WO2021123223A1 - Gerätekomponente für eine magnetorheologische bremseinrichtung mit temperaturausgleich - Google Patents

Gerätekomponente für eine magnetorheologische bremseinrichtung mit temperaturausgleich Download PDF

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WO2021123223A1
WO2021123223A1 PCT/EP2020/087100 EP2020087100W WO2021123223A1 WO 2021123223 A1 WO2021123223 A1 WO 2021123223A1 EP 2020087100 W EP2020087100 W EP 2020087100W WO 2021123223 A1 WO2021123223 A1 WO 2021123223A1
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brake
magnetic field
brake component
device component
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PCT/EP2020/087100
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Stefan Battlogg
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Inventus Engineering Gmbh
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    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user

Definitions

  • the invention relates to a device component with a magnetorheological braking device with a stationary holder and with at least two braking components.
  • One of the two brake components is non-rotatably connected to the holder and extends in the axial direction.
  • the two brake components are continuously rotatable relative to one another.
  • the second brake component has a hollow sleeve part and encloses the first brake component.
  • a closed chamber is formed between the brake components, the second brake component being received at a first end of the closed chamber on the first brake component.
  • the closed chamber is essentially filled with a magnetorheological medium.
  • At least one magnetic field generating device for generating at least one magnetic field is provided in order to influence the magnetorheological medium in the closed chamber.
  • the device component according to the invention with a magnetorheological braking device can be used in various technical fields for braking relative movements to one another, in particular also a rotational movement to one another.
  • the magnetorheological braking device according to the invention can also be used as a haptic operating device and, for example, when operating technical devices in vehicles, aviation and aircraft, ships, boats, agricultural technology (tractors, combine harvesters, harvesting machines, other field machines for agriculture), construction machinery and machines for material handling (forklifts ...) or in medical or industrial systems.
  • the invention can also when operating or as an input device for washing machines, kitchen / household appliances and facilities, radios,
  • Magnetorheological fluids for example, have very fine ferromagnetic particles such as carbonyl iron powder distributed in an oil.
  • magnetorheological fluids spherical particles with a production-related diameter of 1 to 10 ⁇ m are used, the particle size and shape not being uniform. If such a magnetorheological fluid is subjected to a magnetic field, the carbonyl iron particles of the magnetorheological fluid are linked along the magnetic field lines, so that the rheological properties of the magnetorheological fluid (MRF) are significantly influenced depending on the shape and strength of the magnetic field.
  • MRF magnetorheological fluid
  • the magnetorheological medium is usually filled into a closed chamber within the magnetorheological braking device.
  • the magnetorheological braking device is usually operated at temperatures between -40 ° C and + 80 ° C.
  • the volume of the magnetorheological medium in the closed chamber also changes. High pressure forces can arise on the components and especially on the seals.
  • the magnetorheological braking device must be sealed off from the environment so that the magnetorheological medium cannot escape and neither liquids nor air can enter the closed chamber from outside. Both lead to a reduction in performance, ie the maximum transferable force and the function of the force transmission are disturbed. Compensation for temperature-related volume changes must therefore be made available.
  • a residual volume can be filled with a gas.
  • the gas is compressed when the volume of the magnetorheological medium changes due to temperature.
  • An increase in pressure is reduced by the gas buffer, so that leakages in particular can be prevented.
  • the main disadvantage is that the forces that can be transmitted and the basic function can be impaired by the gas.
  • the increased pressure primarily affects the service life of the seals. There is also increased friction.
  • an expansion tank can be provided which works as a buffer in the event of a change in volume of the magnetorheological medium and can take up part of the magnetorheological medium and also release it again. In the event of a leak, the loss of the magnetorheological medium is compensated for by the expansion tank.
  • the expansion tank is connected to the closed chamber via a valve. The pressure increase in the closed chamber is reduced.
  • the expansion tank must be open to the environment (or coupled with a membrane to the ambient pressure) or have a compressible gas buffer itself.
  • the main disadvantage here is the accommodation of the expansion tank on or in the magnetorheological braking device with small dimensions.
  • the complex mechanism for connecting the expansion tank is error-prone and expensive.
  • a pressure increase caused by a temperature-related change in volume can only be reduced, but not prevented.
  • the valves may need to be serviced.
  • a device component comprises a magnetorheological braking device with a stationary holder and at least two braking components.
  • One of the two brake components is non-rotatably connected to the holder and extends in the axial direction. Both brake components can be (continuously) rotated relative to one another, preferably at least pivotable.
  • the second brake component has a hollow sleeve part which encloses the first brake component.
  • a closed (and externally sealed) chamber is formed between the brake components.
  • the second brake component is rotatably received at a first end of the closed chamber on the first brake component (at a first bearing point) and, in particular, is supported.
  • the closed chamber is essentially (essentially completely or completely) filled with a magnetorheological medium.
  • At least one magnetic field generating device for generating at least one magnetic field is provided in order to influence the magnetorheological medium in the closed chamber.
  • the second brake component is received or mounted on the first brake component in an axially displaceable manner.
  • a volume of the closed chamber changes due to a relative axial displacement of the brake components. In this way, compensation for volume changes and preferably temperature-related volume changes is made available.
  • the magnetorheological braking device according to the invention has many advantages.
  • a considerable advantage of the magnetorheological braking device according to the invention is that the temperature compensation can be implemented inexpensively and easily.
  • the displacement of the first brake component relative to the second brake component changes the volume of the closed chamber, so that only a small number of moving components is present.
  • the magnetorheological braking device with temperature compensation according to the invention requires little maintenance and has a long service life.
  • no expansion tank or any other additional mechanical device is necessary.
  • the temperature compensation according to the invention is advantageously suitable for compensating for changes in volume of the magnetorheological medium, which can be caused in particular by temperature changes and / or also by leaks.
  • the second brake component is preferably received displaceably on the first brake component and, in particular, is supported.
  • a diameter of the first bearing point at the first end of the closed chamber is expediently different from a diameter of the second bearing point at the second end of the closed chamber.
  • the bearing points preferably have a cylindrical sealing surface.
  • the sealing surface is advantageous to manufacture inexpensively.
  • a mechanical seal is used for radial mounting with axially displaceable guidance at the same time.
  • the second diameter at the second bearing point is smaller than the first diameter at the first bearing point, so that the volume of the closed chamber is increased by an axial displacement in the direction of the first bearing point and vice versa. Accordingly, the volume of the closed chamber is advantageously increased when the first brake component is at least partially pushed out of the enclosing first brake component.
  • magnetorheological braking device is to be shifted towards the first bearing point in the event of a change in volume, in particular due to temperature.
  • a ratio of the diameter of the first bearing point to the diameter of the second bearing point is particularly advantageously between 1.1 and 4.
  • this ratio has a value between 1.5 and 3 and particularly preferably a value of approx. 3 or, in particular, 2.
  • a relative axial displacement, which results from a temperature-dependent change in volume of the magnetorheological medium, can preferably be controlled by this ratio.
  • the diameter of the second bearing point is preferably greater than the diameter of the first bearing point, so that the volume of the closed chamber is increased by an axial displacement in the direction of the second bearing point.
  • the direction of the axial displacement can advantageously be controlled or specified.
  • the diameters can be dimensioned in relation to one another in such a way that, for example, a non-critical direction of movement is favored depending on the tolerance.
  • a ratio of The diameter of the first bearing point to the diameter of the second bearing point has a value between 0.25 and 0.9.
  • this ratio can also have a value between 0.3 and 0.75, and particularly preferably also a value of 0.5.
  • a small ratio advantageously results in a small change in height given a known or predetermined temperature-related change in volume.
  • the second brake component encloses an end section of the first brake component in the shape of a pot.
  • the second bearing point is expediently designed as a stub axle, in particular with a free end.
  • the embodiment is particularly suitable when the second brake component is to be used as a rotary knob, control knob or also control device, for example in multimedia devices.
  • At least one compensation channel is preferably present within the first brake component, which connects the areas near the bearing points to one another. In this way, the throttling effect across the gap is advantageously reduced in the event of an axial displacement. Several equalizing channels are particularly advantageous.
  • a relative axial displacement of the first brake component to the second brake component of at least approximately 0.05 mm is advantageously possible.
  • the relative axial displacement of the first brake component to the second brake component is preferably at least approximately 0.25 mm and in particular at least 0.5 mm. Larger shifts are also possible.
  • a relative axial displacement of the first braking component to the second braking component of a maximum of approximately is expedient. 2 mm is possible.
  • the maximum relative axial displacement is advantageously approximately 1.5 mm and in particular at least 1 mm.
  • the closed chamber at least one circumferential gap formed between the brake components.
