WO2013064621A1 - Adaptive feststell- und lösevorrichtung und deren verwendung zum gesteuerten blockieren bzw. freigeben beweglicher bauteile - Google Patents

Adaptive feststell- und lösevorrichtung und deren verwendung zum gesteuerten blockieren bzw. freigeben beweglicher bauteile Download PDF

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WO2013064621A1
WO2013064621A1 PCT/EP2012/071703 EP2012071703W WO2013064621A1 WO 2013064621 A1 WO2013064621 A1 WO 2013064621A1 EP 2012071703 W EP2012071703 W EP 2012071703W WO 2013064621 A1 WO2013064621 A1 WO 2013064621A1
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WO
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locking
magnetic field
parts
releasing device
shaped body
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/071703
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Weber
Holger Böse
Johannes Ehrlich
Dieter Sporn
Udo Müller
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/36—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers
    • F16F1/3605—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers characterised by their material
    • F16F1/361—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers characterised by their material comprising magneto-rheological elastomers [MR]

Definitions

  • the invention relates to a device for controlled blocking and / or releasing a movable part of a plant in relation to a second part, for. B. to the Ver
  • Unlocking doors, gates, windows, flaps, covers and similar elements which is referred to below as a locking and releasing device or as an adaptive lock. Furthermore, the invention relates to a method for controlled blocking and / or
  • Locking devices are known from the prior art, which are based on mechanical and mechanical-hydraulic principles.
  • Mechanical locks are typically preset in their control points and relatively simple in their mechanics; They are therefore also inexpensive to manufacture. For example, they are used as door retainers in an automobile door, which is to be fixed at certain points when opening. In general, these fixed points (two or more) are set in advance and can not be changed easily. Thus, it is not possible in particular to fix freely selectable intermediate positions.
  • Mechanical-hydraulic brakes can also fix a door at any point.
  • known fasteners of this type are very complex in their mechanics and therefore costly. It is known e.g. a hydraulic door lock from the company. Stabilus, see z. B. DE 10 2009 020 951 A1.
  • DE 10 2008 057 575 is known with regard to a targeted influencing or alteration of a fluid flow.
  • the actuator described therein is by a deformation of a magnetorheological elastomer element in the magnetic field, a constriction of
  • Cross-sectional area causes a flowing through the actuator fluid flow.
  • this actuator is in shape of a kind Venturi nozzle without branch pipe. This is a pure fluid flow control.
  • DE 10 2008 038813 A1 describes a device for selectively controlling and varying the frictional force level at an interface between two bodies, which can take place with the aid of an "active material" which undergoes a change of a property after application of an activation signal Variety of possibilities
  • the list also includes magnetorheological elastomers without any explanation of where and how they could be concretely arranged and activated.
  • Clamping devices and a spring can cause the translation of a rod relative to itself.
  • the clamping device basically a variety of materials is proposed, including magnetorheological elements. How the device could be operated herewith, however, is not disclosed.
  • the present invention has for its object, a locking and releasing device and a method for controlled blocking and / or releasing a movable part in relation to a second part in a system such.
  • a locking and releasing device As a door or a lid in a vehicle or a container to indicate which a stepless control and
  • a locking and releasing device which has the (at least) two mentioned, relatively movable parts, at least one molded part of a magnetorheological elastomer (MRE) and a magnetic circuit system with at least one magnetic field generating element, wherein the at least one molded body ( if possible in its entirety, but at least partially) part of the MRE.
  • MRE magnetorheological elastomer
  • Magnetic circuit system and is designed such that it can deform when applying or changing a magnetic field such that the relative movement of the parts is blocked or released.
  • the locking and releasing device according to the invention is hereinafter also referred to as adaptive lock.
  • the inventive principle is based on the deformation under expansion or contraction of magnetorheological elastomers and thus of bodies formed therefrom in a (in particular inhomogeneous) external magnetic field which is induced by a magnetic circuit system located on or in the device.
  • This deformation is due to the change in the magnetization state of the magnetizable particles present in the MRE.
  • Suitable are mainly composites of a non-magnetizable elastomeric carrier medium (elastomer matrix) and therein contained magnetizable or magnetic particles.
  • a relative expansion or contraction when applying or changing the magnetic field of at least 1%, preferably up to 5%, more preferably up to 10% or even more is possible.
  • the relative expansion or contraction of the shaped body assumes values of approximately between 5% and 10%.
  • Blockage of the relative movement of parts according to the invention are supported by a change in mechanical properties of the MRE material in the magnetic field.
  • mechanical properties of the MRE material in the magnetic field examples include, above all, the shear modulus, the modulus of elasticity, the storage modulus and the loss modulus (which describe the elastic behavior or the energy dissipation) and the respective increase factor of these parameters in the magnetic field.
  • Characteristics of the MRE are particularly relevant in those embodiments of the adaptive arrester in which the molded article is subjected to considerable mechanical stress. This can play an important role, inter alia, in a movement blockade by a non-positive connection of the parts by means of the molding (see below).
  • MRE materials their production and properties can be found inter alia in the older applications of the applicant DE 10 2004 041 649 A1, DE 10 2005 034 925 A1, DE 10 2006 016 773 A1, DE 10 2007 028 663 A1.
  • the elongation of the MRE material achievable in the magnetic field depends crucially on its mechanical properties, which can be adjusted by means of composition and production.
  • Castable elastomeric materials such as silicones or polyurethanes, thermoplastic elastomers, polynorbornenes, etc. can be selected for the MRE matrix or the elastomer matrices. The choice is made according to the requirements of the application; the respective ones
  • elastomers made of natural and synthetic rubber with which hitherto only relatively small changes in mechanical properties and a relatively small extent in the magnetic field could be achieved, are widely used in industry. Nevertheless, elastomers of this type, such as e.g. Natural rubber, nitrile rubber (NBR), hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber (HNBR) or ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), which may contain or form elastomeric matrices.
  • NBR nitrile rubber
  • HNBR hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber
  • EPDM ethylene-propylene-diene rubber
  • magnetizable particles all known from the prior art for MREs or for the magnetorheological fluids particles can be used.
  • magnetizable particles of soft magnetic materials such as. B. of soft magnetic metallic materials, soft magnetic oxide ceramic
  • Whether a blockade or, conversely, release of the relative movement of the parts is brought about when applying the magnetic field according to the invention in the adaptive arrester depends above all on the mutual arrangement of the shaped body and the parts, on the choice of the magnetic field generating elements and on the guidance of the magnetic field lines the respective embodiment.
  • a gap between the shaped body and one of the parts to be blocked without magnetic field can be by a suitable magnetic field line extension of the molding into the gap and as a result, a frictional and / or positive connection between the molding and reach the part when applying the magnetic field.
  • the relative movement of the parts without magnetic field can be blocked and only released by the switching on of the magnetic field.
  • the adaptive lock of the invention is exactly two components, such as a piston (eg, fixed to a vehicle door) and a concentric tube (eg, fixed to the door frame) that open when the door is opened twisted or displaced relative to the piston.
  • a piston eg, fixed to a vehicle door
  • a concentric tube eg, fixed to the door frame
  • the relative movement of three or more components with one another can be blocked in a controlled manner by means of one or more moldings, for example by providing the mold or molds in each case for a pairwise movement blockade of these components. It may also be provided from a MRE two or more moldings.
  • Embodiments having more than one molded article of MRE may be advantageous for reasons of symmetry and stability. However, it is also possible to use two or more moldings of two or more different MREs.
  • a magnetic field generating element such as a permanent magnet or an electromagnet, in addition from the outside of the invention Feststell- and
  • adaptive brakes there are in addition to the vehicle technology (cars, trucks, construction machinery, cranes, trains, trams, etc.) in particular also applications in mechanical engineering, e.g. in robotics, in medical technology, in security door technology and in the private sector (home automation).
  • vehicle technology cars, trucks, construction machinery, cranes, trains, trams, etc.
  • mechanical engineering e.g. in robotics, in medical technology, in security door technology and in the private sector (home automation).
  • An essential advantage of the principle according to the invention over the prior art is the free (continuous) selectability of the positions at which e.g. a rising door should be fixed, namely the eligibility in the future and not in advance. It is possible to use the adaptive lock by means of
  • Change magnetic field in a controlled manner to stop at any point necessary for example by coupling with a distance sensor (eg with a radar sensor, ultrasonic sensor or an optical measuring system).
  • a distance sensor eg with a radar sensor, ultrasonic sensor or an optical measuring system.
  • the locking and releasing device according to the invention basically allows external control, if necessary.
  • a relatively small number of construction elements is required for the basic principle, which makes a simple and compact construction of the device possible.
  • the at least one shaped body of an MRE is located directly or by means of a block in the position of the adaptive arrester
  • the molded body of a MRE can either generate the blockage between the two basically mutually movable parts by a frictional connection between the two parts either when expanding or contracting.
  • a frictional connection of the (at least) two parts is achieved in that the molded body is in mechanical contact with each of the parts, i. H. each directly or by means of an intermediate piece frictionally applied thereto.
  • a sliding or static friction adhesion can be generated by the molding abuts by its deformation with a certain pressure on the respective counterpart.
  • Whether the traction leads to a sliding or static friction will depend, among other things, on the strength of the forces acting in the direction of the relative movement of the parts and on the relative friction coefficients. From a certain strength of these opposing forces the complete blockage is released and the sliding friction in place the static friction occur.
  • the frictional connection between the shaped body and at least one of the parts additionally or exclusively based on a positive connection, i. the molded body and the part, when frictionally locked (in the above general sense, i.e. in the case of a mechanical contact under mutual force), have complementary outer surfaces, e.g. Recesses and projections which interlock. Possible is z.
  • a positive connection i. the molded body and the part
  • frictionally locked in the above general sense, i.e. in the case of a mechanical contact under mutual force
  • complementary outer surfaces e.g. Recesses and projections which interlock.
  • Possible is z.
  • the shaped body partially sinks in its expansion in the magnetic field with one of its sides in a matching recess of the counterpart.
  • the relative movement of the affected elements can typically be blocked more effectively than in the case of traction solely due to stiction.
  • the molded body and one of the parts can / may also be involved in one or more additional part (s).
  • a suitable solid material can be selected for the additional part, which also allows processing to a required form-fitting profile.
  • the strength of the non-positive connection can be further increased.
  • the strength of the movement block in the adaptive brake according to the invention can be controlled by varying the magnetic field strength.
  • Particularly preferred is a continuous adjustability of the magnetic field strength and thus the deformation of the molding and the blocking force according to the invention to a flexible adaptation to the requirements of the application.
  • an arrangement of the shaped body, optionally several moldings, between the parts to be blocked makes it possible to realize a compact arrangement of the adaptive arrester according to the invention and, on the other hand, to reduce the number of necessary components.
  • the greatest possible frictional surface can also be generated by arranging the molded body or bodies between the two parts.
  • the molded body z. B. be arranged laterally to be blocked or to be solved parts.
  • the shaped body may be arranged on a further mechanical component such that it expands in the magnetic field in the direction of the parts to be blocked, as a result of which it bears pressure and thus prevents it from moving relative to it.
  • the mechanical component can in this case z. B. be a clip.
  • the molded body may be attached to one of the parts to be blocked.
  • Movement blockage can in this case, for example, due to an expansion of the
  • Shaped body can be achieved in the direction of the second part. Preferably, this results directly in a positive connection of the two parts. Alternatively, the shaped body may also be attached to the additional part.
  • the locking and releasing device encloses one of the two parts of the other of the two parts - or a further part - at least largely.
  • one part is translated relative to a translational axis with respect to a translation axis and / or rotationally with respect to a - preferably common - axis of rotation.
  • a locking and releasing device in which the parts to be blocked can be rotated about a common axis relative to each other or in which the arrangement of the parts for some other reason at least partially rotational symmetry about a common axis, is an annular with respect to this axis trained Shaped body particularly preferred. This can also have recesses or projections. In specific embodiments with an axis of symmetry, the shaped body can expand radially in the magnetic field (perpendicular to the axis of symmetry) or axially (parallel to the axis of symmetry and contract again when the magnetic field is switched off.)
  • a shaped body can cause blockage of the parts both by its expansion and, alternatively, by contracting in a particular direction. This is preferably done by the fact that it expands when switching on or switching off the magnetic field either largely parallel or largely perpendicular to translation or rotation axis.
  • magnetorheological elastomer expands along or at least as a function of a magnetic field gradient.
  • the MRE material is typically attracted to the regions with increasing magnetic field strength gradient. This typically applies to MRE materials containing soft magnetic particles.
  • an expansion of the MRE will result in a contraction of the shaped body in the directions perpendicular thereto. Expansion and contraction directions for the shaped body can be influenced by a suitable choice of the magnetic field and its guidance.
  • At least two shaped bodies are present, these preferably synchronously fulfill the same function when the magnetic field is switched on or off. H. either synchronize or release the two parts synchronously.
  • the blocking of the parts is to be produced by a contraction of the shaped body in a certain direction, this can be realized, for example, by forming during the contraction of the shaped body another mechanical element, such as e.g. a movable plate or a spring, which preferably bears against the molded body with pressure, displaces and thereby generates a movement blockage for the parts. For example, a positive connection of this element to the two parts can arise.
  • a magnetic field generating element is contained, by means of which a magnetic circuit can be constructed and controlled, extend the magnetic field lines in the at least one shaped body in a certain direction. Furthermore, in particular with relatively large-sized adaptive fasteners or for reasons of symmetry in symmetrical structures, the use of two or more
  • an electromagnet with a coil serves as the magnetic field generating element.
  • a big advantage is the possibility to use the strength of the magnetic field due to the current intensity
  • Electromagnet to vary continuously. Furthermore, a coupling to others
  • Control means such.
  • a distance sensor e.g., a radar sensor, an ultrasonic sensor, or an optical measuring system
  • a hand control in this case directly possible.
  • Another important advantage is in devices with at least partial axial symmetry of the parts to be blocked with a common axis in the rotational symmetry of a conventional coil.
  • the shaped body which is arranged except for possible recesses annular around the same axis in the magnetic field of the coil radially (ie perpendicular to the axis of symmetry) expand and contract in the direction parallel to this axis or vice versa, so that one with respect to the axis of symmetry uniform blocking effect can be achieved.
  • a permanent magnet which can not be controlled independently can serve as a magnetic field generating element.
