der positiven kammförmigen
Elektrode zwischen die Zähne
der negativen kammförmigen
Elektrode eingefügt
sind. Eine dieser beiden kammförmigen
Elektroden kann aufgebaut sein, indem alle einzelnen Elektrodenstreifen 25, 27,
die in den 1 und 2 gezeigt
sind, auf dem gleichen elektrischen Potential durch einen elektrisch
leitenden Querstab (entweder unter der Ebene der einzelnen Elektrodenstreifen
oder in der gleichen Ebene wie die einzelnen Elektrodenstreifen) miteinander
verbunden sind oder sie kann als ein einzelnes Teil dieser kammförmigen Elektrode
gefertigt sein. Eine ähnliche
Variation kann bei der in 3 gezeigten
Ausführungsform
angewendet werden.
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In
einer weiteren Variation (nicht dargestellt) der ersten Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sind die Elektroden in
einer zweidimensionalen Anordnung aus abwechselnden Elektroden auf
unterschiedlichen elektrischen Potential angeordnet, d. h. die zweidimensionale
Entsprechung der eindimensionalen Anordnung, die in den 1 und 2 gezeigt
ist. Alternativ kann die gesamte Arbeitsfläche als eine einzelne Elektrode
auf einem elektrischen Potential dienen, wobei sie eine zweidimensionale
Anordnung von Löchern enthält, die
eine Einfügung
der Elektroden auf dem anderen elektrischen Potential (und von isolierenden
Abstandshaltern) ermöglichen.
In jedem Fall können
die einzelnen Elektroden unter der Ebene der einzelnen Elektroden
zu der zweidimensionalen Entsprechung der kammförmigen Elektroden, die in dem
vorhergehenden Absatz beschrieben wurden, miteinander verbunden
sein.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dient jede Arbeitsstruktur als eine Elektrode, an die ein unterschiedliches elektrisches
Potential angelegt wird. In dieser Ausführungsform bilden sich die
Partikelketten zwischen den beiden Arbeitsstrukturen durch das ER-Fluid. Die
Ausübung
von Druck bewirkt ein Verkürzen
der Ketten, die dicker werden und zu einer höheren Schubfließspannung
führen.
In dieser Ausführungsform
sind die ausgeübte
Kraft und das elektrische Feld parallel. Diese Ausführungsform
besitzt zwei grundsätzliche
Nachteile gegenüber
der ersten Ausführungsform,
die in bestimmten Anwendungen wichtig sein können: (1) statt nur einer benötigen beide Arbeitsstrukturen
(die sich drehen oder sich auf andere Weise relativ zueinander bewegen)
elektrische Verbindungen; und (2) der Abstand zwischen den Elektroden ändert sich,
wenn die Arbeitsstrukturen näher
zusammengebracht werden, um den Druck auszuüben, was die Steuerung des
elektrischen Felds (das bei einem konstanten angelegten elektrischen
Potential zu dem Abstand zwischen den Elektroden umgekehrt proportional
ist) schwieriger macht und die Möglichkeit
eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Arbeitsstrukturen
einführt.
Variationen dieser Ausführungsform
sind möglich,
die die wesentlichen Merkmale, die für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erforderlich sind, aufrechterhalten, die z. B. enthalten: (1) Arbeitsflächen, die
nicht parallel zueinander sein oder nicht eben sind (z. B. konzentrische
sphärische
Abschnitte), (2) mehrere Elektroden, die auf dem gleichen elektrischen
Potential sind, befinden sich an jeder Arbeitsstruktur, (3) eine
oder mehrere Elektroden, die an keiner der Arbeitsstrukturen befestigt
sind, sondern sich zwischen ihnen befinden, oder (4) Elektroden,
die von dem ER-Fluid 10 durch eine elektrisch isolierende
Schicht oder Membran getrennt sind.