  • the magnetic field of the magnetic field generating device is preferably generated within the gap in order to influence the magnetorheological medium within the gap. This advantageously enables very precise control or operability of the magnetorheological braking device.
  • At least one, two or more rotatable transmission elements are preferably arranged in the gap.
  • Transmission elements are preferably designed as rolling bodies and have a cylindrical or spherical or round or rounded cross-section.
  • At least some of the transmission elements consist of a magnetically conductive material. At least a part of the rotating body consists of a magnetically non-conductive material.
  • the first brake component preferably comprises a core made of a magnetically conductive material and extending in the axial direction.
  • the sleeve part and / or the second brake component are advantageously made of a magnetically conductive material.
  • the sleeve part and / or the second braking component preferably provide an outer ring for the magnetic field.
  • the first brake component is essentially cylindrical.
  • the first brake component comprises, in particular, a cylindrical base body as the core, which comprises the electrical coil of the magnetic field generating device.
  • the holder has at least one cable bushing.
  • the holder advantageously has at least one receptacle non-rotatable connection with the first brake component.
  • the first brake component advantageously has a cylindrical running surface.
  • the second brake component is preferably rotatably received.
  • a seal for sealing the closed chamber is arranged on the cylindrical running surface.
  • the magnetic field generating device comprises at least one electrical coil.
  • the electrical coil is preferably wound in the radial direction so that the magnetic field extends in the axial direction of the first braking component.
  • the electrical coil is wound in the axial direction.
  • the electrical coil advantageously spans a coil plane so that a magnetic field of the electrical coil extends transversely to the axial direction through the first braking component.
  • a maximum external diameter of the electrical coil in a radial direction within the coil plane is advantageously greater than a minimum external diameter of the core in a radial direction transversely, in particular perpendicular, to the coil plane.
  • At least one sensor device is preferably comprised by the device component.
  • the sensor device advantageously comprises at least one magnetic ring unit and at least one magnetic field sensor, which is non-rotatably connected to the first brake component and is arranged radially and / or axially adjacent to the magnetic ring unit, for detecting a magnetic field of the magnetic ring unit.
  • the sensor device is designed in particular as a multidimensional Hall sensor.
  • the magnetic ring unit is advantageously fastened at least to the rotating part.
  • the device component comprises at least one shielding device.
  • the shielding device is suitable at least for partially shielding the sensor device from a magnetic field of the electrical coil.
  • the shielding device advantageously comprises at least one shielding body surrounding the magnetic ring unit at least in sections.
  • the shielding device also includes, in particular, at least one separating unit arranged between the shielding body and the magnetic ring unit.
  • the shielding unit can comprise at least one magnetic decoupling device arranged between the shielding body and the rotating part.
  • the separating unit preferably has a magnetic conductivity that is many times lower than that of the shielding body.
  • the decoupling device has a magnetic conductivity that is many times lower than that of the shielding body.
  • the shielding device can comprise at least one axial annular disk and at least one annular sleeve.
  • the shielding device and the magnetic ring unit are advantageously arranged at a distance from one another.
  • the device component can comprise a user interface, a control panel, a display, a touch-sensitive display with or without haptic feedback and / or at least one sensor or a sensor unit.
  • At least one component through which the magnetic field flows is at least partially made of the material FeSi3P.
  • Figure la-lf schematic three-dimensional views of device components according to the invention with a magnetorheological braking device
  • Figure 2 is a highly schematic cross section through a
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a device component according to the invention with a magnetorheological braking device
  • Figure 4 shows a cross section of a further according to the invention
  • FIGS. 5a-5d show schematic cross sections of the device components according to the invention with a magnetorheological braking device according to FIG. 3 or 4;
  • FIGS. 6a-6d show another device component according to the invention with a magnetorheological braking device
  • FIG. 7 shows a further device component according to the invention with a magnetorheological braking device in section
  • Figure 8 is a schematic representation of a course of a
  • FIGS. 9a-9c show possible torque curves over the angle of rotation of a magnetorheological braking device of a device component according to the invention.
  • Figures la to lf show several according to the invention Device components 200 in which the agnetorheological braking device 1 can be used.
  • the device components 200 are each designed as a haptic operating device 100.
  • FIG. 1 a shows a haptic control button 101.
  • the control button is attached via the console 50.
  • the control button 101 is operated via the sleeve part 13e.
  • the user interface 43 can also be used to transmit information.
  • the device component 200 is shown as a thumb roller 102 with a haptic operating device 100.
  • the thumb roller 102 can preferably be used in steering wheels, for example. However, the thumb roller is not limited to this application.
  • the thumb roller 102 can generally also be usable with any other finger, depending on the installation situation.
  • the device component 200 is designed as a computer mouse 103.
  • the haptic operating device 100 is accommodated in the mouse wheel 106.
  • the magnetorheological braking device 1 can be used to control a haptic feedback.
  • FIG. 1d shows a joystick 104 as a haptic operating device 100 in which a magnetorheological braking device 1 is accommodated.
  • the magnetorheological braking device 100 according to the invention can also preferably be used in a gamepad 105 in order to give the player haptic feedback as a function of the game situation.
  • the magnetorheological braking device 1 has a rotating part 13 or sleeve part 13e, which is rotatably received.
  • the torque required to rotate the rotating part 13 is adjustable.
  • a user interface 43 can be arranged on the upper side of the magnetorheological braking device 1.
  • Such a user interface 43 can be used, for example, as a display device or also as a touch-sensitive device Input option (touchpad, movement and gesture control, image recognition Certainly be designed.
  • a haptic operating device 100 can be used, for example, to operate machines, medical devices or for use in and for the motor vehicle. Use on other devices or other devices is also possible.
  • FIG. 2 shows a highly schematic cross-sectional view of a magnetorheological braking device 1 according to the invention for influencing the power transmission between two brake components 2 and 3.
  • a rolling element or rotating element 11 is provided between the two braking components 2 and 3 in FIG.
  • the rolling element 11 is designed as a ball 14 here.
  • rolling bodies 11 it is also possible to design rolling bodies 11 as cylinders or ellipsoids, rollers or other rotatable rotating bodies 11.
  • Rotary bodies 11 that are not rotationally symmetrical in the actual sense, such as, for example, a gear wheel or rotary body 11 with a specific surface structure, can also be used as rolling bodies 11.
  • the rolling elements 11 are not used to mount the brake components 2, 3 relative to one another, but rather to transmit torque.
  • the medium 6 here is a magnetorheological fluid which, for example, comprises an oil as a carrier fluid in which ferromagnetic particles 19 are present. Glycol, fat, water and viscous substances can also be used as the medium or carrier medium 6, without being restricted thereto.
  • the medium or carrier medium can also be gaseous or the medium or carrier medium 6 can be dispensed with (vacuum). In this case, only particles 19 that can be influenced by the magnetic field 8 are filled into the channel 5.
  • the ferromagnetic particles 19 are preferably carbonyl iron powder, the size distribution of the particles from the specific application. Specifically preferred is a distribution of the particle size between one and ten micrometers, although larger particles of twenty, thirty, forty and fifty micrometers are also possible. Depending on the application, the particle size can also be significantly larger and even penetrate into the millimeter range (particle spheres).
  • the particles can also have a special coating / jacket (titanium coating, ceramic, carbon jacket, etc.) so that they can better withstand the high pressure loads that occur depending on the application.
  • the magnetorheological particles 19 can for this application not only made of carbonyl iron powder (pure iron), but z. B. can also be made of special iron (harder steel).
  • the rolling element 11 is set in rotation about its axis of rotation 12 by the relative movement 17, 18 of the two brake components 2 and 3 and practically runs on the surface of the brake component 3. At the same time, the rolling element 11 runs on the surface of the other brake component 2, so that there is a relative speed 18 there.
  • the rolling element 11 has no direct contact with the surface of the brake components 2 and / or 3 and therefore does not roll directly on it.
  • the free distance 9 from the rolling element 11 to one of the surfaces of the brake components 2 or 3 is z. B. 140 pm.
  • the free distance 9 is in particular between 75 pm and 300 pm and particularly preferably between 100 pm and 200 pm.
  • the free distance 9 is in particular at least ten times the diameter of a typical mean particle diameter.
  • the free distance 9 is preferably at least ten times that of the largest typical particle 19.
  • the lack of direct contact results in a very low basic friction / force / torque when the brake components 2 and 3 move relative to one another.
  • a magnetic field 8 is applied to the magnetorheological braking device 1, the field lines are formed depending on the distance between the rolling elements 11 and the braking components 2, 3.
  • the rolling element 11 consists of a ferromagnetic material and z. B. here from ST 37 (S235).
  • the steel type ST 37 has a magnetic permeability pr of about 2000.
  • the field lines (magnetic circuit) pass through the rolling element 11 and are concentrated in the rolling element 11.