  • the material for this can be selected by the skilled person in a suitable manner; For example, an alloy of neodymium-iron-boron (NdFeB) or samarium-cobalt (SmCo) is well suited. If the permanent magnet is the only source for the change of the magnetic field, the switching on and off or the variation of the
  • Magnetic field strength in this case, for example, by moving the permanent magnet on the adaptive lock to or away from it or be caused by the displacement of the magnet within the adaptive lock. This can e.g. in smaller or portable locking and loosening devices, e.g. if no power source for the
  • the permanent magnet is nearby. If the permanent magnet is present in addition to the electromagnet, the magnetic field generated by the electromagnet overlaps that of the permanent magnet.
  • the advantage of this construction can be seen in the fact that the permanent magnet can be used to maintain a specific, desired shape of the magnetorheological elastomer without permanently supplying power to the device in the form of current.
  • the locking and releasing device instead of the permanent magnet, contains a switchable hard magnet, which can be formed from any suitable material, for example, and preferably from an aluminum-nickel-cobalt alloy.
  • This magnet has the same properties as the previously described permanent magnet, except that with the aid of the electromagnet the field of the hard magnet - e.g. in the case of AINiCo alloy due to its low coercive field strength - can be changed, which then after switching off the
  • Electromagnet permanently remains present. Preferred for the present invention is the use of an electromagnet, possibly in
  • Combination with a permanent magnet and / or a switchable hard magnet It is also possible to combine one or more electromagnets with one or more permanent magnets and / or one or more switchable hard magnets in order to ensure the greatest possible flexibility in the abovementioned aspects.
  • the magnetic field generating element may be attached to one of the parts to be blocked. Alternatively, it is in the embodiments with an additional part, the
  • the locking and releasing device has a space which is filled with a fluid medium, e.g. filled with a gas or a liquid.
  • a fluid medium e.g. filled with a gas or a liquid.
  • the locking and releasing device comprises two chambers which are interconnected by a channel through which the fluid medium can flow from one chamber to the other and which is partially or completely closed by one or more moldings in the blocking position of the device according to the invention ,
  • the molded article upon expansion or contraction, the molded article will occlude an opening through which the fluid would otherwise flow during the relative movement of the parts.
  • the blockage is then based primarily on a pressure difference between the two chambers, which builds up quickly against each other with a displacement of the parts, because the channel is partially or completely closed.
  • the fluid channel can also run partially or completely outside the device.
  • the addition of further chambers can also be advantageous.
  • the molding is mechanically protected by one or more plates (or walls) on one or more of its outer surfaces not intended to rest on the parts, the plates / walls preferably being movable relative to the parts and preferably bearing pressure against the molding.
  • the adaptive lock has one or more
  • Spring elements e.g. a leaf or plate spring, on, by means of which the molded body is mechanically biased.
  • the function of the device according to the invention can be improved.
  • the choice between one or more spring elements is made depending on the arrangement and number of moldings, for example, two spring elements occupy the molded body at its opposite end faces with pressure.
  • the at least one spring element can also be used in combination with the at least one plate / wall to produce a frictional connection of the parts to be blocked by the deformation of the shaped body, preferably by means of an additional part. This allows the molding additionally mechanically protected and in his
  • the spring for bias in combination with the movable wall / plate protects the elastomer at its maximum movement by a positive connection of the plate / wall with other mechanical components.
  • the locking and releasing device comprises two or even more shaped bodies of one or more magnetorheological elastomers. This is particularly advantageous for elongated structures.
  • the two or more moldings may in such cases be disposed at the opposite ends of the apparatus, whereby increased stability and effectiveness with respect to the size of the MRE moldings can be achieved.
  • elastomeric carrier media are used for the MRE or for various MREs of the locking and releasing device according to the invention, which is a shear modulus
  • Excellent properties of the resulting MRE in magnetic fields can be achieved by using particularly "soft elastomeric carrier media.”
  • soft elastomeric carrier media are understood as meaning, in addition to the shear modulus described above, a shear hardness A of less than 20, preferably less than 10, and a modulus of elasticity A peculiarity of such MRE is that with a reduction in the degree of crosslinking in the elastomer, although the basic thrust modulus decreases as expected, the shear modulus increases in some cases but surprisingly in a strong magnetic field.
  • Elastomers of this type are commercially available, for example from Bayer AG or Wacker-Chemie GmbH.
  • the elastomers can be prepared in such a way that, starting from the liquid reactants, a thermal or photochemical crosslinking is carried out, the starting materials being designed so that a degree of crosslinking and shear modulus corresponding to the above embodiment is established.
  • a sulfur crosslinking can be used for this purpose.
  • the elastomeric carrier medium preferably contains silicone or polyurethane.
  • Silicone elastomers are obtained, for example, by polyaddition of long-chain,
  • Dimethylsiloxane polymers produced. Depending on the location of the silane groups, the polymers are extended to chains or crosslinked to a three-dimensional network. By varying the silane content, the resulting during crosslinking silicone elastomer in his
  • Vernetzungsgrad and thus be adjusted in its modulus values.
  • a plasticizer such as.
  • a silicone oil the hardness of the elastomer can also be influenced.
  • Polyurethane elastomers are synthesized, for example, by polyaddition of hydroxyl with cyanate groups.
  • the functionality of the cyanate or hydroxyl reagents determine the degree of crosslinking: bifunctional starting materials extend the molecular chains, trifunctional starting materials form three-dimensional crosslinking sites.
  • an elastic carrier medium may be selected from one or more natural rubber and / or polynorbornene types.
  • the basic stiffness of such materials may be selected from one or more natural rubber and / or polynorbornene types.
  • Elastomer composites with magnetizable particles without external magnetic field can be influenced by the selected natural rubber / polynorbornene, the degree and type of chemical crosslinking, the addition of a plasticizer and the magnetizable particles.
  • the added crosslinking agents are, for example, organic peroxides and / or sulfur systems.
  • the mechanical properties such.
  • the storage modulus of such elastomer composites can be rapidly and reversibly increased as a function of an external magnetic field up to about two orders of magnitude.
  • thermoplastic elastomers in particular, styrene block copolymers can be selected, e.g. Styrene-olefin block copolymers or mixtures thereof.
  • a suitable elastomer matrix are those which contain or consist of nitrile rubber (NBR), hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber (HNBR) or ethylene-propylene-diene rubber (EPDM).
  • NBR nitrile rubber
  • HNBR hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber
  • EPDM ethylene-propylene-diene rubber
  • plasticizer based on the elastomers, are contained in the elastomer matrix. This means that the plasticizer is not only contained in small quantities as an additive in the MRE, but it is called structure-forming
  • paraffinic or naphthenic oils with 20 to 300 wt .-%, particularly preferably with 30 to 200 wt .-%, based on the thermoplastic elastomers used.
  • magnetizable particles are used.
  • magnetizable particles of soft magnetic materials examples include: soft magnetic materials such as iron, cobalt, nickel (even in non-pure form) and alloys thereof such as iron-cobalt, iron-nickel, magnetic steel, iron-silicon and / or mixtures thereof. Furthermore, magnetizable particles of soft magnetic materials.
  • soft magnetic materials such as iron, cobalt, nickel (even in non-pure form) and alloys thereof such as iron-cobalt, iron-nickel, magnetic steel, iron-silicon and / or mixtures thereof.
  • magnetizable particles of soft magnetic materials examples include: soft magnetic materials such as iron, cobalt, nickel (even in non-pure form) and alloys thereof such as iron-cobalt, iron-nickel, magnetic steel, iron-silicon and / or mixtures thereof.
  • magnetizable particles of soft magnetic materials such as iron, cobalt, nickel (even in non-pure form) and alloys thereof such as iron-cobalt, iron-nickel, magnetic steel, iron-silicon and
  • soft magnetic oxide ceramic materials are chosen, such as cubic ferrites, perovskites and garnets of the general formula: MO.Fe 2 0 3 with one or more metals from the group Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, Cd or magnesium and / or mixtures thereof. It is also possible to use mixed ferrites such as MnZn, NiZn, NiCo, NiCuCo, NiMg, CuMg ferrites and / or mixtures thereof, or else particles of iron carbide, iron nitride,
  • magnetic particles in the at least one MRE of the present invention are selected from iron, with carbonyl iron being particularly preferred, cobalt, nickel, iron alloy, e.g. Iron / cobalt or iron / nickel chosen.
  • carbonyl iron being particularly preferred
  • cobalt nickel
  • iron alloy e.g. Iron / cobalt or iron / nickel chosen.
  • magnetic particles of iron oxide e.g. from magnetite, his.
  • hard-magnetic particles can also be selected as magnetisable particles.
  • a permanent mechanical reinforcement of the composite matrix in particular its basic rigidity, is also possible by a magnetic field applied only for a short time due to the permanent residual magnetization of the particles.
  • a combination of soft magnetic and hard magnetic particles in an MRE material for the locking and releasing device according to the invention may be advantageous.
  • Magnetic field on its basic stiffness and other mechanical properties depends on the volume concentration, but also on the type of particles, the particle size distribution and the particle shape.
  • the preferred average particle size is in the range of 5 nm to 10 mm, more preferably between 10 nm and 1 mm.
  • the particle size distribution can also be bimodal.
  • the volume concentration of the particles based on the total volume of the composite material can vary in an advantageous embodiment of the arrester between 1 and 70%, more preferably between 10 and 50%.
  • the magnetisable particles can be distributed isotropically or anisotropically in the elastomer matrix.
  • an anisotropic arrangement can be advantageous, which is achieved by embossing a chain-like structure along the field lines already before and / or during crosslinking by applying a magnetic field to the magnetizable particles. Due to the strength of the prevailing magnetic field before or during the networking, subtleties of the embossed structure can be predetermined.
  • an isotropic arrangement may also be preferred.
  • a uniform distribution of the particles in the elastomer matrix is achieved by applying a magnetic field by careful homogenization.
  • the possibility of the anisotropic or isotropic arrangement of the magnetizable particles in the elastomer matrix has an important significance in the MRE materials of the arrester according to the invention.
  • the basic mechanical properties of the MREs, but also their change when applying or changing a magnetic field can be additionally adjusted.
  • Suitable magnetorheological elastomers may also preferably include additives known in the art, e.g. Dispersants, Antioxidants, Defoamers,
  • Plasticizers and / or anti-wear agents included.
  • An advantageous composition of suitable MREs is as follows:
  • the proportion of magnetizable particles is between 5 and 70 vol .-%, preferably between 10 and 60 vol .-%.
  • the proportion of the elastomeric carrier medium is between 20 and 95 vol .-%, preferably between 30 and 90 vol .-%.
  • the proportion of additives is up to 20% by mass, preferably between 0.01 and 15% by mass, based on the magnetizable solids.
  • the invention relates to a locking and Lissevoriquesskit having a locking and releasing device according to the invention and additionally one or more magnetic field generating elements, in particular a permanent magnet and / or an electromagnet.
  • the kit provides the equipment for controlled application or modification of the magnetic field, as already mentioned above.
  • the kit also provides the ability to additionally vary the strength and distribution of the magnetic field within the device. It is e.g. possible to attach a magnet from the outside, which changes the magnetic field and its gradient. The now present gradient can move the MRE in a different direction.
  • a kit may also be helpful in emergency situations, e.g. if the device or the built-in magnet is either too weak or too strong or out of operation.
  • the kit has magnetic field generating elements of different magnetic field strength, in particular two or more permanent magnets of different magnetic field strength or differently dimensioned electromagnets.
  • Another aspect of the present invention is an operating method for controllably blocking and / or releasing relatively moving parts of a plant using the locking and releasing device and / or the locking and loosening device kit of the present invention.
  • a magnetic field is applied or changed within the molded body in such a way that deforms the molding as a result, and the device passes from a blocking order in a position in which the freedom of movement of the blocked parts is restored, or vice versa.
  • the strength of the blockage in the blockage position is controlled by the variation of the magnetic field strength.
  • Fig. 1 a a first embodiment of the locking and releasing device according to the invention with non-positive principle in the dissolved state without magnetic field
  • Fig. 3a shows a third embodiment of the locking and releasing device according to the invention with hydraulic / pneumatic principle in the dissolved state
  • Fig. 4a shows an advantageous development of the third embodiment in the released state Fig. 4b) the locking and releasing device of Fig. 4a) in the locked state
  • Fig. 5a shows a fourth embodiment of the locking and releasing device according to the invention
  • FIG. 6 shows a variant of the embodiment according to FIG. 2, in which the magnetic flux guide for the release process is improved, FIG.
  • Fig. 7 shows a variant of the release operation by an axial compression (Fig. 7a): blocked
  • FIG. 8 shows a variant of the embodiment of Fig. 1, but here without magnetic field in
  • Fig. 9 is a blocking device with axial extension of the MRE-shaped body
  • FIG. 10 shows a blocking device as shown in FIG. 9, but in dissolved form without and blocked with magnetic field, FIG.
  • Fig. 1 1 shows a further variant with axial expansion of the MRE-shaped body in particular for rotational configurations, in dissolved form without and blocked with
  • FIG. 14 shows a specific embodiment with additional switchable hard magnet.
  • the crossed surface symbolizes the coil of an electromagnet.
  • the magnetorheological elastomer is characterized by a white surface; in Figures 6 to 14, this elastomer is shown in dark gray.
  • the hard magnet in Fig. 14 is marked with a textile-acting filling. It should be clear that the components shown as magnetically conductive need only have as much magnetically conductive material as is necessary for the construction of the magnetic field lines.
  • a first embodiment of the locking and releasing device according to the invention is shown, which is based on a non-positive principle.
  • the structure here consists of a piston rod 1, on which a magnetic field generating element 3 sits (here a coil, but can be replaced by a permanent magnet or a combination thereof) and the front side of the coil 3 each have a molded body 4 from a MRE.
  • This combination can be made against the outer shell 2 of a magnetic material, such as made of iron, nickel or a simple steel, to be moved horizontally along the axis R.
  • the respective shaped body 4 here e.g. in the form of a ring, can be cast as a block in a mold, or be manufactured by injection molding or another method of elastomer technology.
  • Fig. 1 b the locking and releasing device of Fig. 1 a) is shown in the locked state.
  • the piston rod 1, the molded body 4 and the outer shell 2 form a magnetic circuit.
  • the molded body 4 expands radially upon application of a magnetic field and forms a frictional connection with the outer shell 2.
  • the freedom of movement of the inner piston 1 is thereby inhibited and it is a higher force needed to move the inner piston 1.