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In 4 umfasst
die Vorrichtung 40 gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zwei Arbeitsstrukturen 42, 43,
zwei Elektroden 44, 46 und ein ER-Fluid 10,
das zwischen den Arbeitsstrukturen 42, 43 positioniert
ist. Die erste Arbeitsstruktur 42 besitzt eine innere Oberfläche 48 (die
mit dem ER-Fluid 10 in Kontakt ist), eine äußere Oberfläche 50 und
mehrere Seiten 52. Die zweite Arbeitsstruktur 43 besitzt
eine innere Oberfläche 54 (die
mit dem ER-Fluid 10 in Kontakt ist), eine äußere Oberfläche 56 und
mehrere Seiten 58. Die negative Elektrode 46 ist
auf der inneren Oberfläche 54 der
zweiten Arbeitsstruktur 43 positioniert. Die positive Elektrode 44 ist
auf der inneren Oberfläche 48 der
ersten Arbeitsstruktur 42 positioniert und kann dann, wenn
die Vorrichtung im Gebrauch ist, zu der negativen Elektrode 46 und
weg von dieser bewegt werden. Die Ausdrücke "positiv" und "negativ" in Bezug auf die Elektroden sollen
wiederum keine Beziehung zur elektrischen Masse darstellen, sondern
statt dessen angeben, dass eine Elektrode (positive Elektrode) auf
einem höheren elektrischen
Potential ist als die andere (negative Elektrode). Die Polaritäten (positiv
und negativ) der Elektroden können
ferner umgekehrt werden, ohne die Funktionsweise der Vorrichtung
zu beeinflussen. 4 weist der ersten Arbeitsstruktur 42 alle
Bewegungen zu, um den ausgeübten
Druck zu erzeugen.
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Eine
dritte Ausführungsform
(nicht dargestellt) der erfindungsgemäßen Vorrichtung kombiniert die
erste und die zweite Ausführungsform.
In dieser Ausführungsform
enthalten beide Arbeitsstrukturen mehrere Elektroden auf unterschiedlichen
elektrischen Potentialen, wie in der ersten Ausführungsform für lediglich
eine Arbeitsstruktur beschrieben wurde, so dass das angelegte elektrische
Feld Komponenten, die parallel, und Komponenten, die senkrecht zu
der Richtung des ausgeübten
Drucks sind, aufweist. Das Anlegen des elektrischen Felds führt in dem
ER-Fluid 10 zur Bildung von Partikelketten, die an der
gleichen Arbeitsstruktur von einer Elektrode zur anderen Elektrode
verlaufen, sowie von Partikelketten, die von Elektroden auf einer
Arbeitsstruktur zu Elektroden auf der anderen Arbeitsstruktur verlaufen.
In einer Variation dieser Ausführungsform
ist die Elektrodenanordnung auf beiden Arbeitsstrukturen gleich
mit der Ausnahme, dass ihre Polaritäten umgekehrt sind, so dass
jede positive Elektrode auf einer Arbeits struktur am nächsten liegt
zu: (1) wenigstens einer negativen Elektrode auf der gleichen Arbeitsstruktur
und (2) wenigstens einer negativen Elektrode auf der anderen Arbeitsstruktur.
Wie in 4 dargestellt ist, ist die Vorrichtung 40 mit
dem System 60 verbunden, das beim Messen der Schubfließspannung
des ER-Fluids 10 verwendet wird. Das System 60,
das beim Messen der Schubfließspannung
verwendet wird, enthält
einen Lineartisch 62, einen ersten Kraftsensor 64,
einen zweiten Kraftsensor 66 und eine Gewindespindel 68.
Der zweite Drucksensor 66 misst den Normaldruck. Anschließend wird eine
Schubkraft auf den ersten Kraftsensor 64 ausgeübt, um die
Schubfließspannung
zu bestimmen. Ein System, das dem System 60 ähnlich ist,
wird zum Messen der Schubfließspannung
des ER-Fluids 10 in der
Vorrichtung 20 verwendet. Es ist außerdem einem Fachmann klar,
dass andere Systeme verwendet werden können, um die Schubfließspannung
des ER-Fluids 10 zu messen.