  • the rolling elements 11 can be set in a rotary motion by the relative speed of the surfaces to one another.
  • the rotary movement is possible with and without an active magnetic field 8.
  • the individual particles 19 of the are linked Magnetorheological fluids 6 along the field lines of the magnetic field 8.
  • the vectors drawn in FIG. 2 only roughly schematically represent the area of the field lines relevant for influencing the MRF.
  • the field lines enter the channel 5 essentially normally on the surfaces of the ferromagnetic components and, above all, do not have to run in a straight line in the acute-angled region 10.
  • the acute-angled areas 10 can have a wedge shape 16, for example in the case of cylindrical rolling elements 11. Due to the wedge shape 16, the further rotation of the rolling element 11 is hindered, so that the effect of the magnetic field on the magnetorheological fluid 6 is intensified, since the acting magnetic field 8 within the acute-angled area 10 results in a stronger cohesion of the medium 6 there. This increases the effect of the magnetorheological fluid 6 in the accumulated heap (the formation of chains in the fluid and thus the cohesion or viscosity), which makes further rotation or movement of the rotating body 11 more difficult.
  • the forces that can be transmitted directly by the applied magnetic field 8 represent only a small part of the forces that can be transmitted by the device.
  • the wedge formation and thus the mechanical force amplification can be controlled by the magnetic field 8.
  • the mechanical reinforcement of the agnetorheological effect can go so far that a power transmission is possible even after switching off an applied magnetic field 8 when the particles 19 have been wedged.
  • the wedge effect of the acutely angled areas 10 results in a considerably greater effect of a magnetic field 8 of a certain strength.
  • the effect can be increased many times over.
  • the relative speed of two brake components 2 and 3 to each other was about ten times as strong as in the prior art in MRF clutches according to the shear principle, in which a magnetorheological medium or fluid 6 is arranged between two mutually moving surfaces and the Is exposed to shear forces of the moving surfaces.
  • the possible reinforcement here through the wedge effect depends on various factors. If necessary, it can be reinforced by a greater surface roughness of the rolling elements 11. It is also possible for outwardly projecting projections to be provided on the outer surface of the rolling elements 11, which can lead to an even stronger wedge formation.
  • the wedge effect or the wedge effect is distributed over the surface of the rolling element 11 and the components 2 or 3.
  • FIG. 3 shows a section through a device component 200 according to the invention with a magnetorheological braking device 1 which has two braking components 2 and 3.
  • the first brake component 2 and the second brake component 3 extend essentially in an axial direction 20.
  • the first brake component 2 is arranged here in the interior of the second brake component 3 and is held in a form-fitting and / or force-fitting manner by a holder 4.
  • the holder 4 can be attached, for example, to an external console or to a device.
  • the holder 4 is regularly attached in a rotationally fixed manner.
  • the second braking component 3 is relative to the first Brake component 2 continuously rotatably received thereon.
  • the second brake component 3 is elongated and has the rotating part 13 and therein a magnetically conductive sleeve part 13e.
  • the second brake component 3 is rotatably received at the first bearing point 112 and at the second bearing point 118 on the second brake component 2 and, in particular, is supported so as to be axially displaceable.
  • forces can be supported in a global radial direction 122 by the bearings 30, while the first brake component 2 can be displaced axially relative to the second brake component 3.
  • the diameter 116 of the first bearing point 112 is here approximately twice as large as the diameter 117 of the second bearing point 118.
  • the second brake component 3 is led out at both ends.
  • a closed chamber 110 which is filled with MRF, is formed between the brake components 2 and 3.
  • a cylindrical running surface is formed on the holder 4 as a first bearing point 112.
  • a bearing 30 for the rotatable mounting of the second brake component 3 is attached to this cylindrical running surface 37.
  • a seal 38 is provided adjacent to the bearing 30. The seal 38 reliably seals the interior.
  • the first brake component 2 has a base body 33.
  • the windings of an electrical coil 26 are wound around the core 21.
  • the individual turns of the electrical coil 26 protrude outward beyond the cylindrical base body 33 (see FIG. 5).
  • a gap 5 Radially between the outer wall of the first brake component 2 and the inner wall of the sleeve part 13 there is a gap 5, which is designed here essentially as a hollow cylindrical gap 5.
  • the rolling elements 11 are designed here as cylindrical rolling elements 11 and have an outer diameter that is somewhat smaller than the gap width 5 a of the gap 5.
  • the gap 5 is furthermore filled here with a magnetorheological medium 6.
  • an O-ring or the like filled with air or another gas can be arranged, which provides volume compensation in the event of temperature fluctuations.
  • a reservoir is thereby formed there if magnetorheological fluid or medium 6 escapes from the interior to the outside in the course of operation.
  • the construction is used to provide automatic temperature compensation and a reservoir for MRF due to the differently large diameters 116, 117.
  • the (usable) gap length of the gap 5 is greater here than the length of the rolling elements 11.
  • the electrical coil 26 is also made longer in the axial direction 20 than the length of the rolling elements 11.
  • the core 21 can be seen in the interior of the electrical coil 26.
  • the holder 4 has a radially enlarged receptacle 36 (diameter 36a, see FIG. 4) for receiving the first brake component 2 in a rotationally fixed manner.
  • a cable bushing 35 extends down through the holder 4 through the holder 4.
  • There cables 45 for connecting the electrical coil 26 and, if necessary, sensor lines are led out.
  • a control device 27 can be provided or assigned in the foot of the holder 4 or at other suitable locations in order to carry out control as required.
  • a closed chamber 110 is formed between the first end 111 and the second end 115.
  • the closed chamber 110 comprises the volume 114, which is essentially completely with the agnetorheological medium 6 is filled.
  • a change in the volume of the magnetorheological medium 6 leads here to a relative axial displacement of the first brake component 2 to the second brake component 3 due to the different diameters 116, 117 of the two bearing points 112, 118.
  • the second brake component 3 is shifted to the right in the case of an increase in volume in the orientation of FIG. 3.
  • a small part of the first brake component 2 with the diameter 116 at the first bearing point 112 emerges from the closed chamber 110, while a part of the first brake component 2 at the second end 115 with the significantly smaller diameter enters the closed chamber 110.
  • the volume 114 of the closed chamber 110 is increased in this way.
  • a change in volume of the magnetorheological medium 6 caused by a temperature rise can be compensated for.
  • a function of the magnetic field generating device 113 is not influenced by this.
  • the second brake component 3 is shifted to the left here.
  • a compensation channel 120 can be provided which connects the areas near the bearing points 112, 118 with one another.
  • the magnetorheological braking device 1 has a sensor device 70 at least for detecting an angular position of the two braking components 2, 3 relative to one another. The detection takes place with a magnetic ring unit 71 and by means of a magnetic field sensor 72.
  • the sensor device 70 is here connected to the second brake component 3 via a decoupling device 78.
  • the decoupling device 78 magnetically decouples the sensor device.
  • Sensor device 70 here further comprises a shielding device 75, which here comprises a plurality of shielding bodies 76 and which surrounds the magnetic ring unit 71 on three sides.
  • a separating unit 77 is provided between the magnetic ring unit and the shielding device 75. The separating unit 77 additionally shields the magnetic ring unit 71. As a result, the volume spanned by the magnetic ring unit 71 is largely shielded from magnetic influences of the electrical coil 26 or other magnetic fields.
  • FIG. 4 shows another device component 200 in section with a similar magnetorheological braking device 1.
  • the transverse grooves 32 in which the electrical coil 26 is wound at the axial ends of the core 21 can be seen.
  • sealing compound 28 is provided at each end at both ends.
  • a separate seal is provided over, for example, the drawn O-ring or the like.
  • rolling bodies 11 which are arranged distributed over part of the circumference, to be designed as magnetically non-conductive transmission components 11.
  • all rolling elements 11 are made of magnetically conductive material such as. B. steel.
  • a length or height 13c of the rotating part 13 and of the sleeve part 13e or of the second brake component 3 in the axial direction 20 is preferably between 5 mm and 90 mm.
  • a coating 49 can be applied to the outside of the second brake component 3, so that the external appearance of the rotary knob 23 is essentially determined by the surface of the coating 49.
  • the rotating part 13 has an outer diameter 13b and an inner diameter 13a.
  • the material of the sleeve part 13e or outer ring 24 or of the rotating part 13 as a whole is magnetically conductive and serves to close the magnetic circuit.
  • a wall thickness 13d of the sleeve part 13e is preferably at least half as large as a diameter of the rolling elements 11.
  • the outer diameter 36a of the receptacle 36 is preferably considerably larger than the diameter 37a of the cylindrical running surface 37. This reduces the friction on the seal 38.
  • standardized bearings 30 can be used.