  • the process is reversible, i. after switching off the magnetic field, the MRE and thus the shaped body 4 returns to its initial state as in Fig. 1 a) back.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the adaptive arrester, in which the blocking takes place without a magnetic field and is canceled when a magnetic field is applied.
  • the two MRE rings 4 are in Fig. 2a) both on the inside of the piston rod 1 and on the outer shell 20 and thus represent a frictional connection between the outer shell 20 and the inner part with piston rod 1. An axial displacement of the outer shell 20th relative to the inner part with piston rod 1 is thus prevented, d. H. the
  • Locking device is without applying a magnetic field in the blocking state.
  • Fig. 2b the release of the MRE rings 4 of the outer shell 20 and thus the lifting of the blockade by applying a magnetic field is shown.
  • the non-magnetic outer sheath 20 for example made of a non-magnetic steel, such as suitable stainless steel, or plastic, etc.
  • a strong inhomogeneous magnetic field is generated by the resulting open magnetic circuit. This is particularly strong on the piston rod 1 and is radially weaker towards the outer shell 20.
  • the MRE rings 4 contract radially inwards; They are pressed into the width due to the volume retention in the axial direction.
  • FIG. 3 a third embodiment of the locking and releasing device according to the invention with an inner flow channel 5 is shown.
  • the molded body 4 and the magnetic field generating element 3 here a coil, but can be replaced by a permanent magnet or a combination thereof mounted.
  • the inner piston 6 can be moved horizontally in FIG. 3 a along the axis of symmetry R against the outer shell 2.
  • Flow channel 5 is conveyed from one chamber to the other, whereby a pressure equalization takes place.
  • An arrangement with an external flow channel 5 is also possible.
  • Fig. 3b the third embodiment of the locking and releasing device is shown in the locked state.
  • the inner piston 6 forms, together with the shaped body 4 and the piston rod 1, a magnetic circuit.
  • the shaped body 4 expands radially and closes the flow channel 5.
  • the closure of the flow channel 5 through the shaped body 4 can be done partially or completely to complete blocking depending on the strength of the magnetic field. The process is reversible, i. after this
  • Fig. 4a an advantageous development of the third embodiment is shown.
  • the inner piston 6 is extended by a protective plate 7 frontally over the molded body 4.
  • MRE are usually soft materials, which can be destroyed by high mechanical loads.
  • the protective plate 7 is as a radially matching element with recesses as
  • Shaped body 4 is additionally fixed by the protective plate 7 and before mechanical
  • Fig. 4b this development is shown in the blocked state.
  • the inner piston 6 forms, together with the shaped body 4 and the piston rod 1, a magnetic circuit.
  • the molded body 4 expands radially and blocks the
  • FIG. 5a an outer shell 2 is shown, which is displaceable against the inner structure horizontally along the rotation axis R.
  • the inner piston 6 consists of a magnetic field generating element 3 (shown here by a coil, but can also be replaced by a permanent magnet or a combination thereof), at least one molded body 4, a protective plate 7, a spring element 8, a mechanical element 9 with inflow, against which the spring element 8 is supported, and the piston rod. 1
  • the inner elements are arranged so that, as in FIG. 3 a) or 4 a), a flow channel 5 is formed. Through the entire structure, there are two chambers (a and b), which can be filled with a gas, a hydraulic medium, etc.
  • Fig. 5b) shows the fourth embodiment of the locking and releasing device in the blocked
  • the piston rod 1, the molded body 4 and the inner piston 6 form a
  • the molded body 4 expands radially and shortens in axial width.
  • the protective plate 7 moves in the direction of the center of the arrester and reduces or closes the flow channel 5.
  • Magnetic field is a partial or complete closing of the flow channel 5 possible.
  • the protective plate 7 is designed so that it enters a frictional connection with the conically executed piston rod 1 in the fully closed state and in this way causes a mechanical blockage of the relative movement of the piston rod 1 and the inner piston 6 along the axis of symmetry R.
  • the movement of the protective plate 7 is supported by the spring element 8, which is supported against the mechanical element 9 with the inlet openings.
  • FIGS. 1 to 5 show rotationally symmetrical arrangements. If one considers only the respective upper half of each figure and reads the figure in each case as a cross section through a device extending in the direction of the drawing plane, then the described principle applies to the blockage or release of the relative translational movement of the parts 1 and 2 or 20 in the direction R respectively for such a device without
  • the magnetic field generating element 3 may in this case z. B. be a permanent magnet.
  • Magnetic field In this case, an additional magnetic part is required in each case in addition to the molded body, to which the molded body is used upon activation.
  • the magnetic field now passes over the additional component, through the molded body and closes over the symmetrical counterpart on the other side. It is important that between the molding and the additional component is an air gap, since this is filled by the magnetic field through the molded body upon activation of the shaped body, as it contracts radially, but axially expands.
  • the non-magnetic outer shell is again shown interrupted by a magnetic yoke, which improves the magnetic flux guidance for the release process. In both cases of radial or axial expansion, it is possible to solve two positively and / or non-positively connected components against each other, so as to allow rotation or translation.
  • Shaped body on the inner wall of the outer, relative to the inner part movable part is shown in Fig. 8. Under the influence of a magnetic field as shown by the arrows, the solution of the device takes place.
  • the wall is shown profiled; a relatively soft magnetorheological elastomer adapts when pressed against this shape.
  • the magnetorheological elastomer itself is also profiled such that the profiles can interlock positively.
  • Another variant uses a profiled attachment on that side of the MRE, which is to come to rest on the moving part.
  • FIG. 9 Another embodiment is shown in Fig. 9 as a release device.
  • the MRE clamps the middle rod o.
  • the like Not radially relative to the outer part, but in the axial direction centric of the rod (middle yoke) against a connected to the housing
  • non-magnetic component disc
  • Fig. 1 1 shows a blocking device, which is preferably rotational, which also works with an axial extension of the MRE body. Due to the additional magnetic components of the MRE-shaped body is axially stretched under the action of the magnetic field and connects the two previously mutually movable parts, so that a blockage arises.
  • Fig. 12 shows the same concept, but as a release device and without magnetic
  • Fig. 13 is an embodiment with axial
  • the upper part of the figure shows the magnetic field free blocked position, the lower part of the dissolved position under the influence of the magnetic field.
  • FIG. 14 shows a particular embodiment using an electromagnet in combination with a switchable hard magnet (arranged centrally in the middle part 1) with radial expansion of the MRE shaped body.
  • the upper part of the figure shows the dissolved state without magnetic field; the hard magnet is demagnetized.
  • the lower part of the figure shows the
  • A. locking device comprising at least two mutually movable parts, at least one molded article of a magnetorheological elastomer (MRE) and a
  • Magnetic field can be controlled.
  • Magnetic field form the field lines that pass through the MRE, a gradient in a direction in which there is a gap adjacent to the MRE, in which the MRE expands.
  • Locking device according to one of the aspects A to G, wherein the arrangement of the magnet and possibly magnetic parts is such that when turning on the magnetic field, the field lines that pass through the MRE generate a gradient in a direction in which the MRE is located adjacent to one of the parts of the locking device, while a gap extends parallel to the gradient next to the MRE, such that the MRE expands perpendicular to the gradient direction.
  • J. Locking device according to one of the preceding aspects, wherein the molded article of a magnetorheological elastomer either during expansion or during
  • Preload in combination with the movable wall at maximum movement of the elastomer protects it by a positive connection with other mechanical components.
  • Particles are arranged in the magnetorheological elastomer either isotropic or anisotropic in the elastomer matrix.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Feststell- und Lösevorrichtung, die zwei relativ zueinander bewegliche Teile, mindestens einen Formkörper aus einem magnetorheologischen Elastomer (MRE) und ein Magnetkreissystem mit mindestens einem magnetfelderzeugenden Element aufweist, wobei der mindestens eine Formkörper Bestandteil des Magnetkreissystems ist und derart ausgebildet ist, dass er sich beim Anlegen oder Verändern eines Magnetfeldes derart verformen kann, dass die relative Bewegung der Teile blockiert oder freigegeben wird. Die Erfindung hat ferner ein Feststell- und Lösevorrichtungskit aus einem erfindungsgemäßen adaptiven Feststeller sowie zusätzlich mindestens einem magnetfelderzeugenden Element zum Gegenstand. Sie betrifft auch ein Verfahren zum gesteuerten Blockieren und/oder Freigeben von relativ zueinander beweglichen Teilen einer Anlage unter Verwendung der Feststell- und Lösevorrichtung und/oder des Feststell- und Lösevorrichtungskits.

Description

Adaptive Feststell- und Lösevorrichtung und deren Verwendung zum gesteuerten Blockieren bzw. Freigeben beweglicher Bauteile
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gesteuerten Blockieren und/oder Freigeben eines beweglichen Teils einer Anlage in Relation zu einem zweiten Teil, z. B. zum Ver- bzw.
Entriegeln von Türen, Toren, Fenstern, Klappen, Deckeln und ähnlichen Elementen, die im Folgenden als Feststell- und Lösevorrichtung bzw. als adaptiver Feststeller bezeichnet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum gesteuerten Blockieren und/oder
Freigeben von relativ zueinander beweglichen Teilen einer Anlage.
Aus dem Stand der Technik sind Feststellvorrichtungen bekannt, die auf mechanischen und mechanisch-hydraulischen Prinzipien beruhen.
Mechanische Feststeller sind typischerweise in ihren Stellpunkten voreingestellt und in ihrer Mechanik vergleichsweise einfach aufgebaut; sie sind daher auch günstig in der Herstellung. Beispielsweise kommen sie als Türfeststeller bei einer Automobiltür zum Einsatz, welche beim Öffnen an bestimmten Punkten zu fixieren ist. In der Regel sind diese Fixpunkte (zwei oder mehr) vorab eingestellt und können nicht ohne weiteres verändert werden. Damit ist es insbesondere nicht möglich, frei wählbare Zwischenpositionen zu fixieren.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt im Zusammenhang mit Fahrzeugtürfeststellern ist eine sichere und zuverlässige Ver- bzw. Entriegelung von Türen im Falle eines Unfalls. Während eines Unfalls, z.B. bei einem Aufprall eines Automobils auf ein Hindernis oder ein anderes Fahrzeug, sollen die Türen geschlossen und verriegelt bleiben. Nachdem das Auto zum
Stillstand gekommen ist, sollen die Türen entriegeln und somit zu öffnen sein, damit der Innenraum prinzipiell für die Rettungskräfte zugänglich ist. Herkömmliche mechanische
Türfeststellerkonstruktionen sehen dies nicht vor, denn hier sind die Grenzen von rein mechanischen Aufbauten erreicht.
Mechanisch-hydraulische Feststeller können eine Tür auch an beliebigen Punkten fixieren. Bekannte Feststeller dieser Art sind jedoch in ihrer Mechanik sehr komplex und damit auch kostenintensiv. Bekannt ist z.B. ein hydraulischer Türfeststeller der Fa. Stabilus, siehe z. B. DE 10 2009 020 951 A1 .
Ferner ist hinsichtlich einer gezielten Beeinflussung bzw. Veränderung eines Fluidstromes DE 10 2008 057 575 bekannt. Bei dem darin beschriebenen Aktor wird durch eine Verformung eines magnetorheologischen Elastomer-Elements im Magnetfeld eine Verengung der
Querschnittsfläche eines durch den Aktor fließenden Fluidstroms bewirkt. In spezifischen Ausgestaltungen stellt dieser Aktor der Form nach eine Art Venturi-Düse ohne Abzweigrohr dar. Es handelt sich hierbei um eine reine Fluidstromkontrolle. In DE 10 2008 038813 A1 wird eine Vorrichtung zum selektiven Steuern und Variieren des Reibungskraftniveaus an einer Grenzfläche zwischen zwei Körpern beschrieben, die mit Hilfe eines„aktiven Materials" erfolgen kann, das nach Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft erfährt. Für dieses wird eine Vielzahl von Möglichkeiten
angegeben; die Aufzählung umfasst auch magnetorheologische Elastomere, ohne dass erläutert wäre, wo und wie diese konkret angeordnet und aktiviert werden könnten.
In US 2006/0145544 A1 ist ein Aktuator, z.B. Motor gezeigt, der mit Hilfe von zwei
Klemmvorrichtungen und einer Feder die Translation einer Stange relativ zu sich bewirken kann. Für die Klemmvorrichtung wird dem Grunde nach eine Vielzahl von Materialien vorgeschlagen, darunter auch magnetorheologische Elemente. Wie die Vorrichtung hiermit betrieben werden könnte, wird jedoch nicht offenbart.
Festzuhalten ist insgesamt, dass weder mechanische noch mechanisch-hydraulische
Türfeststeller im Stand der Technik eine stufenlose und auch von außen vorgebbare Regelung ermöglichen, und dass die Verwendung von magnetorheologischen Elastomer-Elementen bisher eher als theoretische Möglichkeit vorgeschlagen wurde.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feststell- und Lösevorrichtung und ein Verfahren zum gesteuerten Blockieren und/oder Freigeben eines beweglichen Teils in Relation zu einem zweiten Teil in einer Anlage, wie z. B. einer Tür oder eines Deckels bei einem Fahrzeug bzw. einem Behälter, anzugeben, welche eine stufenlose Steuerung und
gegebenenfalls eine Steuerung von außen bei einem vergleichsweise einfachen Aufbau der Feststell- und Lösevorrichtung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Feststell- und Lösevorrichtung gelöst, die die (mindestens) zwei genannten, relativ zueinander beweglichen Teile, mindestens einen Formkörper aus einem magnetorheologischen Elastomer (MRE) und ein Magnetkreissystem mit mindestens einem magnetfelderzeugenden Element aufweist, wobei der mindestens eine Formkörper (nach Möglichkeit in seiner Gesamtheit; zumindest aber teilweise) Bestandteil des
Magnetkreissystems und derart ausgebildet ist, dass er sich beim Anlegen oder Verändern eines Magnetfelds derart verformen kann, dass die relative Bewegung der Teile blockiert oder freigegeben wird. Die erfindungsgemäße Feststell- und Lösevorrichtung wird nachstehend auch als adaptiver Feststeller bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Prinzip beruht auf der Verformung unter Ausdehnung bzw. Kontraktion von magnetorheologischen Elastomeren und somit von daraus geformten Körpern in einem (insbesondere inhomogenen) äußeren Magnetfeld, das durch ein an bzw. in der Vorrichtung befindliches Magnetkreissystem induziert wird. Diese Verformung beruht auf der Veränderung des Magnetisierungszustandes der im MRE vorhandenen magnetisierbaren Partikel. Geeignet sind vor allem Komposite aus einem nicht-magnetisierbaren elastomeren Trägermedium (Elastomermatrix) und darin enthaltenen magnetisierbaren bzw. magnetischen Partikeln. Bei geeigneten MRE-Materialien für einen adaptiven Feststeller nach der Erfindung ist eine relative Ausdehnung bzw. Kontraktion beim Anlegen bzw. Verändern des Magnetfelds von wenigstens 1 %, vorzugsweise von bis zu 5%, besonders bevorzugt von bis zu10 % oder sogar mehr möglich. Bei einer im Hinblick auf den Energieaufwand bei der Magnetfelderzeugung vorteilhaften Ausgestaltung des adaptiven Feststellers bzw. bei dessen Betrieb nimmt die relative Ausdehnung bzw. Kontraktion des Formkörpers Werte etwa zwischen 5% und 10% an.