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Unter
Bezugnahme auf die erste Vorrichtung 20 sind die 5 bis 8 graphische
Darstellungen, die die Ergebnisse einer Schubfließspannungsmessung
zeigen, bei denen elektrische Felder bei unterschiedlichen Drücken bzw.
einem konstanten Druck, der verschiedene Werte aufweist, gemäß der vorliegenden
Erfindung an das ER-Fluid 10 angelegt werden. Wenn in 5 die
Schubkraft SF1, die ausgeübt wird,
wie in der Vorrichtung von 1 parallel zum
elektrischen Feld ist, steigt die Schubfließspannung des ER-Fluids 10 nahezu
linear an mit den unterschiedlichen Drücken, die bei elektrischen
Feldern von 500 V/mm, 1000 V/mm und 2000 V/mm ausgeübt werden.
Wenn in 6 die Schubkraft SF2,
die ausgeübt
wird, wie in der Vorrichtung von 2 senkrecht
zum elektrischen Feld ist, steigt die Schubfließspannung des ER-Fluids 10 nahezu
linear an mit den unterschiedlichen Drücken, die bei elektrischen Feldern
von 500 V/mm und 1000 V/mm ausgeübt werden.
Wenn das angelegte elektrische Feld größer wird, vergrößert sich
der Anstieg k geringfügig,
jedoch messbar. Wenn in 7 die Schubkraft SF1 parallel
zum elektrischen Feld ausgeübt
wird, steigt die Schubfließspannung
des ER-Fluids 10 mit dem angelegten Feld bei konstanten
Drücken
von 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa und 400 kPa an. Wenn in 8 die Schubkraft
SF2 senkrecht zum elektrischen Feld ausgeübt wird,
steigt die Schubfließspannung des ER-Fluids 10 mit
dem angelegten elektrischen Feld bei konstanten Drücken von
100 kPa, 200 kPa und 400 kPa an. Wenn der Druck größer wird,
steigt die Schubfließspannung
außerdem
mit dem angelegten elektrischen Feld stärker an. Mit der Technologie
der vorliegenden Erfindung besitzt das ER-Fluid 10 einen Wert
der Schubfließspannung
von etwa 110 kPa bei 2000 V/mm und einem Druck von 400 kPa (5), einen
Wert von etwa 95 kPa bei 100 V/mm und einem Druck von 400 kPa (6),
was für
viele wesentliche industrielle Anwendungen mehr als ausreichend
ist. Wenn die Schubkraft in einer willkürlichen Richtung in der Ebene
senkrecht zu der Richtung der ausgeübten Kraft verläuft, kann
sie in zwei Komponenten zerlegt werden, wovon eine Komponente parallel
zum elektrischen Feld ist und die andere Komponente senkrecht zum
elektrischen Feld ist. Die 5 bis 8 können dann
verwendet werden, um die Schubfließspannung in einer willkürlichen
Richtung senkrecht zu dem ausgeübten
Druck zu ermitteln. Die 5 bis 8 zeigen,
dass in beiden Fällen
die Schubfließspannung
stark vergrößert ist
und dass die Vorrichtung 20 und ihre Variationen bei einer Schubkraft
in einer willkürlichen
Richtung senkrecht zu der ausgeübten
Kraft funktionieren.