  • the separation preferably runs along the center line drawn in FIG. 4, which results in a left and right (core) half.
  • the two core halves can be separated from one another by a magnetically non-conductive element (e.g. seal).
  • the casting compound volume 28 is then preferably part of the core half (s), which results in a semicircular element with a circumferential groove on the separating surface for the electrical coil 26.
  • the receptacle 36 is preferably also separated into two halves.
  • a receiving half can also form a part with a core half (be made in one piece) or a core half can be made in one piece with a complete receiving unit 36.
  • the haptic operating device 100 with the magnetorheological braking device 1 is mounted on one side.
  • the second brake component 3 is here only at the first end of the closed chamber 110 at an end section 121 of the first Brake component 2 added, ie the second brake component 3 is only supported at the first bearing point 112 by the bearing 30.
  • the second brake component 3 can move slightly to and fro. It is assumed here again that the first brake component 2 is stationary. In this case, part of the diameter 116 of the first brake component 2 extends or retracts at the first bearing point 112.
  • the volume 114 of the closed chamber 110 changes.
  • the system is practically always at ambient pressure within the given range of motion. An additional load on the seal 38 is prevented.
  • FIGS. 5a to 5d show various schematic cross sections of the magnetorheological braking device 1, which can be used in the device components 200 according to FIGS. 3 and 4 and also in other exemplary embodiments.
  • the inner brake component 2 is designed to be stationary and is surrounded by the continuously rotatable brake component 3.
  • the second brake component 3 has a rotary part 13 that is rotatable around the first brake component 2 and is hollow and internally cylindrical.
  • the gap 5 running around between the first and second brake components 2, 3 is clearly visible.
  • the gap 5 is here at least partially and in particular completely filled with a magnetorheological medium 6.
  • the first brake component 2 has the core 21, which extends in the axial direction 20, and is made of a magnetically conductive material, and an electrical coil 26 which is wound around the core 21 in the axial direction 20 and spans a coil plane 26c.
  • the magnetic field 8 of the electrical coil 26 extends transversely to the axial direction 20 through the first braking component 2 or the core 21.
  • a maximum outer diameter 26a of the electrical coil 26 in a radial direction 26d within the coil plane 26c is greater than a minimum outer diameter 21b of the core 21 in a radial direction 25 across and z. B. perpendicular to the coil plane 26c.
  • the rolling elements 11 are each arranged only in angular segments 61, 62 and cannot rotate completely around the core 21, since the electrical coil 26 protrudes into the gap 5 or channel 5 and thus prevents complete rotation.
  • FIG. 5a three magnetic field lines are shown by way of example.
  • the rolling elements 11 are not received on a cylindrical outer surface of the core 21, but on receptacles 63 specially adapted to the contour of the rolling elements 11, on which the rolling elements 11 are preferably received and guided with some play.
  • the transition of the magnetic field 8 into the rolling elements 11 is advantageous, since more transfer area is available between the core 21 or the outer surface 64 at the receptacles 63 and the rolling elements 11.
  • the electrical coil 26 is arranged outside the angle segments 61 and 62. There are no rolling elements 11 outside of the angular segments 61 and 62.
  • FIGS. 5c and 5d show further developments in which rolling elements 11 are completely dispensed with.
  • the cores 21 have outwardly projecting transmission components 11 which extend radially outward from the base body 33.
  • the chamber 110 between the core 21 and the rotating part 13 is completely filled with MRF.
  • the maximum outer diameter 26a of the coil 26 is greater than the minimum core diameter 21b.
  • the radial extension of the gap 5 varies over the circumference. At the outer ends of the transmission components 11 there is only a small radial gap 65, while a radial distance 66 between the braking component 2 and the braking component 3 is considerably larger at other points.
  • FIG. 5d shows a variant of FIG. 5c, in which the chamber 110 is filled with potting compound 28 via a cylindrical section in order to reduce the MRF volume 114. This reduces the required volume 114 of MRF.
  • the radial distance 66 is significantly reduced, but remains considerably (at least a factor of 2 or 3 or 5 or 10) larger than the radial gap dimension 65. This ensures that the wedge effect described occurs.
  • the MRF particles 19 are linked in the acute-angled areas 10 and form a type of wedge, which leads to a considerable braking torque.
  • the transmission components 11 form a type of radial arms 11d.
  • FIGS. 6a to 6d show a further embodiment of a device component 200, which here again has a magnetorheological braking device 1 and comprises braking components 2 and 3.
  • a "lying or axial coil” 26 is again used, in which the electrical coil 26 is wound around the core 21 in the axial direction 20 and again has a maximum radial coil diameter 26a that is greater than a minimum core diameter 21b of the core 21.
  • the rolling bodies or transmission elements 11 are not arranged over the entire circumference, and the device component 200 can also serve as a button 74.
  • the device component 200 is designed as a haptic operating device 100 and, in detail, as an operating button 101.
  • the second brake component 3 is received at the first end of the closed chamber 110 at the bearing point 112.
  • the second brake component 3 is at the second bearing point 118 at the first brake component 2 added.
  • the bearing 30 is implemented by means of an axle stub 119 with the diameter 117 at the second bearing point 118.
  • the sealing ring 46 prevents the magnetorheological medium 6 from flowing into the area behind the stub axle 119.
  • the diameter 117 at the second bearing point 118 is made significantly smaller here than the diameter 116 at the first bearing point 112.
  • a change in volume is made possible in the event of an axial displacement. Volume changes caused by temperature and changes in volume caused by leaks can be compensated.
  • the first brake component 2 is axially displaced relative to the second brake component 3.
  • a sensor device 70 for detecting an angular position of the haptic operating device 100 is also present here.
  • the magnetic field sensor 72 is integrated in the stationary receptacle 4 or the first brake component 2.
  • the cable 45 of the magnetic field sensor 72, i. H. the sensor line 73 passed through the cable bushing 35 to the outside.
  • the first axle part or the holder 4 of the brake component 2 can, as shown in FIGS. 6b and 6c, preferably be designed in two parts. This primarily simplifies the assembly of the electrical lines and, in particular, of the sensor line 73 within the first brake component 2.
  • the cables can be laid through the open cable bushing 35.
  • the sensor device 70 is shown again in detail.
  • the first brake component 2 and the second brake component 3, designed here as a rotating part 13, are only indicated (dashed lines).
  • the sensor device 70 is supported by the decoupling device 78 on the rotatable second brake component 3 in a magnetically decoupled manner.
  • Shielding device 75 here consists of three shielding bodies 76, which reduce the scattering of the magnetic field 8 of the electrical coil 26. In addition, there is also a separating unit 77 for magnetic separation.
  • the magnetic ring unit 71 is used to measure the orientation or the angle of rotation of the magnetorheological braking device 1.
  • the magnetic field sensor 72 is arranged within the first brake component 2. Small relative axial displacements can also be used to detect a depression of an operating button 101, for example, see FIG. 8.
  • the magnetorheological braking device 1 is integrated in a mouse wheel 106.
  • the bearing of the first brake component 2 within the second bearing point 118 is again implemented by a stub axle 119.
  • the diameter 116 at the first bearing point 112 is different from the diameter 117 at the second bearing point 118, so that changes in volume of the magnetorheological medium 6 can be automatically compensated within the magnetorheological braking device 1.
  • the sensor device 70 comprises a magnetic ring unit 71 and a shielding device 75 in order to minimize magnetic interference signals.
  • FIG. 8 shows the course of the amplitude 69 of the signal 68 detected by the magnetic field sensor 72 as a function of the axial displacement of the brake components 2, 3 (horizontal axis).
  • An axial displacement of the magnetic field sensor 72 with respect to the magnetic ring unit 71 changes the amplitude 69 of the detected signal 68.
  • B. a mouse wheel 106 or other components can be detected.
  • the angle of rotation can also be detected with the same sensor, with the purpose of detecting the angle of rotation the direction of the magnetic field 8 is determined.
  • the intensity determines the axial position.
  • a change in signal 68 can therefore be used to infer an actuation of pushbutton 74, see FIG. This is advantageous because a single (multi-dimensional) Hall sensor can be used to determine the angular position and to determine an axial position.
  • FIGS. 9a, 9b and 9c show possible design variants for controlling a dynamically generated magnetic field or a dynamically generated braking torque as a function of the angle of rotation.
  • FIG. 9a shows a variant in which the device component 200 is used as a rotary knob and a haptic operating aid.
  • the rotation resistance is shown over the rotation angle.
  • a left end stop 228 and a right end stop 229 can be generated.
  • a high magnetic field or stop torque 238 is generated there, as a result of which the rotary knob 23 opposes a high resistance to a rotary movement.
  • the user receives the haptic feedback from an end stop 228, 229.
  • the rotary movement can be rasterized or generated. For example, this can be used to navigate through a graphical menu and select menu items.