Zusätzlich zur Ausdehnung bzw. Kontraktion eines Formkörpers aus MRE kann die
erfindungsgemäße Blockade der relativen Bewegung von Teilen durch eine Veränderung mechanischer Eigenschaften des MRE-Materials im Magnetfeld unterstützt werden. Als Beispiele hierfür sind vor allem der Schubmodul, der E-Modul, der Speichermodul und der Verlustmodul (die das elastische Verhalten bzw. die Energiedissipation beschreiben) sowie der jeweilige Steigerungsfaktor dieser Parameter im Magnetfeld zu nennen. Mechanische
Eigenschaften des MRE sind besonders relevant bei solchen Ausführungsformen des adaptiven Feststellers, in denen der Formkörper einer beträchtlichen mechanischen Belastung ausgesetzt wird. Dies kann unter anderem bei einer Bewegungsblockade durch eine kraftschlüssige Verbindung der Teile mittels des Formkörpers (siehe weiter unten) eine wichtige Rolle spielen.
Beispiele geeigneter MRE-Materialien, deren Herstellung und Eigenschaften sind unter anderem den älteren Anmeldungen der Anmelderin DE 10 2004 041 649 A1 , DE 10 2005 034 925 A1 , DE 10 2006 016 773 A1 , DE 10 2007 028 663 A1 zu entnehmen. Dabei hängt die im Magnetfeld erreichbare Dehnung des MRE-Materials entscheidend von seinen mechanischen Eigenschaften ab, die über die Zusammensetzung und die Herstellung eingestellt werden können.
Für die MRE-Matrix bzw. die Elastomermatrices können gießfähige Elastomermaterialien wie Silicone oder Polyurethane, Thermoplastische Elastomere, Polynorbornene etc. ausgewählt werden. Die Wahl erfolgt je nach den Erfordernissen der Anwendung; die jeweiligen
Möglichkeiten und Vorteile sind weiter unten und auch in den genannten Druckschriften genauer angegeben. Technisch weit verbreitet sind darüber hinaus Elastomere aus Natur- und Synthesekautschuk, mit denen bisher jedoch nur relativ geringe Änderungen mechanischer Eigenschaften und eine relativ geringe Ausdehnung im Magnetfeld erreicht werden konnten. Dennoch können auch Elastomere dieser Art, wie z.B. Naturkautschuk, Nitrilkautschuk (NBR), Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR) oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), in den Elastomermatrices enthalten sein oder diese ausbilden.
Bei den magnetisierbaren Partikeln können alle aus dem Stand der Technik für MREs bzw. für die magnetorheologischen Flüssigkeiten bekannten Partikel eingesetzt werden. Besonders gut geeignet sind magnetisierbare Teilchen aus weichmagnetischen Materialien, wie z. B. aus weichmagnetischen metallischen Werkstoffen, weichmagnetischen oxidkeramischen
Werkstoffen, Mischferriten und/oder jeweilige Mischungen. Vorteilhaft kann aber auch das Auswählen hartmagnetischer Partikel sein, die in einem Magnetfeld magnetisiert werden und nach dem Abschalten des Magnetfeldes eine teilweise Restmagnetisierung behalten und dadurch die bleibende Ausdehnung und ggf. auch die mechanische Belastbarkeit des MRE erhöhen können. Auch auf die geeignete Wahl magnetisierbarer Teilchen und damit verbundene Vorteile wird weiter unten ausführlicher eingegangen und hierfür kann unter anderem ebenfalls auf die genannten Druckschriften verwiesen werden.
Durch die Verformung des Formkörpers beim Anlegen oder Verändern eines Magnetfelds wird erfindungsgemäß die relative Bewegung der prinzipiell bezüglich einander beweglichen Bauteile einer Anlage blockiert bzw. freigegeben. Unter der Blockade der relativen Bewegung der Teile wird im Kontext der Erfindung eine Hemmung dieser Bewegung verstanden, die je nach Stärke der einwirkenden Kräfte die relative Bewegung teilweise beeinträchtigen bis vollständig verhindern kann.
Ob beim erfindungsgemäßen Anlegen des Magnetfelds im adaptiven Feststeller eine Blockade oder, umgekehrt, Freigabe der relativen Bewegung der Teile herbeigeführt wird, hängt vor allem von der gegenseitigen Anordnung des Formkörpers und der Teile, von der Wahl der magnetfelderzeugenden Elemente sowie von der Führung der Magnetfeldlinien in der jeweiligen Ausführungsform ab.
Liegt z.B. bei einer spezifischen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Spalt zwischen dem Formkörper und einem der zu blockierenden Teile ohne Magnetfeld vor, so lässt sich durch eine geeignete Magnetfeldlinienführung eine Ausdehnung des Formkörpers in den Spalt hinein und im Ergebnis eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Formkörper und dem Teil beim Anlegen des Magnetfelds erreichen. Alternativ kann bei einer geeigneten Wahl und Anordnung der Bestandteile des erfindungsgemäßen adaptiven Feststellers die relative Bewegung der Teile ohne Magnetfeld blockiert sein und erst durch das Anschalten des Magnetfelds freigegeben werden.
In einem einfachen Fall handelt es sich bei dem adaptiven Feststeller nach der Erfindung um genau zwei Bauteile, wie z.B. einen (z.B. fest mit einer Fahrzeugtür verbundenen) Kolben und ein (z.B. mit dem Türrahmen fest verbundenes) konzentrisches Rohr, das sich beim Öffnen der Tür relativ zum Kolben verdreht oder verschiebt. Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, bei denen die relative Bewegung von drei oder mehr Bauteilen untereinander mittels eines oder mehrerer Formkörper kontrolliert blockiert werden kann, z.B. indem der oder die Formkörper jeweils für eine paarweise Bewegungsblockade dieser Bauteile sorgen. Es können auch zwei oder mehr Formkörper aus einem MRE vorgesehen sein.
Ausführungsformen mit mehr als einem Formkörper aus einem MRE können aus Symmetrie- und Stabilitätsgründen von Vorteil sein. Es können aber auch zwei oder mehr Formkörper aus zwei oder mehr verschiedenen MRE eingesetzt werden.
Die beschriebenen Vorgänge sind grundsätzlich reversibel, solange der
Magnetisierungszustand und die Anordnung der Partikel beim Abstellen der
Magnetfeldänderung in deren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Das hängt mit der Elastizität der Verformung der Elastomermatrix zusammen. Dies bedeutet unter anderem, dass die relative Bewegungsfreiheit der Bauteile mit dem adaptiven Feststeller nach der Erfindung grundsätzlich nicht nur blockiert sondern auch wieder freigegeben bzw. dass der ganze
Vorgang auch mehrmals wiederholt werden kann. Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, bei denen die Herstellung einer Bewegungsblockade für die Teile bzw. deren Lösung auch nur einmal erfolgen sollen.
Die Wahl eines magnetfelderzeugenden Elements ist je nach den Erfordernissen der
Anwendung weitgehend frei. Darüber hinaus werden statische oder langsam variierende Magnetfelder nicht durch einen umschließenden Körper aus Metall abgeschirmt. So kann in einer Ausführungsform ein magnetfelderzeugendes Element, wie z. B. ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet, zusätzlich von außen an die erfindungsgemäße Feststell- und
Lösevorrichtung herangebracht werden, um innerhalb dieser ein Magnetfeld bzw. eine
Magnetfeldänderung zu erzeugen. Dies stellt insbesondere eine einfache Methode dar, die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise in Notfällen von außen anzusteuern. Diese und weitere Steuerungsmöglichkeiten werden weiter unten ausführlicher geschildert.
Für adaptive Feststeller gemäß der Erfindung gibt es neben der Fahrzeugtechnik (PKW, LKW, Baumaschinen, Kräne, Züge, Straßenbahnen etc.) insbesondere auch Anwendungen im Maschinenbau, z.B. in der Robotik, ferner in der Medizintechnik, in der Sicherheitstüren-Technik und im privaten Bereich (Haustechnik).
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Prinzips gegenüber dem Stand der Technik besteht in der freien (kontinuierlichen) Wählbarkeit der Positionen, an denen z.B. eine aufgehende Tür fixiert werden soll, und zwar die Wählbarkeit in der Zukunft und nicht im Voraus. Dabei besteht die Möglichkeit, den adaptiven Feststeller mittels der
Magnetfeldänderung auf eine kontrollierte Weise an jedem notwendigen Punkt anzuhalten, beispielsweise durch Kopplung mit einem Abstandssensor (z.B. mit einem Radarsensor, Ultraschallsensor oder einem Optischen Messsystem). In dem genannten Beispiel kann dadurch das Anschlagen der Autotür an ein benachbartes Fahrzeug oder einen Absperrpoller grundsätzlich vermieden werden. Die Feststell- und Lösevorrichtung nach der Erfindung lässt darüber hinaus grundsätzlich eine Steuerung von außen zu, wenn dies erforderlich sein sollte. Schließlich ist für das Grundprinzip eine relativ geringe Anzahl von Konstruktionselementen erforderlich, was einen einfachen und kompakten Aufbau der Vorrichtung möglich macht.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform liegt der mindestens eine Formkörper aus einem MRE in der Blockadestellung des adaptiven Feststellers unmittelbar oder mittels eines
Zusatzteils kraftschlüssig an beiden Teilen an. Auf diese Weise ist die relative Bewegung der Teile gehemmt bis vollständig blockiert. Der Formkörper aus einem MRE kann dabei entweder beim Ausdehnen oder beim Zusammenziehen die Blockierung zwischen den beiden grundsätzlich zueinander beweglichen Teilen durch einen Kraftschluss zwischen den beiden Teilen erzeugen.
Eine kraftschlüssige Verbindung der (mindestens) zwei Teile wird dadurch erreicht, dass der Formkörper mit jedem der Teile in einem mechanischen Kontakt steht, d. h. jeweils unmittelbar oder mittels eines Zwischenstücks kraftschlüssig daran anliegt. Beispielsweise kann ein auf einer Gleit- bzw. Haftreibung beruhender Kraftschluss erzeugt werden, indem der Formkörper durch seine Verformung mit einem bestimmten Druck an dem jeweiligen Gegenstück anliegt. Ob der Kraftschluss zu einer Gleit- oder Haftreibung führt, wird unter anderem von der Stärke der in Richtung der relativen Bewegung der Teile wirkenden Kräfte und von den relativen Reibungskoeffizienten abhängen: Ab einer gewissen Stärke dieser Gegenkräfte wird die vollständige Blockade gelöst und die Gleitreibung an Stelle der Haftreibung treten.
Vorzugsweise beruht die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Formkörper und mindestens einem der Teile zusätzlich oder ausschließlich auf einem Formschluss, d.h. der Formkörper und das Teil weisen beim Kraftschluss (im obigen allgemeinen Sinne, d.h. bei einem mechanischen Kontakt unter gegenseitiger Krafteinwirkung) zueinander komplementäre Außenflächen, wie z.B. Ausnehmungen und Vorsprünge auf, die ineinander greifen. Möglich ist z. B. eine Vorrichtung, bei der der Formkörper bei seiner Ausdehnung im Magnetfeld mit einer seiner Seiten in einer passenden Ausnehmung des Gegenstücks teilweise versinkt. Die relative Bewegung der betroffenen Elemente wird dadurch typischerweise effektiver blockiert werden können, als bei einem Kraftschluss allein durch Haftreibung.
An dem Formschluss zwischen dem Formkörper und einem der Teile kann/können auch ein oder mehrere Zusatzteil(e) beteiligt sein. Während der Formkörper aus MRE typischerweise relativ weich und flexibel ist, kann für das Zusatzteil ein geeigneter fester Werkstoff gewählt werden, welcher darüber hinaus eine Verarbeitung zu einem erforderlichen Formschlussprofil zulässt. Auf diese Weise kann die Stärke der kraftschlüssigen Verbindung weiterhin gesteigert werden. Vorzugsweise lässt sich die Stärke der Bewegungsblockade im erfindungsgemäßen adaptiven Feststeller durch Variation der Magnetfeldstärke steuern. Alternativ dazu ist eine einfache Variante, die lediglich ein An- und Abschalten des Magnetfelds einer vorgegebenen Stärke vorsieht. Besonders bevorzugt ist eine kontinuierliche Einstellbarkeit der Magnetfeldstärke und damit der Verformung des Formkörpers und der erfindungsgemäßen Blockierkraft zu einer flexiblen Anpassung an die Anforderungen der Anwendung.
Vorteilhaft ist eine Anordnung des Formkörpers, gegebenenfalls mehrerer Formkörper, zwischen den zu blockierenden Teilen. Zum einen lässt sich dadurch eine kompakte Anordnung des adaptiven Feststellers gemäß der Erfindung realisieren, zum anderen die Anzahl dessen notwendiger Bestandteile reduzieren. Bei Ausführungsformen mit einem auf der Reibung beruhenden Kraftschluss lässt sich durch eine Anordnung des oder der Formkörper zwischen den beiden Teilen zudem die größtmögliche Reibungsfläche erzeugen.
Alternativ dazu kann der Formkörper z. B. seitlich der zu blockierenden bzw. zu lösenden Teile angeordnet sein. Der Formkörper kann in einer solchen Ausführungsform an einem weiteren mechanischen Bauelement derart angeordnet sein, dass er sich im Magnetfeld in Richtung der zu blockierenden Teile ausdehnt, an diesen infolgedessen mit Druck anliegt und sie dadurch an einer relativen Bewegung hindert. Das mechanische Bauelement kann in diesem Fall z. B. eine Klammer sein.