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Unter
Bezugnahme auf die zweite Vorrichtung 40 sind die 9 und 10 graphische
Darstellungen, die den graphischen Darstellungen für die erste
Vorrichtung 20 ähnlich
sind und die Ergebnisse einer Schubfließspannungsmessung zeigen, bei
der elektrische Felder bei unterschiedlichen Drücken bzw. einem konstanten
Druck, der verschiedene Werte besitzt, gemäß der vorliegenden Erfindung
an das ER-Fluid 10 angelegt werden. 9 zeigt
die Schubfließspannung
des ER-Fluids 10, die mit den verschiedenen Drücken, die
bei elektrischen Feldern von 1000 V/mm, 2000 V/mm und 3000 V/mm
ausgeübt werden, nahezu linear ansteigt. Wenn das angelegte
elektrische Feld größer wird,
wird der Anstieg k größer. 10 zeigt
die Schubfließspannung
des ER-Fluids 10, die mit dem angelegten elektrischen Feld
bei konstanten Drücken
von 50 kPa, 210 kPa und 500 kPa ansteigt. Wenn der Druck größer wird, steigt
die Schubfließspannung
außerdem
mit dem elektrischen Feld stärker
an. Mit der Technologie der vorliegenden Erfindung besitzt das ER-Fluid 10 einen Wert
der Schubfließspannung
von etwa 200 kPa bei 3000 V/mm und einem Druck von 800 kPa, was
eine grob 40fache Verbesserung infolge der Druckausübung darstellt
und für
die meisten wesentlichen industriellen Anwendungen mehr als ausreichend
ist.
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Die 9 und 10 können dann,
wenn sie mit den 5 bis 8 kombiniert
werden, verwendet werden, um den Anstieg der Schubfließspannung
bei dem ausgeübten
Druck in einer willkürlichen Richtung
in Bezug auf das angelegte elektrische Feld zu ermitteln. Dies zeigt,
dass die Schubfließspannung
in allen Fällen
stark erhöht
ist und dass eine Kombination der Vorrichtung 20 und der
Vorrichtung 40 (die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung)
für eine
Schubkraft in einer willkürlichen
Richtung in Bezug auf die ausgeübte
Kraft und das angelegte elektrische Feld funktioniert.
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Die
vorliegende Erfindung vergrößert die Druckfestigkeit
oder die Schubfließspannung
von ER-Fluiden 10 um einen Faktor, der in Abhängigkeit von
dem ausgeübten
Druck 40 oder größer sein kann.
Mit dieser neuartigen Technologie besitzen ER-Fluide viele wesentliche
industrielle Anwendungsmöglichkeiten.
ER-Fluide können
z. B. für
eine Kraftfahrzeugkupplung verwendet werden, die aus zwei Scheiben
aufgebaut und zwischen ihnen mit einem ER-Fluid gefüllt ist
(3). Eine Scheibe ist mit dem Motor verbunden und
die andere Scheibe ist mit den Antriebsrädern verbunden. Wenn keine
elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Scheiben vorhanden
ist oder zwischen den beiden Scheiben kein Druck ausgeübt wird,
besitzt das ER-Fluid eine Schubfließspannung von praktisch null
und die Kupplung ist gelöst.
Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, gefolgt von einem Druckanstieg
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, kann das ER-Fluid in Millisekunden
eine Schubfließspannung
von etwa 200 kPa erreichen. Dadurch ist die Kupplung eingerückt. Es
ist klar, dass eine neuartige Kraftfahrzeugkupplung wirkungsvoller
und agiler als vorhandene Kupplungen ist, und da sie keine Verschleißteile besitzt,
ist sie zuverlässiger
und besitzt eine viel längere
Lebensdauer.
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Es
gibt im Stand der Technik keine Technologie, die eine Schubfließspannung
mit einem Wert wesentlich größer als
5 kPa erzeugen kann. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung schafft
ein Mittel zum Erhöhen
der Schubfließspannung
von ER-Fluiden auf mehr als 100 kPa und bis zu 200 kPa und mehr, was
die Anforderungen der meisten wesentlichen industriellen Anwendungen übersteigt.
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Die
Verfahren der vorliegenden Erfindung können außerdem bei vielen oder allen
vorhandenen ER-Fluiden angewandt werden, da sie allgemein und wirkungsvoll
sind.
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Es
sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bevorzugten
oder andere Ausführungsformen,
die hier beschrieben wurden, beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen
umfasst, die im Umfang der folgenden Ansprüche liegen.