  • a first grid point 226 is provided directly next to the left end stop 228, a first grid point 226 is provided. B. corresponds to a first menu item. If the next menu item is to be selected, the rotary knob 100 must be turned clockwise.
  • the dynamically generated higher magnetic field or cogging torque 239 or its frictional torque must be overcome before the next raster point 226 is reached.
  • a constant magnetic field 8 is generated for a certain angular range at the grid points 226 and at the areas in between, which is considerably smaller at the grid points 226 than in the areas in between and again significantly smaller than at the stops 228, 229.
  • An angular distance 237 between individual grid points can be changed dynamically and is adapted to the number of available grid points 226 or menu items.
  • the operating device 100 has the basic torque 240.
  • FIG. 9b shows a variant in which the magnetic field 8 does not suddenly rise towards the end stops 228, 229, but rather takes a steep course. Furthermore, ramp-like gradients of the magnetic field 8 are provided at the grid points 226 on both sides of rotation, whereby the resistance to rotation increases in the corresponding directions of rotation.
  • the same operating device 100 only three grid points 226 are made available, the angular spacing 237 of which is greater than in the example according to FIG. 11a.
  • FIG. 9c shows a variant in which there is a lower resistance to rotation between individual grid points 226 and an increased magnetic field 239 is generated only directly adjacent to each of the grid points 226 in order to enable locking at the individual grid points 226 and at the same time only a low resistance to rotation between individual ones To provide grid points 226 available.
  • the preferably low-alloy steel can retain a residual magnetic field.
  • the steel is preferably demagnetized regularly or when necessary (among other things by a special alternating field).
  • the material FeSi3P (silicon steel or silicon steel) or a similar material is preferably used for the components through which the magnetic field 8 flows.
  • voice or sound control can be carried out.
  • the braking device can be controlled adaptively.
  • the current is preferably continuously reduced over time.
  • the current can also be varied as a function of the speed (angular speed of rotation of the rotary unit).

Abstract

Gerätekomponente (200) mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung (1) mit einem feststehenden Halter (4) und mit wenigstens zwei Bremskomponenten (2,3). Eine der beiden Bremskomponenten (2, 3) ist mit dem Halter (4) drehfest verbunden ist erstreckt sich in axialer Richtung. Die beiden Bremskomponenten (2,3) sind relativ zueinander drehbar, wobei die zweite Bremskomponente (3) ein hohl ausgebildetes Hülsenteil (13) aufweist und die erste Bremskomponente (2) umschließt. Zwischen den Bremskomponenten (2,3) ist eine geschlossene Kammer (110) ausgebildet. Die zweite Bremskomponente (3) ist an einem ersten Ende (111) der geschlossenen Kammer (110) an der ersten Bremskomponente (2) drehbar aufgenommen. Die geschlossene Kammer (110) ist im Wesentlichen mit einem magnetorheologischen Medium (6) gefüllt ist. Eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (113) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (8) ist vorgesehen, um das magnetorheologische Medium (6) in der geschlossenen Kammer (110) zu beeinflussen. Die zweite Bremskomponente (3) ist axial verschieblich an der ersten Bremskomponente (2) aufgenommen, sodass sich ein Volumen (114) der geschlossenen Kammer (110) durch eine relative axiale Verschiebung der Bremskomponenten (2,3) verändert, um einen Ausgleich für temperaturbedingte und/oder leckagenbedingte Volumenänderungen zur Verfügung zu stellen.

Description

Gerätekomponente für eine magnetorheologische Bremseinrichtung mit Temperaturausgleich
Die Erfindung betrifft eine Gerätekomponente mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung mit einem feststehenden Halter und mit wenigstens zwei Bremskomponenten. Eine der beiden Bremskomponenten ist mit dem Halter drehfest verbunden und erstreckt sich in axialer Richtung. Die beiden Bremskomponenten sind relativ zueinander kontinuierlich drehbar. Die zweite Bremskomponente weist ein hohl ausgebildetes Hülsenteil auf und umschließt die erste Bremskomponente. Zwischen den Brems komponenten ist eine geschlossene Kammer ausgebildet, wobei die zweite Bremskomponente an einem ersten Ende der geschlossenen Kammer an der ersten Bremskomponente aufgenommen ist. Die geschlossene Kammer ist im Wesentlichen mit einem magnetorheo logischen Medium gefüllt. Wenigstens eine Magnetfelderzeugungs einrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfelds ist vorgesehen, um das magnetorheologische Medium in der geschlossenen Kammer zu beeinflussen.
Die erfindungsgemäße Gerätekomponente mit einer magneto rheologischen Bremseinrichtung kann auf vielfältigen technischen Gebieten zum Abbremsen von Relativbewegungen zueinander eingesetzt werden, insbesondere auch einer Rotationsbewegung zueinander. Die erfindungsgemäße magnetorheologische Bremseinrichtung kann auch als haptische Bedieneinrichtung eingesetzt werden und zum Beispiel bei der Bedienung von technischen Einrichtungen in Fahrzeugen, Luftfahrt- und Flugzeugen, Schiffen, Booten, Landtechnik (Traktoren, Mähdreschern, Erntemaschinen, sonstigen Feldmaschinen für die Landwirtschaft), Baumaschinen und Maschinen für das Material Handling (Gabelstapler ...) oder bei medizinischen oder industriellen Anlagen eingesetzt werden. Die Erfindung kann auch bei der Bedienung oder als Eingabegerät von/für Waschmaschinen, Küchen-/Haushaltsgeräten und -einrichtungen, Radios,
Fotoapparaten und Filmkameras, Hi-Fi- und Fernsehanlagen, Smart Devices, Smart-Home-Geräten, Laptops, PCs, Smartwatches, in einem Kronenrad von Armbanduhren oder als Drehrad in einer Computermaus oder anderen Geräten verwendet werden.
Magnetorheologische Fluide weisen beispielsweise in einem Öl verteilt feinste ferromagnetische Partikel wie beispielsweise Carbonyleisenpulver auf. In magnetorheologischen Flüssigkeiten werden kugelförmige Partikel mit einem herstellungsbedingten Durchmesser von 1 bis 10 pm verwendet, wobei die Partikelgröße und Form nicht einheitlich ist. Wird ein solches magneto- rheologisches Fluid mit einem Magnetfeld beaufschlagt, so verketten sich die Carbonyleisenpartikel des magnetorheologischen Fluids entlang der Magnetfeldlinien, sodass die rheologischen Eigenschaften des magnetorheologischen Fluides (MRF) abhängig von Form und Stärke des Magnetfeldes erheblich beeinflusst werden.
Das magnetorheologische Medium ist im Regelfall in eine geschlossene Kammer innerhalb der magnetorheologischen Bremseinrichtung eingefüllt. Die magnetorheologische Brems einrichtung wird im Regelfall bei Temperaturen zwischen -40°C und +80°C betrieben. Bei einer Änderung der Umgebungs- oder Betriebstemperatur ändert sich auch das Volumen des magnetorheologischen Mediums in der geschlossenen Kammer. Es können hohe Druckkräfte an den Komponenten und vor allem an den Dichtungen entstehen. Die magnetorheologische Bremseinrichtung muss gegenüber der Umgebung abgedichtet sein, damit das magnetorheologische Medium nicht austreten kann und auch keine Flüssigkeiten oder auch Luft von außen in die geschlossene Kammer kommen kann. Beides führt zu einer Minderung der Performance, d. h. die maximal übertragbare Kraft und die Funktion der Kraftübertragung werden gestört. Es muss daher ein Ausgleich für temperaturbedingte Volumenänderungen zur Verfügung gestellt werden. In der Praxis kann einerseits bei der Befüllung der geschlossenen Kammer mit einem magnetorheologischen Medium ein Restvolumen mit einem Gas gefüllt werden. Das Gas wird bei einer temperatur bedingten Volumenänderung des magnetorheologischen Mediums komprimiert. Ein Druckanstieg wird durch den Gaspuffer reduziert, sodass insbesondere Leckagen verhindert werden können.
Nachteilig ist jedoch vor allem, dass die übertragbaren Kräfte und die grundlegende Funktion durch das Gas beeinträchtigt werden können. Darüber hinaus wird durch den erhöhten Druck vor allem die Lebensdauer der Dichtungen beeinträchtigt. Außerdem kommt es zu einer erhöhten Reibung.