Der Formkörper kann an einem der zu blockierenden Teile befestigt sein. Eine
Bewegungsblockade kann in diesem Fall beispielsweise infolge einer Ausdehnung des
Formkörpers in Richtung des zweiten Teils erreicht werden. Vorzugsweise entsteht dabei unmittelbar eine kraftschlüssige Verbindung der beiden Teile. Alternativ kann der Formkörper gegebenenfalls auch am Zusatzteil befestigt sein.
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Feststell- und Lösevorrichtung umschließt eines der beiden Teile den anderen der beiden Teile - oder einen weiteren Teil - zumindest weitgehend. Hierbei oder unabhängig davon wird in den meisten Fällen im gelösten Zustand der eine Teil gegenüber dem anderen Teil translatorisch bezüglich einer Translationsachse und/oder rotatorisch bezüglich einer - vorzugsweise gemeinsamen - Rotationsachse verschoben.
In einer Feststell- und Lösevorrichtung, bei der die zu blockierenden Teile um eine gemeinsame Achse relativ zueinander verdreht werden können oder bei der die Anordnung der Teile aus einem anderen Grund eine zumindest teilweise Rotationssymmetrie um eine gemeinsame Achse aufweist, ist ein bezüglich dieser Achse ringförmig ausgebildeter Formkörper besonders bevorzugt. Dieser kann auch Ausnehmungen oder Vorsprünge aufweisen. Bei spezifischen Ausgestaltungen mit einer Symmetrieachse kann sich der Formkörper im Magnetfeld z.B. radial (senkrecht zur Symmetrieachse) oder axial (parallel zur Symmetrieachse ausdehnen und beim Abschalten des Magnetfeldes wieder zusammenziehen. Diese zwei unterschiedlichen Varianten sind z.B. in den ersten zwei Ausführungsbeispielen und in den zugehörigen Figuren 1 , 2 bzw. 3, 4 weiter unten dargestellt
In einem adaptiven Feststeller nach der Erfindung kann ein Formkörper daher sowohl durch seine Ausdehnung als auch, alternativ, durch das Zusammenziehen in einer bestimmten Richtung die Blockierung der Teile erzeugen. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, dass er sich beim Einschalten oder Abschalten des Magnetfeldes entweder weitgehend parallel oder weitgehend senkrecht zu Translations- bzw. Rotationsachse ausdehnt. Das
magnetorheologische Elastomer dehnt sich dabei in der Regel entlang oder zumindest in Abhängigkeit eines Magnetfeldgradienten aus. Das MRE-Material wird dabei typischerweise zu den Bereichen mit steigendem Magnetfeldstärkegradienten hin angezogen. Dies gilt typischerweise für MRE-Materialien, welche weichmagnetische Partikel enthalten. In der Regel wird eine Ausdehnung des MRE eine Kontraktion des Formkörpers in den dazu senkrechten Richtungen zur Folge haben. Ausdehnungs- und Kontraktionsrichtungen für den Formkörper lassen sich durch eine geeignete Wahl des Magnetfeldes und seiner Führung beeinflussen.
Sofern mindestens zwei Formkörper vorhanden sind, erfüllen diese beim Einschalten oder Abschalten des Magnetfeldes vorzugsweise synchron die gleiche Funktion, d. h. stellen die beiden Teile entweder synchron fest oder lösen sie synchron.
Wenn die Blockierung der Teile durch ein Zusammenziehen des Formkörpers in einer bestimmten Richtung erzeugt werden soll, kann dies beispielsweise verwirklicht sein, indem sich bei der Kontraktion des Formkörpers ein weiteres mechanisches Element, wie z.B. eine bewegliche Platte oder eine Feder, die am Formkörper bevorzugt mit Druck anliegt, verschiebt und dadurch eine Bewegungsblockade für die Teile erzeugt. Beispielsweise kann dabei ein Formschluss dieses Elements zu den beiden Teilen entstehen. Diese und weitere Möglichkeiten einer erfindungsgemäßen Bewegungsblockade durch das Zusammenziehen des Formkörpers werden weiter unten detaillierter beschrieben.
In dem adaptiven Feststeller nach der Erfindung ist ein magnetfelderzeugendes Element enthalten, mittels dessen ein Magnetkreis aufgebaut und gesteuert werden kann, dessen Magnetfeldlinien in dem mindestens einen Formkörper in einer bestimmten Richtung verlaufen. Weiterhin kann insbesondere bei relativ groß dimensionierten adaptiven Feststellern oder aus Symmetriegründen bei symmetrischen Aufbauten der Einsatz von zwei oder mehr
magnetfelderzeugenden Elementen von Vorteil sein. In spezifischen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Feststell- und Lösevorrichtung dient ein Elektromagnet mit einer Spule als das magnetfelderzeugende Element. Ein großer Vorteil ist dabei die prinzipielle Möglichkeit, die Stärke des Magnetfelds durch die Stromstärke im
Elektromagnet kontinuierlich zu variieren. Ferner ist eine Ankopplung an weitere
Steuerungsmittel, wie z. B. an einen Abstandssensor (z.B. an einen Radarsensor, einen Ultraschallsensor oder ein Optisches Messsystem) oder an eine Handbedienung, in diesem Fall direkt möglich. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht bei Vorrichtungen mit einer zumindest teilweisen Axialsymmetrie der zu blockierenden Teile mit einer gemeinsamen Achse in der Rotationssymmetrie einer herkömmlichen Spule. In einer solchen Ausführungsform wird sich beispielsweise der Formkörper, der bis auf mögliche Ausnehmungen ringförmig um dieselbe Achse angeordnet ist, im Magnetfeld der Spule radial (d.h. senkrecht zur Symmetrieachse) ausdehnen und in Richtung parallel zu dieser Achse zusammenziehen oder umgekehrt, sodass eine bezüglich der Symmetrieachse gleichmäßige blockierende Wirkung erzielt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann ein - nicht selbstständig steuerbarer - Permanentmagnet als magnetfelderzeugendes Element dienen. Das Material hierfür kann der Fachmann in geeigneter Weise auswählen; beispielsweise ist eine Legierung aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) oder Samarium-Cobalt (SmCo) gut geeignet. Ist der Permanentmagnet die einzige Quelle für die Änderung des Magnetfeldes, kann das An- und Abschalten bzw. die Variation der
Magnetfeldstärke dabei beispielsweise durch das Bewegen des Permanentmagneten auf den adaptiven Feststeller zu oder von diesem weg oder aber durch die Verschiebung des Magneten innerhalb des adaptiven Feststellers bewirkt werden. Dies kann z.B. in kleineren oder tragbaren Feststell- und Lösevorrichtungen von Vorteil sein, z.B. wenn keine Stromquelle für den
Magneten in der Nähe ist. Ist der Permanentmagnet zusätzlich zum Elektromagneten vorhanden, überlagert sich das vom Elektromagneten erzeugte Magnetfeld mit dem des Permanentmagneten. Der Vorteil dieser Konstruktion kann darin gesehen werden, dass mit dem Permanentmagneten eine spezifische, gewünschte Form des magnetorheologischen Elastomeren aufrechterhalten werden kann, ohne dass der Vorrichtung dauerhaft Energie in Form von Strom zugeführt werden müsste.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Feststell- und Lösevorrichtung anstelle des Permanentmagneten einen schaltbaren Hartmagneten, der aus beliebigem geeignetem Material, beispielsweise und bevorzugt aus einer Aluminium-Nickel-Cobalt- Legierung, gebildet sein kann. Dieser Magnet weist dieselben Eigenschaften wie der zuvor beschriebene Permanentmagnet auf, mit der Ausnahme, dass mit Hilfe des Elektromagneten das Feld des Hartmagneten - z.B. im Falle der AINiCo-Legierung aufgrund von dessen niedriger Koerzitiv-Feldstärke - verändert werden kann, welches dann nach Abschalten des
Elektromagneten dauerhaft präsent bleibt. Bevorzugt für die vorliegende Erfindung ist die Nutzung eines Elektromagneten, ggf. in
Kombination mit einem Permanentmagneten und/oder einem schaltbaren Hartmagneten. Es können auch ein oder mehrere Elektromagnete mit einem oder mehreren Permanentmagneten und/oder einem oder mehreren schaltbaren Hartmagneten kombiniert werden, um eine größtmögliche Flexibilität in den genannten Aspekten zu gewährleisten.
Das magnetfelderzeugende Element kann an einem der zu blockierenden Teile befestigt sein. Alternativ dazu bietet es sich bei den Ausführungsformen mit einem Zusatzteil an, den
Magneten daran zu befestigen.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Feststell- und Lösevorrichtung einen Raum auf, der mit einem fluiden Medium, z.B. mit einem Gas oder einer Flüssigkeit, gefüllt ist. Eine solche Vorrichtung ermöglicht eine Blockade bzw. Freigabe der relativen Beweglichkeit der Teile mit pneumatischen bzw. hydraulischen Mitteln.
Auch Kombinationen der beiden bevorzugten Ausführungsformen, d.h. Kombinationen einer kraftschlüssigen Verbindung und pneumatisch/hydraulischer Mittel zur erfindungsgemäßen Blockade oder Freigabe der beweglichen Teile mittels eines Formkörpers, sind möglich, wobei nur einige davon in den nachfolgenden Beispielen genannt und gezeigt werden.
Vorzugsweise weist die Feststell- und Lösevorrichtung zwei Kammern auf, die durch einen Kanal miteinander verbunden sind, durch welchen das fluide Medium aus einer Kammer in die andere fließen kann und welcher in der Blockadestellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch einen oder mehrere Formkörper teilweise oder vollständig verschlossen ist.
Beispielsweise wird der Formkörper entweder beim Ausdehnen oder beim Zusammenziehen eine Öffnung verschließen, durch die das Fluid sonst bei der relativen Bewegung der Teile hindurchströmen würde. Die Blockierung beruht dann vor allem auf einer Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern, die sich bei einer Verschiebung der Teile gegeneinander rasch aufbaut, weil der Kanal teilweise oder ganz geschlossen ist. Der Fluidkanal kann auch teilweise oder ganz außerhalb der Vorrichtung verlaufen. Weiterhin kann auch die Hinzunahme weiterer Kammern von Vorteil sein.
Vorzugsweise ist der Formkörper an einer oder mehreren seiner nicht zum Anliegen an den Teilen vorgesehenen Außenflächen durch eine oder mehrere Platten (bzw. Wände) mechanisch geschützt, wobei die Platten/Wände bevorzugt bezüglich der Teile beweglich sind und bevorzugt mit Druck an dem Formkörper anliegen. Diese Maßnahmen beugen zum einen einem möglichen vorzeitigen Verschleiß des Formkörpers vor, zum anderen unterstützen sie die mechanischen Funktionen des Formkörpers bei der Herstellung bzw. Lösung der
erfindungsgemäßen Bewegungsblockade. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der adaptive Feststeller ein oder mehrere
Federelemente, z.B. eine Blatt- oder Tellerfeder, auf, mittels derer der Formkörper mechanisch vorgespannt ist. Dadurch kann die erfindungsgemäße Funktion der Vorrichtung verbessert werden. Die Wahl zwischen einem oder mehreren Federelementen erfolgt je nach Anordnung und Anzahl der Formkörper, wobei beispielsweise zwei Federelemente den Formkörper an seinen entgegengesetzten Stirnflächen mit Druck belegen.
Das mindestens eine Federelement kann ferner in Kombination mit der mindestens einen Platte/Wand zur Erzeugung einer kraftschlüssigen Verbindung der zu blockierenden Teile durch die Verformung des Formkörpers eingesetzt werden, vorzugsweise mittels eines Zusatzteils. Dadurch kann der Formkörper zusätzlich mechanisch geschützt und in seiner
erfindungsgemäßen Funktion unterstützt werden.
In einer spezifischen Ausgestaltung schützt die Feder zur Vorspannung in Kombination mit der beweglichen Wand/Platte das Elastomer bei seiner maximalen Bewegung durch eine formschlüssige Verbindung der Platte/Wand mit anderen mechanischen Bauteilen.
In spezifischen Ausgestaltungen weist die erfindungsgemäße Feststell- und Lösevorrichtung zwei oder sogar mehr Formkörper aus einem oder verschiedenen magnetorheologischen Elastomeren auf. Dies ist besonders bei länglichen Aufbauten von Vorteil. Die zwei oder mehr Formkörper können in solchen Fällen an den entgegengesetzten Enden der Vorrichtung angeordnet sein, wodurch eine erhöhte Stabilität und Effektivität in Bezug auf die Größe der MRE-Formkörper erreicht werden kann.
Vorzugsweise werden für das MRE oder für verschiedene MREs der erfindungsgemäßen Feststell- und Lösevorrichtung elastomere Trägermedien eingesetzt, die einen Schubmodul
< 500 kPa gemessen bei einer Frequenz von 10 Hz und einer Deformation von 1 %, bevorzugt
< 250 kPa, aufweisen. Damit lassen sich Steigerungen im Schubmodul um den Faktor 100 oder mehr erreichen. Für weitere Details wird im Folgenden auf DE 10 2004 041 649 A1 , DE 10 2005 034 925 A1 , DE 10 2006 016 773 A1 , DE 10 2007 028 663 A1 verwiesen.
Ausgezeichnete Eigenschaften der resultierenden MRE in Magnetfeldern können dadurch erzielt werden, dass besonders„weiche elastomere Trägermedien" eingesetzt werden. Unter derartigen weichen elastomeren Trägermedien werden solche verstanden, die neben dem vorstehend beschriebenen Schubmodul eine Schorehärte A von unter 20, bevorzugt unter 10 und einen Elastizitätsmodul < 1500 kPa, bevorzugt < 750 kPa aufweisen. Eine Besonderheit solcher MRE besteht darin, dass bei einer Verringerung des Vernetzungsgrades im Elastomer zwar der Grundschubmodul erwartungsgemäß abnimmt, der Schubmodul in einem starken Magnetfeld teilweise aber überraschenderweise zunimmt. Elastomere dieser Art sind käuflich erhältlich, z.B. bei Bayer AG oder Wacker-Chemie GmbH. Die Elastomere können dabei so hergestellt werden, dass ausgehend von den flüssigen Edukten eine thermische oder photochemische Vernetzung durchgeführt wird, wobei die Edukte so ausgelegt sind, dass ein der obigen Ausführung entsprechender Vernetzungsgrad und Schubmodul eingestellt wird. Beispielsweise kann hierfür eine Schwefelvernetzung eingesetzt werden.