Außerdem kann ein Ausgleichsbehälter vorgesehen werden, welcher bei einer Volumenänderung des magnetorheologischen Mediums als Puffer arbeitet und einen Teil des magnetorheologischen Mediums aufnehmen und auch wieder abgeben kann. Bei einer Leckage wird der Verlust des magnetorheologischen Mediums durch den Ausgleichsbehälter wieder ausgeglichen. Dafür ist der Ausgleichsbehälter über Ventil mit der geschlossenen Kammer verbunden. Der Druckanstieg in der geschlossenen Kammer wird reduziert. Der Ausgleichsbehälter muss zur Umgebung offen (bzw. mit einer Membran zum Umgebungsdruck gekoppelt) sein oder selbst einen kompressiblen Gaspuffer aufweisen.
Nachteilig ist hier jedoch vor allem die Unterbringung des Ausgleichsbehälters an bzw. in der magnetorheologischen Bremseinrichtung mit kleinen Abmessungen. Außerdem ist die aufwendige Mechanik zum Anschluss des Ausgleichsbehälters fehleranfällig und teuer. Außerdem kann ein durch eine temperaturbedingte Volumenänderung verursachter Druckanstieg nur gemindert, jedoch nicht verhindert werden. Die Ventile müssen gegebenenfalls gewartet werden.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gerätekomponente mit einer magnetorheologische Bremseinrichtung zur Verfügung zu stellen, welche einen einfachen und kostengünstigen Temperaturausgleich innerhalb der agnetorheologischen Bremseinrichtung der Gerätekomponente ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gerätekomponente mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
Eine erfindungsgemäße Gerätekomponente umfasst eine magnetorheo- logische Bremseinrichtung mit einem feststehenden Halter und wenigstens zwei Bremskomponenten. Eine der beiden Bremskomponenten ist mit dem Halter drehfest verbunden und erstreckt sich in axialer Richtung. Beide Bremskomponenten sind relativ zueinander (kontinuierlich) drehbar, vorzugsweise wenigstens schwenkbar. Die zweite Bremskomponente weist ein hohl ausgebildetes Hülsenteil auf, welches die erste Bremskomponente umschließt. Zwischen den Bremskomponenten ist eine geschlossene (und nach außen abgedichtete) Kammer ausgebildet. Die zweite Bremskomponente ist an einem ersten Ende der geschlossenen Kammer an der ersten Bremskomponente (an einer ersten Lagerstelle) drehbar aufgenommen und insbesondere gelagert. Die geschlossene Kammer ist im Wesentlichen (im Wesentlichen vollständig oder vollständig) mit einem magnetorheologischen Medium gefüllt. Wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfelds ist vorgesehen, um das magnetorheologische Medium in der geschlossenen Kammer zu beeinflussen.
Erfindungsgemäß ist die zweite Bremskomponente axial verschieblich an der ersten Bremskomponente aufgenommen bzw. gelagert. Ein Volumen der geschlossenen Kammer verändert sich durch eine relative axiale Verschiebung der Bremskomponenten. So wird ein Ausgleich für Volumenänderungen und bevorzugt temperaturbedingte Volumenänderungen zur Verfügung gestellt.
Die erfindungsgemäße magnetorheologische Bremseinrichtung hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Bremseinrichtung besteht darin, dass der Temperaturausgleich kostengünstig und einfach realisiert werden kann. Vorteilhaft verändert sich durch die relative Verschiebung der ersten Bremskomponente zur zweiten Bremskomponente das Volumen der geschlossenen Kammer, sodass nur eine geringe Anzahl bewegter Komponenten vorhanden ist. Die magnetorheologische Bremseinrichtung mit erfindungsgemäßem Temperaturausgleich ist wartungsarm und langlebig. Vorteilhaft ist kein Ausgleichsbehälter oder eine sonstige zusätzliche mechanische Einrichtung notwendig. Der erfindungsgemäße Temperaturausgleich eignet sich vorteilhaft zur Kompensation von Volumenänderungen des magnetorheologischen Mediums, die insbesondere durch Temperaturänderungen und/oder aber auch durch Leckagen verursacht sein können. Außerdem vorteilhaft befindet sich kein mit Gas gefülltes Restvolumen innerhalb der Grundkomponente der magnetorheologischen Bremseinrichtung. Durch die relative axiale Verschiebung der ersten und der zweiten Bremskomponente zueinander arbeitet das System immer bei Umgebungsdruck, sodass die Dichtungen nicht zusätzlich belastet werden.
Vorzugsweise ist an einem zweiten Ende der Kammer die zweite Bremskomponente an der ersten Bremskomponente verschieblich aufgenommen und insbesondere gelagert. Zweckmäßig ist ein Durchmesser der ersten Lagerstelle an dem ersten Ende der geschlossenen Kammer von einem Durchmesser der zweiten Lagerstelle an dem zweiten Ende der geschlossenen Kammer verschieden.
Vorteilhaft kann so in Abhängigkeit der Durchmesser eine Richtung der relativen axialen Verschiebung der Bremskomponenten zueinander gesteuert werden. Die Lagerstellen weisen bevorzugt eine zylindrische Dichtfläche auf. Die Dichtfläche ist vorteilhaft kostengünstig zu fertigen. Besonders bevorzugt kommt eine Gleitringdichtung zur radialen Lagerung bei gleichzeitig axial verschieblicher Führung zum Einsatz.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der zweite Durchmesser an der zweiten Lagerstelle kleiner ist als der erste Durchmesser an der ersten Lagerstelle, sodass das Volumen der geschlossenen Kammer durch eine axiale Verschiebung in Richtung der ersten Lagerstelle vergrößert wird und umgekehrt verkleinert wird. Vorteilhaft vergrößert sich demnach das Volumen der geschlossenen Kammer, wenn sich die erste Bremskomponente wenigstens zum Teil aus der umschließenden ersten Bremskomponente herausschiebt.
Diese Weiterbildung eignet sich besonders vorteilhaft, wenn sich die magnetorheologische Bremseinrichtung bei einer insbesondere temperaturbedingten Volumenänderung bevorzugt zur ersten Lagerstelle hin verschieben soll.
Besonders vorteilhaft weist ein Verhältnis vom Durchmesser der ersten Lagerstelle zum Durchmesser der zweiten Lagerstelle einen Wert zwischen 1,1 und 4 auf. Insbesondere weist dieses Verhältnis einen Wert zwischen 1,5 und 3 und besonders bevorzugt einen Wert von ca. 3 oder insbesondere 2 auf. Vorzugsweise ist so eine relative axiale Verschiebung, die aus einer temperaturbedingten Volumenänderung des magnetorheologischen Mediums resultiert, durch dieses Verhältnis steuerbar.
Vorzugsweise ist der Durchmesser der zweiten Lagerstelle größer als der Durchmesser der ersten Lagerstelle, sodass das Volumen der geschlossenen Kammer durch eine axiale Verschiebung in Richtung der zweiten Lagerstelle vergrößert wird.
Vorteilhaft kann so die Richtung der axialen Verschiebung gesteuert bzw. vorgegeben werden. Dabei können die Durchmesser so zueinander dimensioniert werden, dass zum Beispiel toleranzabhängig eine unkritische Bewegungsrichtung favorisiert wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist ein Verhältnis vom Durchmesser der ersten Lagerstelle zum Durchmesser der zweiten Lagerstelle einen Wert zwischen 0,25 und 0,9 auf. Insbesondere kann dieses Verhältnis auch einen Wert zwischen 0,3 und 0,75, und besonders bevorzugt auch einen Wert von 0,5 aufweisen.
Vorteilhaft resultiert ein kleines Verhältnis in einer kleinen Höhenänderung bei bekannter bzw. vorgegebener temperaturbedingter Volumenänderung.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung umschließt die zweite Bremskomponente einen Endabschnitt der ersten Bremskomponente topfförmig. Zweckmäßig ist die zweite Lagerstelle als ein Achsstummel, insbesondere mit freiem Ende, ausgebildet. Die Ausgestaltung eignet sich besonders, wenn die zweite Bremskomponente als Drehknopf, Bedienknopf oder auch Bedieneinrichtung zum Beispiel in Multimediageräten genutzt werden soll.
Bevorzugt ist wenigstens ein Ausgleichskanal innerhalb der ersten Bremskomponente vorhanden, welcher die Bereiche nahe der Lagerstellen miteinander verbindet. So wird vorteilhaft die Drosselwirkung über den Spalt bei einer axialen Verschiebung gemindert. Besonders vorteilhaft sind auch mehrere Ausgleichskanäle möglich.
Vorteilhaft ist eine relative axiale Verschiebung der ersten Bremskomponente zur zweiten Bremskomponente von wenigstens ca. 0,05 mm möglich. Bevorzugt beträgt die relative axiale Verschiebung der ersten Bremskomponente zur zweiten Bremskomponente wenigstens ca. 0,25 mm und insbesondere wenigstens 0,5 mm. Darüber hinaus sind auch größere Verschiebungen möglich.
Zweckmäßig ist eine relative axiale Verschiebung der ersten Bremskomponente zur zweiten Bremskomponente von maximal circa. 2 mm möglich ist. Vorteilhaft beträgt die maximale relative axiale Verschiebung ca. 1,5 mm und insbesondere wenigstens 1 mm.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist die geschlossene Kammer wenigstens einen zwischen den Bremskomponenten ausgebildeten umlaufenden Spalt auf. Bevorzugt wird das Magnetfeld der Magnetfelderzeugungseinrichtung innerhalb des Spalts erzeugt, um das magnetorheologische Medium innerhalb des Spalts zu beeinflussen. So wir vorteilhaft eine sehr genaue Steuerung bzw. Bedienbarkeit der magnetorheologischen Bremseinrichtung ermöglicht.
Bevorzugt sind in dem Spalt wenigstens eine, zwei oder mehr drehbare Übertragungselemente angeordnet. Die
Übertragungselemente sind bevorzugt als Wälzkörper ausgebildet und weisen einen zylindrischen oder kugelförmigen oder runden oder abgerundeten Querschnitt auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung besteht wenigstens ein Teil der Übertragungselemente aus einem magnetisch leitfähigen Material. Wenigstens ein Teil der Drehkörper besteht aus einem magnetisch nicht leitfähigen Material.
Bevorzugt umfasst die erste Bremskomponente einen sich in der axialen Richtung erstreckenden Kern aus einem magnetisch leitfähigen Material.
Vorteilhaft bestehen das Hülsenteil und/oder die zweite Bremskomponente aus einem magnetisch leitfähigen Material. Das Hülsenteil und/oder die zweite Bremskomponente stellen bevorzugt einen Außenring für das Magnetfeld zur Verfügung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Bremskomponente im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Die erste Bremskomponente umfasst insbesondere einen zylindrischen Grundkörper als Kern, der die elektrische Spule der Magnetfelderzeugungseinrichtung umfasst.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist der Halter wenigstens eine Kabeldurchführung auf.
Vorteilhaft weist der Halter wenigstens eine Aufnahme zur drehfesten Verbindung mit der ersten Bremskomponente auf. Die erste Bremskomponente weist vorteilhaft eine zylindrische Lauffläche auf. Vorzugsweise ist die zweite Bremskomponente drehbar aufgenommen. An der zylindrischen Lauffläche ist insbesondere eine Dichtung zum Abdichten der geschlossenen Kammer angeordnet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine elektrische Spule.
Vorzugsweise ist die elektrische Spule in radialer Richtung gewickelt, sodass sich das Magnetfeld in der axialen Richtung der ersten Bremskomponente erstreckt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die elektrische Spule in axialer Richtung gewickelt. Vorteilhaft spannt die elektrische Spule eine Spulenebene auf, sodass sich ein Magnetfeld der elektrischen Spule quer zu der axialen Richtung durch die erste Bremskomponente erstreckt.
Vorteilhaft ist ein maximaler äußerer Durchmesser der elektrischen Spule in einer radialen Richtung innerhalb der Spulenebene größer als ein minimaler äußerer Durchmesser des Kerns in einer radialen Richtung quer, insbesondere senkrecht, zu der Spulenebene.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Sensoreinrichtung durch die Gerätekomponente umfasst. Vorteilhaft umfasst die Sensoreinrichtung wenigstens eine Magnetringeinheit und wenigstens einen drehfest an der ersten Bremskomponente angebundenen sowie radial und/oder axial benachbart zu der Magnetringeinheit angeordneten Magnetfeldsensor zur Erfassung eines Magnetfeldes der Magnetringeinheit. Die Sensoreinrichtung ist insbesondere als mehrdimensionaler Hallsensor ausgebildet.
Vorteilhaft ist die Magnetringeinheit wenigstens an dem Drehteil befestigt. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Gerätekomponente wenigstens eine Abschirmeinrichtung. Die Abschirmeinrichtung eignet sich wenigstens zur teilweisen Abschirmung der Sensoreinrichtung vor einem Magnetfeld der elektrischen Spule.
Vorteilhaft umfasst die Abschirmeinrichtung wenigstens einen die Magnetringeinheit wenigstens abschnittsweise umgebenden Abschirmkörper. Die Abschirmeinrichtung umfasst außerdem insbesondere wenigstens eine zwischen dem Abschirmkörper und der Magnetringeinheit angeordnete Trenneinheit. Darüber hinaus kann die Abschirmeinheit wenigstens eine zwischen dem Abschirmkörper und dem Drehteil angeordnete magnetische Entkopplungseinrichtung umfassen.
Bevorzugt weist die Trenneinheit eine um ein Vielfaches geringere magnetische Leitfähigkeit als der Abschirmkörper auf.
Insbesondere weist die Entkopplungseinrichtung eine um ein Vielfaches geringere magnetische Leitfähigkeit als der Abschirmkörper auf.
In einer anderen Weiterbildung kann die Abschirmeinrichtung wenigstens eine axiale Ringscheibe und wenigstens eine Ringhülse umfassen.
Vorteilhaft sind die Abschirmeinrichtung und die Magnetringeinheit voneinander beabstandet angeordnet. Es kann sich insbesondere ein Spritzgussteil dazwischen befinden.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann die Gerätekomponente eine Benutzerschnittstelle, ein Bedienpanel, ein Display, ein berührungsempfindliches Display mit oder ohne haptischem Feedback und/oder wenigstens ein Sensor bzw. eine Sensoreinheit umfassen.
In einer anderen Weiterbildung ist wenigstens eine von dem Magnetfeld durchflossene Komponente wenigstens teilweise aus dem Werkstoff FeSi3P. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
In den Figuren zeigen:
Figur la-lf schematische dreidimensionale Ansichten von erfindungsgemäßen Gerätekomponenten mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung;
Figur 2 einen stark schematischen Querschnitt durch einen
Wälzkörper einer magnetorheologischen Bremseinrichtung;
Figur 3 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Gerätekomponente mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung;
Figur 4 einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen
Gerätekomponente mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung;
Figur 5a-5d schematische Querschnitte der erfindungsgemäßen Gerätekomponenten mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung nach Figur 3 oder 4;
Figur 6a-6d eine andere erfindungsgemäße Gerätekomponente mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung;
Figur 7 noch eine weitere erfindungsgemäße Gerätekomponente mit magnetorheologischen Bremseinrichtung im Schnitt;
Figur 8 eine schematische Darstellung eines Verlaufs eines
Sensorsignals;
Figuren 9a-9c mögliche Drehmomentverläufe über dem Drehwinkel einer magnetorheologischen Bremseinrichtung einer erfindungsgemäßen Gerätekomponente.
Figuren la bis lf zeigen mehrere erfindungsgemäße Gerätekomponenten 200, in denen die agnetorheologische Bremseinrichtung 1 eingesetzt werden kann. Die Gerätekomponenten 200 sind jeweils als haptische Bedieneinrichtung 100 ausgeführt.
Figur la zeigt einen haptischen Bedienknopf 101. Der Bedienknopf ist über die Konsole 50 befestigt. Der Bedienknopf 101 wird über das Hülsenteil 13e bedient. Die Benutzerschnittstelle 43 kann zusätzlich genutzt werden, um Informationen zu übermitteln.
In Figur lb ist die Gerätekomponente 200 als Daumenwalze 102 mit haptischer Bedieneinrichtung 100 dargestellt. Die Daumenwalze 102 ist bevorzugt beispielsweise in Lenkrädern einsetzbar. Die Daumenwalze ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. Die Daumenwalze 102 kann allgemein je nach Einbausituation auch mit jedem anderen Finger nutzbar sein.
In Figur lc und Figur ld ist die erfindungsgemäße Gerätekomponente 200 als Computermaus 103 ausgeführt. Die haptische Bedieneinrichtung 100 ist in dem Mausrad 106 untergebracht. Die magnetorheologische Bremseinrichtung 1 kann genutzt werden, um ein haptisches Feedback zu steuern.
Figur ld zeigt einen Joystick 104 als haptische Bedieneinrichtung 100, in welchem eine magnetorheologische Bremseinrichtung 1 untergebracht ist. Außerdem ist die erfindungsgemäße magnetorheologische Bremseinrichtung 100 auch in einem Gamepad 105 bevorzugt nutzbar, um dem Spieler in Abhängigkeit der Spielsituation ein haptisches Feedback zu geben.
In diesen Ausführungsbeispielen weist die magnetorheologische Bremseinrichtung 1 ein Drehteil 13 bzw. Hülsenteil 13e auf, welches drehbar aufgenommen ist. Das zur Drehung des Drehteils 13 erforderliche Drehmoment ist einstellbar.