Dabei enthält das elastomere Trägermedium bevorzugt Silicon oder Polyurethan.
Silicon-Elastomere werden beispielsweise durch Polyaddition von langkettigen,
vinylgruppenhaltigen Dimethylsiloxan-Polymeren mit kurzkettigen, silanhaltigen
Dimethylsiloxan-Polymeren hergestellt. Je nach Lage der Silan-Gruppen werden die Polymere zu Ketten verlängert oder zu einem dreidimensionalen Netzwerk vernetzt. Durch Variation des Silan-Anteils kann das bei der Vernetzung entstehende Silicon-Elastomer in seinem
Vernetzungsgrad und somit in seinen Modulwerten eingestellt werden. Durch die Zugabe eines Weichmachers, wie z. B. eines Siliconöls, kann die Härte des Elastomers ebenfalls beeinflusst werden.
Polyurethan-Elastomere werden beispielsweise durch Polyaddition von Hydroxyl- mit Cyanat- Gruppen synthetisiert. Die Funktionalität der Cyanat- oder Hydroxyl-Reagenzien bestimmen hierbei den Vernetzungsgrad: Bifunktionelle Edukte verlängern die Molekülketten, trifunktionelle Edukte bilden dreidimensionale Vernetzungsstellen.
Weiterhin kann ein elastisches Trägermedium aus einem oder mehreren Naturkautschuk- und/oder Polynorbornen-Typen ausgewählt werden. Die Grundsteifigkeit eines solchen
Elastomerkomposits mit magnetisierbaren Partikeln ohne äußeres Magnetfeld kann durch den gewählten Naturkautschuk / das gewählte Polynorbornen, den Grad und die Art der chemischen Vernetzung, die Zugabe eines Weichmachers sowie die magnetisierbaren Partikel beeinflusst werden. Die zugegebenen Vernetzungsmittel sind dabei beispielsweise organische Peroxide und/oder Schwefel-Systeme. Die mechanischen Eigenschaften wie z. B. der Speichermodul derartiger Elastomerkomposite lassen sich in Abhängigkeit eines externen Magnetfeldes bis zu etwa zwei Größenordnungen schnell und reversibel steigern.
Vorteilhaft kann ferner die Wahl von mindesten einem thermoplastischen Elastomer zum Bilden einer thermoplastischen Elastomermatrix sein. Als thermoplastische Elastomere können insbesondere Styrol-Block-Copolymere gewählt werden, z.B. Styrol-Olefin-Block-Copolymere oder deren Mischungen.
Weitere Beispiele für eine geeignete Elastomermatrix sind solche, die Nitrilkautschuk (NBR), Hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR) oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) enthalten oder daraus bestehen. Vorzugsweise sind dabei in der Elastomermatrix mindestens 10 Gew.-% Weichmacher, bezogen auf die Elastomere, enthalten. Das bedeutet, der Weichmacher ist nicht lediglich in geringen Mengen als Additiv im MRE enthalten, sondern er wird als strukturbildende
Komponente in größeren Mengen der Elastomermatrix zugesetzt. Durch die Einarbeitung derart großer Mengen an Weichmachern wird eine sehr niedrige Grundhärte des Elastomers eingestellt, die dann besonders hohe Steigerungsraten mechanischer Eigenschaften, wie z.B. der Reißdehnung, bis zu 1000%, oder des Schubmoduls im Magnetfeld ermöglichen. Ein weiterer Vorteil besteht in einer relativ leichten Verarbeitbarkeit solcher Materialien bei
Herstellungsverfahren wie Extrudieren oder Spritzgießen. Als Weichmacher können
paraffinische oder naphthenische Öle mit 20 bis 300 Gew.-%, besonders bevorzugt mit 30 bis 200 Gew.-%, bezogen auf die thermoplastischen Elastomere, eingesetzt werden.
Wie eingangs erwähnt, können für das eine oder die mehreren MREs im erfindungsgemäßen Feststeller grundsätzlich alle im Zusammenhang mit den magnetorheologischen Elastomeren bzw. Elastomerkompositen und den magnetorheologischen Flüssigkeiten bekannten
magnetisierbaren Partikel eingesetzt werden.
Vorzugsweise sind dies magnetisierbare Partikel aus weichmagnetischen Materialien. Beispiele hierfür sind: Weichmagnetische Werkstoffe wie Eisen, Kobalt, Nickel (auch in nicht-reiner Form) und Legierungen daraus wie Eisen-Kobalt, Eisen-Nickel, magnetischer Stahl, Eisen-Silizium und/oder deren Mischungen. Weiterhin können magnetisierbare Teilchen aus
weichmagnetischen oxidkeramischen Materialien gewählt werden, wie kubische Ferrite, Perowskite und Granate der allgemeinen Formel: MO.Fe203 mit einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, Cd oder Magnesium und/oder Mischungen davon. Auch können Mischferrite wie MnZn-, NiZn-, NiCo-, NiCuCo-, NiMg-, CuMg-Ferrite und/oder deren Mischungen eingesetzt werden, oder auch Partikel aus Eisencarbid, Eisennitrid,
Legierungen von Vanadium, Wolfram, Kupfer und Mangan und/oder deren Mischungen.
Vorzugsweise werden magnetische Partikel in dem mindestens einen MRE der vorliegenden Erfindung aus Eisen, wobei Carbonyleisen besonders bevorzugt ist, aus Cobalt, aus Nikel, aus einer Eisenlegierung, wie z.B. Eisen/Cobalt oder Eisen/Nickel gewählt. Vorteilhaft kann auch die Wahl magnetischer Partikel aus Eisenoxid, wie z.B. aus Magnetit, sein. Es können auch magnetische Teilchen aus Ferrit, wie z.B. aus Manganzinkferrit, eingesetzt werden. Auch Mischungen der genannten Partikelarten können geeignet sein.
Ferner können als magnetisierbare Teilchen auch hartmagnetische Partikel ausgewählt werden. Bei resultierenden magnetorheologischen Kompositen ist eine permanente mechanische Verstärkung der Kompositmatrix, insbesondere deren Grundsteifigkeit, auch durch ein nur kurzzeitig angelegtes Magnetfeld durch die bleibende Restmagnetisierung der Partikel möglich. Beispielsweise wird zu diesem Zweck mindestens ein hartmagnetischer Werkstoff gewählt aus der Gruppe bestehend aus Legierungen basierend auf Al-Ni-Co, Al-Ni-Co-Fe-Ti, Cr-Fe-Co, Fe-Co-V-Cr, Pt-Co, Cu-Ni-Fe, Seltenerdverbindungen wie RE-Co, RE-Fe-B, RE-Fe-N, wobei RE = Sm, Ce, Pr, Nd und/oder Dy ist, z.B. Nd-Fe-B, Nd-Pr-Fe-Co-Ti-Zr-B, Pr-Fe-Co-Nd-B, Sm-Fe-N; Hartferriten, bevorzugt gemäß der Formel MO nFe203, wobei M1 = Ba, Sr und/oder Pb und bevorzugt 4,5 < n < 6,5 sowie Mischungen und/oder Legierungen davon.
Insbesondere kann auch eine Kombination weichmagnetischer und hartmagnetischer Partikel in einem MRE-Material für die Feststell- und Lösevorrichtung nach der Erfindung von Vorteil sein.
Der Einfluss der magnetisierbaren Teilchen auf die relative Ausdehnung des MRE im
Magnetfeld, auf seine Grundsteifigkeit und andere mechanischen Eigenschaften hängt von der Volumenkonzentration, aber auch von der Art der Partikel, der Partikelgrößenverteilung und der Partikelform ab. Die bevorzugte mittlere Partikelgröße liegt dabei im Bereich von 5 nm bis 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 10 nm und 1 mm. Die Partikelgrößenverteilung kann auch bimodal sein. Die Volumenkonzentration der Teilchen bezogen auf das Gesamtvolumen des Kompositmaterials kann dabei in einer vorteilhaften Ausführungsform des Feststellers zwischen 1 und 70%, besonders bevorzugt zwischen 10 und 50% variieren.
Bei den MRE-Materialien in der erfindungsgemäßen Feststell- und Lösevorrichtung können die magnetisierbaren Partikel isotrop oder anisotrop in der Elastomermatrix verteilt sein.
Vorteilhaft kann die Wahl einer anisotropen Anordnung sein, die dadurch erreicht wird, dass den magnetisierbaren Teilchen bereits vor und/oder während der Vernetzung durch Anlegen eines Magnetfeldes eine kettenförmige Struktur entlang der Feldlinien eingeprägt wird. Durch die Stärke des vor bzw. während der Vernetzung herrschenden Magnetfeldes lassen sich Feinheiten der eingeprägten Struktur vorgeben.
Es kann aber auch eine isotrope Anordnung bevorzugt sein. Eine gleichmäßige Verteilung der Teilchen in der Elastomermatrix wird ohne Anlegen eines Magnetfeldes durch sorgfältiges Homogenisieren erreicht.
Die Möglichkeit der anisotropen bzw. isotropen Anordnung der magnetisierbaren Partikel in der Elastomermatrix hat bei den MRE-Materialien des erfindungsgemäßen Feststellers eine wichtige Bedeutung. Damit können die mechanischen Grundeigenschaften der MREs, aber auch deren Veränderung beim Anlegen bzw. Verändern eines Magnetfeldes zusätzlich eingestellt werden.
Geeignete magnetorheologischen Elastomere können bevorzugt auch aus dem Stand der Technik bekannte Additive, wie z.B. Dispergiermittel, Antioxidantien, Entschäumer,
Weichmacher und/oder Antiverschleißmittel, enthalten. Eine vorteilhafte Zusammensetzung geeigneter MREs ist wie folgt:
- der Anteil der magnetisierbaren Partikel beträgt zwischen 5 und 70 Vol.-%, bevorzugt zwischen 10 und 60 Vol.-%.
- der Anteil des elastomeren Trägermediums beträgt zwischen 20 und 95 Vol.-%, bevorzugt zwischen 30 und 90 Vol.-%.
- der Anteil der Additive beträgt bis zu 20 Masse-%, bevorzugt zwischen 0,01 und 15 Masse-%, bezogen auf die magnetisierbaren Feststoffe.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Feststell- und Lösevorrichtungskit, welches eine erfindungsgemäße Feststell- und Lösevorrichtung und zusätzlich ein oder mehrere magnetfelderzeugende Elemente aufweist, insbesondere einen Permanentmagneten und/oder einen Elektromagneten. Für adaptive Feststeller nach der Erfindung, die keinen eigenen Magneten enthalten, liefert das Kit die Ausrüstung zum gesteuerten Anlegen bzw. Verändern des Magnetfelds, wie eingangs bereits erwähnt. Für Vorrichtungen mit einem eingebauten Magnetkreis gibt das Kit ferner die Möglichkeit, die Stärke und die Verteilung des Magnetfelds innerhalb der Vorrichtung zusätzlich zu variieren. Es ist z.B. möglich, einen Magneten von außen anzubringen, welcher das Magnetfeld und seinen Gradienten verändert. Der nun vorliegende Gradient kann das MRE in eine andere Richtung bewegen. Ein solches Kit kann auch in Notsituationen hilfreich sein, z.B. wenn die Vorrichtung bzw. der eingebaute Magnet entweder zu schwach oder zu stark oder aber außer Betrieb ist. Vorzugsweise weist das Kit magnetfelderzeugende Elemente unterschiedlicher Magnetfeldstärke, insbesondere zwei oder mehr Permanentmagnete unterschiedlicher Magnetfeldstärke oder unterschiedlich dimensionierte Elektromagnete auf.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren zum gesteuerten Blockieren und/oder Freigeben von relativ zueinander beweglichen Teilen einer Anlage unter Verwendung der erfindungsgemäßen Feststell- und Lösevorrichtung und/oder des Feststell- und Lösevorrichtungskits. Dabei wird ein Magnetfeld innerhalb des Formkörpers derart angelegt oder verändert, dass sich der Formkörper infolgedessen verformt und die Vorrichtung dadurch aus einer Blockadestellung in eine Stellung übergeht, in der die Bewegungsfreiheit der blockierten Teile wiederhergestellt ist, oder umgekehrt. Vorzugsweise wird die Stärke der Blockade in der Blockadestellung durch die Variation der Magnetfeldstärke gesteuert.
Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung dargestellten Ausgestaltungen und -beispiele erläutert. Diese sollen keine beschränkende Wirkung für den Erfindungsgegenstand haben, sondern als konkrete Beispiele dafür dienen. Insbesondere sind die Figuren schematische Darstellungen, die nicht maßstabsgetreu zu lesen sind. Es zeigen:
Fig. 1 a) eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Feststell- und Lösevorrichtung mit kraftschlüssigem Prinzip im gelösten Zustand ohne Magnetfeld
Fig. 1 b) die Feststell- und Lösevorrichtung aus Fig. 1 a) im blockierten Zustand mit
Magnetfeld
Fig. 2a) eine zweite Ausgestaltung mit kraftschlüssigem Prinzip im blockierten Zustand ohne
Magnetfeld
Fig. 2b) die Feststell- und Lösevorrichtung aus Fig. 2a) im freigegebenen Zustand mit
Magnetfeld
Fig. 3a) eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Feststell- und Lösevorrichtung mit hydraulischem/pneumatischem Prinzip im gelösten Zustand
Fig. 3b) die Feststell- und Lösevorrichtung aus Fig. 3a) im blockierten Zustand
Fig. 4a) eine vorteilhafte Weiterbildung der dritten Ausgestaltung im gelösten Zustand Fig. 4b) die Feststell- und Lösevorrichtung aus Fig. 4a) im blockierten Zustand
Fig. 5a) eine vierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Feststell- und Lösevorrichtung
Erfindung im gelösten Zustand
Fig. 5b) die Feststell- und Lösevorrichtung aus Fig. 5a) im blockierten Zustand
Fig. 6 eine Variante der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 zeigt, in der die Magnetflussführung für den Lösevorgang verbessert ist,
Fig. 7 eine Variante des Lösevorgangs durch eine axiale Stauchung (Fig. 7a): blockierte
Stellung; Fig. 7b): gelöste Stellung), ebenfalls mit verbesserter Magnetflussführung, Fig. 8 eine Variante der Ausgestaltung von Fig. 1 , hier jedoch ohne Magnetfeld im
blockierten Zustand mit Formschluss und mit Magnetfeld im gelösten Zustand, Fig. 9 eine Blockiervorrichtung mit axialer Ausdehnung des MRE-Formkörpers und
Blockade ohne, Lösung mit Magnetfeld,
Fig. 10 eine Blockiervorrichtung wie in Fig. 9 gezeigt, jedoch in gelöster Form ohne und blockiert mit Magnetfeld,
Fig. 1 1 eine weitere Variante mit axialer Ausdehnung des MRE-Formkörpers insbesondere für rotatorische Ausgestaltungen, in gelöster Form ohne und blockiert mit
Magnetfeld,
Fig. 12 eine Variante mit axialer Ausdehnung des MRE-Formkörpers insbesondere für rotatorische Ausgestaltungen, in blockierter Form ohne und gelöst mit Magnetfeld,
Fig. 13 eine spezifische Variante mit axialer Ausdehnung des MRE-Formkörpers, die ohne
Magnetfeld den blockierten Zustand und mit Magnetfeld den freigegebenen Zustand einnimmt, und
Fig. 14 eine spezifische Ausgestaltung mit zusätzlichem schaltbarem Hartmagneten. In den Figuren stehen schwarz gefüllte Bereiche für magnetisch isolierende bzw. nicht magnetische Bestandteile und schraffierte Bereiche für magnetische Bestandteile. Die gekreuzte Fläche symbolisiert die Spule eines Elektromagneten. In den Figuren 1 bis 5 ist das magnetorheologische Elastomer durch eine weiße Fläche gekennzeichnet; in den Figuren 6 bis 14 ist dieses Elastomer dunkelgrau dargestellt. Der Hartmagnet in Fig. 14 ist mit einer textil wirkenden Füllung gekennzeichnet. Es sollte klar sein, dass die als magnetisch leitend gezeigten Komponenten nur soweit magnetisch leitendes Material aufweisen müssen, als es für den Aufbau der Magnetfeldlinien erforderlich ist.
In Fig. 1 ist eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Feststell- und Lösevorrichtung dargestellt, die auf einem kraftschlüssigen Prinzip beruht. Dabei handelt es sich, wie in Fig. 1 a) gezeigt, um einen Aufbau aus zwei relativ zueinander beweglichen Teilen (1 ), (2), die horizontal entlang der Symmetrieachse R verschoben werden können. Der Aufbau besteht hier aus einer Kolbenstange 1 , auf der ein magnetfelderzeugendes Element 3 sitzt (hier eine Spule, kann aber durch einen Permanentmagneten oder eine Kombination daraus ersetzt werden) und stirnseitig an der Spule 3 jeweils ein Formkörper 4 aus einem MRE. Diese Kombination kann gegen die Außenhülle 2 aus einem magnetischen Material, wie z.B. aus Eisen, Nickel oder einem einfachen Stahl, waagerecht entlang der Achse R verschoben werden.
Der jeweilige Formkörper 4, hier z.B. in Form eines Rings, kann dabei als Block in einer Form gegossen werden, bzw. durch Spritzgießen oder ein anderes Verfahren der Elastomertechnik gefertigt werden.
In Fig. 1 b) ist die Feststell- und Lösevorrichtung aus Fig. 1 a) im blockierten Zustand dargestellt. Die Kolbenstange 1 , der Formkörper 4 und die Außenhülle 2 bilden einen magnetischen Kreis aus. Der Formkörper 4 dehnt sich beim Anlegen eines Magnetfeldes radial aus und bildet mit der Außenhülle 2 eine kraftschlüssige Verbindung. Die Bewegungsfreiheit des inneren Kolbens 1 wird dadurch gehemmt und es wird eine höhere Kraft benötigt, um den inneren Kolben 1 zu verschieben. Der Vorgang ist reversibel, d.h. nach dem Abschalten des Magnetfeldes kehrt das MRE und damit der Formkörper 4 in seinen Ausgangszustand wie in Fig. 1 a) zurück.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausgestaltung des adaptiven Feststellers dargestellt, bei dem die Blockierung ohne Magnetfeld erfolgt und beim Anlegen eines Magnetfeldes aufgehoben wird. Die beiden MRE-Ringe 4 liegen in Fig. 2a) sowohl innen an der Kolbenstange 1 als auch an der Außenhülle 20 an und stellen somit eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Außenhülle 20 und dem inneren Teil mit Kolbenstange 1 dar. Eine axiale Verschiebung der Außenhülle 20 gegenüber dem inneren Teil mit Kolbenstange 1 wird damit verhindert, d. h. die
Feststellvorrichtung befindet sich ohne Anlegen eines Magnetfeldes im blockierenden Zustand. In Fig. 2b) ist das Lösen der MRE-Ringe 4 von der Außenhülle 20 und somit die Aufhebung der Blockade durch Anlegen eines Magnetfeldes gezeigt. Wichtig in diesem Betriebsmodus ist die nichtmagnetische Außenhülle 20 (beispielsweise aus einem nichtmagnetischen Stahl, wie z.B. geeignetem Edelstahl, oder aus Kunststoff etc.), weil durch den so entstehenden offenen Magnetkreis ein stark inhomogenes Magnetfeld erzeugt wird. Dieses ist an der Kolbenstange 1 besonders stark und wird radial zur Außenhülle 20 hin schwächer. Durch den entstehenden Gradienten des Magnetfeldes ziehen sich die MRE-Ringe 4 radial nach innen zusammen; dabei werden sie aufgrund des Volumenerhalts in Axialrichtung in die Breite gedrückt.
Aufgrund der Rotationssymmetrie kann in der ersten und zweiten Ausgestaltung auf eine analoge Weise die relative Drehbewegung der Kolbenstange 1 und der Außenhülle 2 bzw. 20 um die Rotationsachse R blockiert bzw. freigegeben werden. Diese Variante ist durch
Drehpfeile beispielhaft in Fig. 2 angedeutet.
Wird die nichtmagnetische Außenhülle 20 durch ein magnetisches Joch unterbrochen, wie in Fig. 6 gezeigt, führt dies zu einer Verbesserung des Lösevorgangs. Das Lösen der beweglichen Teile geschieht hier wie in Fig. 2 durch eine radiale Stauchung des Formkörpers.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Feststell- und Lösevorrichtung mit einem innen liegenden Strömungskanal 5 dargestellt. Auf einem Innenkolben 6 sind der Formkörper 4 und das magnetfelderzeugende Element 3 (hier eine Spule, kann aber durch einen Permanentmagneten oder eine Kombination daraus ersetzt werden) montiert. Der Innenkolben 6 kann in Fig. 3a) horizontal entlang der Symmetrieachse R gegen die Außenhülle 2 verschoben werden. Vor bzw. hinter dem Innenkolben 6 entstehen Kammern (a und b), welche mit einem Gas, einem hydraulischem Medium oder Ähnlichem gefüllt sein können. Bei Bewegung des Innenkolbens 6 gegen die Außenhülle 2 wird das Medium durch den
Strömungskanal 5 von einer Kammer in die andere gefördert, wodurch ein Druckausgleich erfolgt. Eine Anordnung mit außen liegendem Strömungskanal 5 ist ebenfalls möglich.
In Fig. 3b) ist die dritte Ausgestaltung der Feststell- und Lösevorrichtung im blockierten Zustand dargestellt. Der Innenkolben 6 bildet zusammen mit dem Formkörper 4 und der Kolbenstange 1 einen magnetischen Kreis aus. Beim Anlegen eines Magnetfeldes dehnt sich der Formkörper 4 radial aus und verschließt den Strömungskanal 5. Der Verschluss des Strömungskanals 5 durch den Formkörper 4 kann abhängig von der Stärke des Magnetfeldes teilweise oder vollständig bis zum kompletten Blockieren geschehen. Der Vorgang ist reversibel, d.h. nach dem
Abschalten des Magnetfeldes kehrt das MRE und damit der Formkörper 4 in seinen
Ausgangszustand wie in Fig. 3a) zurück. Beim Blockieren kann das Medium in den Kammern a und b nicht mehr komplett oder nur mit hohem Kraftaufwand durch den Strömungskanal 5 gefördert werden. Das Verschieben des Innenkolbens 6 gegen die Außenhülle 2 ist wegen der entstehenden Druckdifferenz zwischen den Kammern a und b gehemmt. Bei den in Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausgestaltungen lässt sich eine erfindungsgemäße Blockierung der Teile per Kraftschluss und mit pneumatisch-hydraulischen Mitteln kombinieren. Zum einen kann der Formkörper 4 in Fig. 3b) mit Druck und daher kraftschlüssig an der Kolbenstange 1 anliegen. Zum anderen kann in den eventuell vorhandenen Zwischenraum zu den beiden Seiten der Spule 3 in Figur 1 auch ein fluides Medium, z. B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, eingefüllt werden, welches im gelösten Zustand der Vorrichtung in Fig. 1 a) zwischen der Seitenwand der Spule 3 und der Außenhülle 2 fließen kann und im geschlossenen Zustand in Fig. 1 b) nicht.
In Fig. 4a) ist eine vorteilhafte Weiterbildung der dritten Ausgestaltung dargestellt. Der innere Kolben 6 ist um eine Schutzplatte 7 stirnseitig über dem Formkörper 4 erweitert. MRE sind in der Regel weiche Materialien, welche durch hohe mechanische Belastungen zerstört werden können. Die Schutzplatte 7 ist als radial passendes Element mit Ausnehmungen als
Einströmöffnungen für den Strömungskanal 5 ausgeführt (siehe hierzu Schnitt A-A. Anstatt Bohrungen können auch ovale Kanäle oder Ähnliches vorgesehen sein). Das MRE des
Formkörpers 4 wird durch die Schutzplatte 7 zusätzlich fixiert und vor mechanischer
Beschädigung geschützt.
In Fig. 4b) ist diese Weiterbildung im blockierten Zustand dargestellt. Der Innenkolben 6 bildet zusammen mit dem Formkörper 4 und der Kolbenstange 1 einen Magnetkreis aus. Durch das Anlegen des Magnetfeldes dehnt sich der Formkörper 4 radial aus und versperrt die
Einströmöffnungen zum Strömungskanal 5. Hier ist je nach Stärke des angelegten
Magnetfeldes eine teilweise oder vollständige Verschließung der Einströmöffnungen möglich. Durch das Verschließen kann das Medium nur noch langsam oder gar nicht mehr von Kammer a in Kammer b und umgekehrt strömen. Aufgrund der Druckdifferenz, die sich zwischen den Kammern a und b beim versuchten Verschieben des Innenkolbens 6 rasch aufbaut, blockiert die Feststell- und Lösevorrichtung bzw. wird die Verschiebung des Innenkolbens 6 gegen die Außenhülle 2 gehemmt.
Eine vierte Ausgestaltung ist in Fig. 5 dargestellt. In Fig. 5a) ist eine Außenhülle 2 gezeigt, die gegen den inneren Aufbau horizontal entlang der Rotationsachse R verschiebbar ist. Der Innenkolben 6 besteht aus einem magnetfelderzeugenden Element 3 (hier durch eine Spule dargestellt, kann aber auch durch einen Permanentmagneten oder eine Kombination daraus ersetzt werden), mindestens einem Formkörper 4, einer Schutzplatte 7, einem Federelement 8, einem mechanischem Element 9 mit Einströmöffnungen, gegen das sich das Federelement 8 abstützt, und der Kolbenstange 1 . Die inneren Elemente sind so angeordnet, dass sich wie in Fig. 3a) oder 4a) ein Strömungskanal 5 ausbildet. Durch den gesamten Aufbau ergeben sich zwei Kammern (a und b), welche mit einem Gas, einem hydraulischen Medium etc. gefüllt sein können. Fig. 5b) zeigt die vierte Ausgestaltung der Feststell- und Lösevorrichtung im blockierten
Zustand. Die Kolbenstange 1 , der Formkörper 4 und der Innenkolben 6 bilden einen
magnetischen Kreis aus. Der Formkörper 4 dehnt sich radial aus und verkürzt sich in der axialen Breite. Somit wandert die Schutzplatte 7 in Richtung der Mitte des Feststellers und verringert bzw. verschließt den Strömungskanal 5. Je nach Stärke des angelegten
Magnetfeldes ist ein teilweises oder vollständiges Verschließen des Strömungskanals 5 möglich. Die Schutzplatte 7 ist so ausgeführt, dass sie im vollständig verschlossenen Zustand eine kraftschlüssige Verbindung mit der konisch ausgeführten Kolbenstange 1 eingeht und auf diese Weise eine mechanische Blockierung der relativen Bewegung der Kolbenstange 1 und des Innenkolbens 6 entlang der Symmetrieachse R hervorruft. Die Bewegung der Schutzplatte 7 wird durch das Federelement 8 unterstützt, welches sich gegen das mechanische Element 9 mit den Einströmöffnungen abstützt. Durch das Verschließen kann keine Strömung mehr von der Kammer a in die Kammer b stattfinden bzw. sie wird durch eine Verkleinerung des
Strömungskanals 5 durch den Formkörper 4 gehemmt. Infolgedessen wird die relative
Bewegung der Außenhülle 2 und des Innenkolbens 6 bzw. der damit kraftschlüssig
verbundenen Kolbenstange 1 blockiert. Der Vorgang ist reversibel.
Die in Figuren 1 bis 5 gezeigten Ausgestaltungen zeigen rotationssymmetrische Anordnungen. Betrachtet man nur die jeweils obere Hälfte einer jeden Figur und liest die Figur jeweils als Querschnitt durch eine sich in Richtung aus der Zeichnungsebene erstreckende Vorrichtung, so gilt das geschilderte Prinzip für die Blockade bzw. Freigabe der relativen Translationsbewegung der Teile 1 und 2 bzw. 20 in Richtung R jeweils auch für eine solche Vorrichtung ohne
Rotationssymmetrie. Das magnetfelderzeugende Element 3 kann in diesem Fall z. B. ein Permanentmagnet sein.
In den Ausführungen zu den weiteren Figuren sind diejenigen Komponenten nicht mehr explizit erläutert, die bzw. soweit sich diese aus der voranstehenden Figurenbeschreibung ergeben.
Während in Fig. 2 und 6 die Lösung der Teile durch eine radiale Stauchung gezeigt ist, erfolgt sie nach der Ausgestaltung der Fig. 7 durch eine axiale Ausdehnung bei Anlegen des
Magnetfelds. Hierbei ist jeweils neben dem Formkörper ein zusätzliches magnetisches Teil erforderlich, an welches der Formkörper bei Aktivierung herangezogen wird. Das Magnetfeld läuft nun über das zusätzliche Bauteil, durch den Formkörper und schließt sich über das symmetrische Gegenstück auf der anderen Seite. Hierbei ist es wichtig, dass zwischen dem Formkörper und dem zusätzlichen Bauteil ein Luftspalt ist, da dieser bei Aktivierung des Formkörpers durch das Magnetfeld durch den Formkörper gefüllt wird, da dieser sich radial zusammenzieht, aber axial ausdehnt. Man kann in diesem Fall von einer aktiven axialen Ausdehnung sprechen. In der Ausgestaltung der Figur 7 ist wiederum beispielhaft die nichtmagnetische Außenhülle durch ein magnetisches Joch unterbrochen dargestellt, was die Magnetflussführung für den Lösevorgang verbessert. In beiden Fällen der radialen bzw. axialen Ausdehnung ist es möglich, zwei form- und/oder kraftschlüssig verbundene Bauteile gegeneinander zu lösen, um so eine Rotation oder Translation zu ermöglichen.
Eine Variante, die bei Fehlen eines Magnetfeldes ein formschlüssiges Anliegen des
Formkörpers an der inneren Wand des äußeren, relativ zum inneren Teil beweglichen Teils aufweist, ist in Fig. 8 gezeigt. Unter Einfluss eines Magnetfeldes wie durch die Pfeile gezeigt erfolgt die Lösung der Vorrichtung. In der Darstellung dieser Figur ist die Wand profiliert dargestellt; ein relativ weiches magnetorheologisches Elastomer passt sich bei Andrücken dieser Form an. Alternativ ist es möglich, dass das magnetorheologische Elastomer selbst ebenfalls profiliert ist derart, dass die Profile formschlüssig ineinandergreifen können. Eine weitere Variante nutzt einen profilierten Aufsatz auf derjenigen Seite des MRE, die an dem beweglichen Teil zu liegen kommen soll.
Eine weitere Ausgestaltung ist in Fig. 9 als Lösevorrichtung dargestellt. Hier klemmt das MRE die mittlere Stange o. dgl. nicht radial gegenüber dem Außenteil, sondern in axialer Richtung zentrisch von der Stange (Mitteljoch) gegen ein mit dem Gehäuse verbundenes
nichtmagnetisches Bauteil (Scheibe). Dies geht auch umgekehrt (Fig. 10), wenn die Scheibe magnetisch ist und der MRE Formkörper sich dort heranziehen kann. Es sei darauf
hingewiesen, dass diese beiden Ausgestaltungen rotatorisch funktionieren.
Fig. 1 1 zeigt eine Blockiervorrichtung, die vorzugsweise rotatorisch ist, welche ebenfalls mit einer axialen Ausdehnung des MRE-Körpers arbeitet. Durch die zusätzlichen magnetischen Bauteile wird der MRE-Formkörper unter Einwirkung des Magnetfeldes axial gedehnt und verbindet die beiden zuvor zueinander beweglichen Teile, so dass eine Blockade entsteht. Fig. 12 zeigt das gleiche Konzept, allerdings als Lösevorrichtung und ohne magnetisches
Außenjoch. Hier wird bei Anlegen eines Magnetfeldes der MRE-Formkörper nach innen gezogen und gibt die vorher verbundenen Teile frei, so dass sie zueinander beweglich werden.
Ähnlich zu diesen beiden Ausgestaltungen ist in Fig. 13 eine Ausgestaltung mit axialer
Ausdehnung des MRE-Formkörpers gezeigt. Der obere Figurenteil zeigt die magnetfeldfreie blockierte Stellung, der untere die gelöste Stellung unter Einfluss des Magnetfelds.
Fig. 14 zeigt eine besondere Ausgestaltung unter Verwendung eines Elektromagneten in Kombination mit einem schaltbaren Hartmagneten (mittig im mittleren Teil 1 angeordnet) mit radialer Ausdehnung des MRE-Formkörpers. Der obere Figurenteil zeigt den gelösten Zustand ohne Magnetfeld; der Hartmagnet ist entmagnetisiert. Der untere Figurenteil zeigt die
(bleibende) Blockierung der Vorrichtung durch die Magnetisierung des Hartmagneten, die durch einen zuvor angelegten, dann abgeschalteten Spulenstrom im Elektromagneten verursacht wurde. Insbesondere betrifft die Erfindung folgende Aspekte:
A. Feststellvorrichtung, aufweisend mindestens zwei zueinander bewegliche Teile, mindestens einen Formkörper aus einem magnetorheologischen Elastomer (MRE) und einen
Magnetkreis mit mindestens einem Elektromagneten und/oder mindestens einem
Permanentmagneten, wobei die Bewegung der beiden Teile zueinander entweder blockiert oder freigegeben werden kann.
B. Feststellvorrichtung nach Aspekt A, wobei die Bewegung oder Blockade der beiden Teile zueinander durch den Elektromagneten und/oder den Permanentmagneten gesteuert werden kann.
C. Feststellvorrichtung nach Aspekt A oder B, wobei die Blockierkraft durch die Stärke des
Magnetfeldes gesteuert werden kann.
D. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei der Formkörper aus einem magnetorheologischen Elastomer ein Ring ist.
E. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei sich der Formkörper aus einem magnetorheologischen Elastomer im Magnetfeld radial (senkrecht zur
Symmetrieachse) oder/und axial (parallel zur Symmetrieachse) ausdehnt und beim
Abschalten des Magnetfeldes wieder zusammenzieht.
F. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei der Formkörper aus einem magnetorheologischen Elastomer entweder beim Ausdehnen oder beim
Zusammenziehen die Blockierung zwischen den beiden zueinander beweglichen Teilen durch einen Kraftschluss zwischen den beiden Teilen erzeugt.
G. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die Relativbewegung zwischen den beiden Teilen translatorisch oder/und rotatorisch erfolgt.
H. Feststellvorrichtung nach einem der voranstehenden Aspekte, wobei die Anordnung des Magneten sowie eventuell magnetischer Teile derart ist, dass beim Anschalten des
Magnetfelds die Feldlinien, die durch das MRE hindurch laufen, einen Gradienten in einer Richtung bilden, in der sich angrenzend an das MRE ein Spalt befindet, in den hinein sich das MRE ausdehnt.
I. Feststellvorrichtung nach einem der Aspekte A bis G, wobei die Anordnung des Magneten sowie eventuell magnetischer Teile derart ist, dass beim Anschalten des Magnetfelds die Feldlinien, die durch das MRE hindurch laufen, einen Gradienten in einer Richtung erzeugen, in der sich an das MRE angrenzend eines der Teile der Feststellvorrichtung befindet, während sich parallel zu dem Gradienten neben dem MRE ein Spalt erstreckt, derart, dass sich das MRE senkrecht zur Gradientenrichtung ausdehnt.
J. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei der Formkörper aus einem magnetorheologischen Elastomer entweder beim Ausdehnen oder beim
Zusammenziehen die Blockierung zwischen den beiden zueinander beweglichen Teilen durch das Verschließen eines Spaltes erzeugt, durch den eine Flüssigkeit oder ein Gas hindurchströmt.
K. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei der Formkörper aus einem magnetorheologischen Elastomer durch mindestens eine Wand mechanisch geschützt wird, wobei die Wand bevorzugt beweglich ist und besonders bevorzugt an den Formkörper angedrückt ist.
L. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei der Formkörper aus einem magnetorheologischen Elastomer durch eine Feder mechanisch vorgespannt ist.
M. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die Feder zur
Vorspannung in Kombination mit der beweglichen Wand bei maximaler Bewegung des Elastomers dieses durch eine formschlüssige Verbindung mit anderen mechanischen Bauteilen schützt.
N. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte mit zwei Formkörpern aus einem magnetorheologischen Elastomer.
O. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die Elastomermatrix in dem magnetorheologischen Elastomer Siliconelastomer, Polyurethanelastomer,
Polynorbornen oder ein thermoplastisches Elastomer enthält.
P. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die magnetischen
Partikel in dem magnetorheologischen Elastomer entweder aus Eisen, bevorzugt aus
Carbonyleisen, aus Cobalt, aus Nickel, aus einer Eisenlegierung wie z. B. Eisen/Cobalt oder
Eisen/Nickel, aus Eisenoxid wie z. B. Magnetit oder aus Ferrit wie z. B. Manganzinkferrit bestehen.
R. Feststellvorrichtung nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die magnetischen
Partikel in dem magnetorheologischen Elastomer entweder isotrop oder anisotrop in der Elastomermatrix angeordnet sind.
S. Verwendung der Feststellvorrichtung zum gesteuerten Blockieren einer Tür, eines Tors, eines Fensters, eines Deckels, einer Klappe oder eines ähnlichen Elementes.

Claims

Ansprüche:
1 . Feststell- und Lösevorrichtung, die
zwei relativ zueinander bewegliche Teile,
mindestens einen Formkörper aus einem magnetorheologischen Elastomer (MRE) und ein Magnetkreissystem mit mindestens einem magnetfelderzeugenden Element aufweist, wobei der mindestens eine Formkörper Bestandteil des Magnetkreissystems ist und derart ausgebildet ist, dass er sich beim Anlegen oder Verändern eines Magnetfeldes derart verformen kann, dass die relative Bewegung der Teile blockiert oder freigegeben wird.
2. Feststell- und Lösevorrichtung nach Anspruch 1 , bei der das mindestens eine
magnetfelderzeugende Element ein Elektromagnet, ein Permanentmagnet oder ein schaltbarer Hartmagnet oder eine Kombination aus einem Elektromagneten mit einem Permanentmagneten und/oder einem schaltbaren Hartmagneten ist.
3. Feststell- und Lösevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der mindestens eine
Formkörper in der Blockadestellung der Feststell- und Lösevorrichtung unmittelbar oder mittels eines Zusatzteils kraftschlüssig an den Teilen anliegt.
4. Feststell- und Lösevorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Kraftschluss zwischen dem mindestens einen Formkörper und einem der Teile auf einem Formschluss beruht.
5. Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der der mindestens eine Formkörper zwischen den Teilen angeordnet ist.
6. Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der einer der beiden Teile den anderen der beiden Teile zumindest weitgehend umschließt.
7. Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, bei der der mindestens eine Formkörper ringförmig, gegebenenfalls bezüglich der gemeinsamen Drehachse, ausgebildet ist und gegebenenfalls
Ausnehmungen und/oder Vorsprünge aufweist.
8. Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der im
gelösten Zustand der eine Teil gegenüber dem anderen Teil translatorisch bezüglich einer Translationsachse und/oder rotatorisch bezüglich einer Rotationsachse verschoben werden kann.
9. Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der sich der mindestens eine Formkörper beim Einschalten oder Abschalten des Magnetfeldes entweder weitgehend parallel oder weitgehend senkrecht zu Translations- bzw.
Rotationsachse ausdehnt.
10. Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der mindestens zwei Formkörper beim Einschalten oder Abschalten des Magnetfeldes synchron die gleiche Funktion erfüllen derart, dass beide Formkörper entweder zur Feststellung oder zur Lösung beitragen.
5 1 1 . Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, die einen mit einem fluiden Medium, insbesondere mit einem Gas oder einem hydraulischen Medium, gefüllten Zwischenraum zwischen den Teilen aufweist.
12. Feststell- und Lösevorrichtung nach Anspruch 1 1 , bei der der Zwischenraum zwei durch einen Fluidkanal verbundene Kammern aufweist und der mindestens eine Formkörper in i o der Blockadestellung der Feststell- und Lösevorrichtung den Fluidkanal zumindest teilweise verschließt.
13. Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der der mindestens eine Formkörper an seinen nicht zum Anliegen an den Teilen vorgesehenen Stirnflächen durch mindestens eine Wand mechanisch geschützt wird, wobei die i 5 mindestens eine Wand vorzugsweise bezüglich der Teile beweglich ist und besonders bevorzugt mit Druck an dem mindestens einen Formkörper anliegt.
14. Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, die mindestens ein Federelement aufweist, mittels dessen der mindestens eine Formkörper mechanisch vorgespannt ist.
20 15. Feststell- und Lösevorrichtung nach Anspruch 13 und 14, wobei das mindestens eine
Federelement mit der mindestens einen Wand infolge der Verformung des mindestens einen Formkörpers eine formschlüssige Verbindung zwischen den Teilen erzeugen kann, vorzugsweise mittels eines oder mehrerer Zusatzteile.
16. Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der der 25 mindestens eine Formkörper derart ausgebildet ist, dass er sich beim Anlegen oder
Verändern des Magnetfelds derart verformen kann, dass er unmittelbar kraftschlüssig an den Teilen anliegt.
17. Verwendung der Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum gesteuerten Blockieren und/oder Freigeben von relativ zueinander beweglichen Bauteilen
30 einer Anlage, insbesondere zum gesteuerten Ver- und/oder Entriegeln einer Tür, eines
Tors, eines Fensters, eines Deckels, einer Klappe oder eines ähnlichen Elementes.
18. Verfahren zum gesteuerten Blockieren und/oder Freigeben von relativ zueinander
beweglichen Teilen einer Anlage unter Verwendung der Feststell- und Lösevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem ein Magnetfeld innerhalb des mindestens einen Formkörpers derart angelegt oder verändert wird, dass sich der mindestens eine Formkörper verformt und dabei die relative Bewegung der Teile blockiert oder freigibt, und bei dem vorzugsweise die Stärke der Blockade durch die Variation der
Magnetfeld stärke gesteuert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem sich der mindestens eine Formkörper im Magnetfeld bezüglich einer Symmetrieachse radial (senkrecht zur Symmetrieachse) oder/und axial (parallel zur Symmetrieachse) ausdehnt und beim Abschalten des Magnetfeldes wieder zusammenzieht.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem der mindestens eine Formkörper entweder beim Ausdehnen oder beim Zusammenziehen die Blockierung zwischen den beiden zueinander beweglichen Teilen durch einen Kraftschluss und/oder Formschluss zwischen den beiden Teilen erzeugt.
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