Auf der Oberseite der magnetorheologischen Bremseinrichtung 1 kann eine Benutzerschnittstelle 43 angeordnet sein. Eine solche Benutzerschnittstelle 43 kann beispielsweise als Anzeigeeinrichtung oder auch als berührungsempfindliche Eingabemöglichkeit (Touchpad, Bewegungs- und Gestensteuerung, Bilderkennung ...) ausgebildet sein.
Eine haptische Bedieneinrichtung 100 kann beispielsweise zur Bedienung von Maschinen, Medizingeräten oder zur Verwendung im und für das Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Möglich ist auch der Einsatz an sonstigen Geräten oder anderen Vorrichtungen.
Figur 2 zeigt eine stark schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen magnetorheologischen Bremseinrichtung 1 zur Beeinflussung der Kraftübertragung zwischen zwei Bremskomponenten 2 und 3. Dabei ist zwischen den zwei Bremskomponenten 2 und 3 in Fig. 2 ein Wälzkörper bzw. Drehkörper 11 vorgesehen. Der Wälzkörper 11 ist hier als Kugel 14 ausgebildet. Möglich ist es aber ebenso, Wälzkörper 11 als Zylinder oder Ellipsoide, Rollen oder sonstige rotierbare Drehkörper 11 auszubilden. Auch im eigentlichen Sinn nicht rotationssymmetrische Drehkörper 11 wie beispielsweise ein Zahnrad oder Drehkörper 11 mit einer bestimmten Oberflächenstruktur können als Wälzkörper 11 verwendet werden. Die Wälzkörper 11 werden nicht zur Lagerung der Bremskomponenten 2, 3 relativ zueinander eingesetzt, sondern zur Übertragung von Drehmoment.
Zwischen den Bremskomponenten 2 und 3 ist ein Kanal 5 vorgesehen, der hier mit einem Medium 6 gefüllt ist. Das Medium 6 ist hier ein magnetorheologisches Fluid, welches beispielsweise als Trägerflüssigkeit ein Öl umfasst, in dem ferromagnetische Partikel 19 vorhanden sind. Glykol, Fett, Wasser und dickflüssige Stoffe können auch als Medium oder Trägermedium 6 verwendet werden, ohne darauf beschränkt zu sein. Das Medium oder Trägermediumö kann auch gasförmig sein bzw. es kann auf das Medium oder Trägermedium 6 verzichtet werden (Vakuum). In diesem Fall werden lediglich durch das Magnetfeld 8 beeinflussbare Partikel 19 in den Kanal 5 gefüllt.
Die ferromagnetischen Partikel 19 sind vorzugsweise Carbonyl eisenpulver, wobei die Größenverteilung der Partikel vom konkreten Einsatzfall abhängt. Konkret bevorzugt ist eine Verteilung der Partikelgröße zwischen ein und zehn Mikrometern, wobei aber auch größere Partikel von zwanzig, dreißig, vierzig und fünfzig Mikrometer möglich sind. Je nach Anwendungsfall kann die Partikelgröße auch deutlich größer werden und sogar in den Millimeterbereich Vordringen (Partikelkugeln). Die Partikel können auch eine spezielle Beschichtung/Mantel (Titanbeschich tung, Keramik-, Karbonmantel etc.) aufweisen, damit sie die je nach Anwendungsfall auftretenden hohen Druckbelastungen besser aushalten. Die magnetorheologischen Partikel 19 können für diesen Anwendungsfall nicht nur aus Carbonyleisenpulver (Reineisen), sondern z. B. auch aus speziellem Eisen (härterem Stahl) hergestellt werden.
Der Wälzkörper 11 wird durch die Relativbewegung 17, 18 der beiden Bremskomponenten 2 und 3 vorzugsweise in Rotation um seine Drehachse 12 versetzt und läuft praktisch auf der Oberfläche der Bremskomponente 3 ab. Gleichzeitig läuft der Wälzkörper 11 auf der Oberfläche der anderen Bremskomponente 2, sodass dort eine Relativgeschwindigkeit 18 vorliegt.
Genau genommen hat der Wälzkörper 11 keinen direkten Kontakt zur Oberfläche der Bremskomponenten 2 und/oder 3 und wälzt sich deshalb nicht direkt darauf ab. Der freie Abstand 9 von dem Wälzkörper 11 zu einer der Oberflächen der Bremskomponenten 2 oder 3 beträgt z. B. 140 pm. In einer konkreten Ausgestaltung mit Partikelgrößen zwischen 1 pm und 10 pm liegt der freie Abstand 9 insbesondere zwischen 75 pm und 300 pm und besonders bevorzugt zwischen 100 pm und 200 pm.
Der freie Abstand 9 beträgt insbesondere wenigstens das Zehnfache des Durchmessers eines typischen mittleren Partikeldurchmessers. Vorzugsweise beträgt der freie Abstand 9 wenigstens das Zehnfache eines größten typischen Partikels 19. Durch den fehlenden direkten Kontakt ergibt sich eine sehr geringe(s) Grundreibung/- kraft/-moment beim relativen Bewegen der Bremskomponenten 2 und 3 zueinander. Wird die magnetorheologische Bremseinrichtung 1 mit einem Magnetfeld 8 beaufschlagt, bilden sich die Feldlinien abhängig vom Abstand zwischen den Wälzkörpern 11 und den Bremskomponenten 2, 3 aus. Der Wälzkörper 11 besteht aus einem ferromagnetischen Material und z. B. hier aus ST 37 (S235). Der Stahltyp ST 37 hat eine magnetische Permeabilität pr von etwa 2000. Die Feldlinien (Magnetkreis) treten durch den Wälzkörper 11 hindurch und konzentrieren sich in dem Wälzkörper 11. An der hier radialen Ein- und Austrittsfläche der Feldlinien an dem Wälzkörper 11 herrscht eine hohe magnetische Flußdichte in dem Kanal 5. Das dort inhomogene und starke Magnetfeld 8 führt zu einer lokalen und starken Vernetzung der magnetisch polarisierbaren Partikel 19 (magnetische Verkettung). Durch die Drehbewegung des Wälzkörpers 11 in Richtung auf den sich bildenden Keil 16 in dem magne- torheologischen Fluid wird die Wirkung stark erhöht und das mögliche Brems- oder Kupplungsmoment wird extrem vergrößert, weit über den Betrag hinaus, der normalerweise in dem magnetorheolo- gischen Fluid 6 erzeugbar ist. Vorzugsweise bestehen Wälzkörper 11 und Bremskomponenten 2, 3 zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material, weshalb die magnetische Flussdichte umso höher wird, je kleiner der Abstand zwischen Drehkörper 11 und Bremskomponenten 2, 3 ist. Dadurch bildet sich ein im Wesentlichen keilförmiger Bereich 16 im Medium aus, in welchem der Gradient des Magnetfelds zum spitzen Winkel bei der Kontakt stelle bzw. dem Bereich des geringsten Abstands hin stark zunimmt.
Trotz des Abstands zwischen den Wälzkörpern 11 und den Brems komponenten 2, 3 kann durch die Relativgeschwindigkeit der Oberflächen zueinander der Wälzkörper 11 in eine Drehbewegung versetzt werden. Die Drehbewegung ist ohne und auch mit einem wirkenden Magnetfeld 8 möglich.
Wenn die magnetorheologische Bremseinrichtung 1 einem Magnetfeld 8 einer hier in Figur 2 nicht dargestellten elektrischen Spule 26 ausgesetzt ist, verketten sich die einzelnen Partikeln 19 des magnetorheologischen Fluides 6 entlang der Feldlinien des Magnetfeldes 8. Zu beachten ist, dass die in Figur 2 eingezeichneten Vektoren den für die Beeinflussung des MRF relevanten Bereich der Feldlinien nur grob schematisch darstellen. Die Feldlinien treten im Wesentlichen normal auf die Oberflächen der ferromagnetischen Bauteile in den Kanal 5 ein und müssen vor allem im spitzwinkligen Bereich 10 nicht geradlinig verlaufen.
Gleichzeitig wird auf dem Umfang des Wälzkörpers 11 etwas Material von dem magnetorheologischen Fluid mit in Rotation versetzt, sodass sich ein spitzwinkliger Bereich 10 zwischen der Bremskomponente 3 und dem Wälzkörper 11 ausbildet. Auf der anderen Seite entsteht ein gleicher spitzwinkliger Bereich 10 zwischen dem Wälzkörper 11 und der Bremskomponente 2. Die spitzwinkligen Bereiche 10 können beispielsweise bei zylinderförmig ausgestalteten Wälzkörpern 11 eine Keilform 16 aufweisen. Durch die Keilform 16 bedingt wird die weitere Rotation des Wälzkörpers 11 behindert, sodass die Wirkung des Magnetfeldes auf das magnetorheologische Fluid 6 verstärkt wird, da sich durch das wirkende Magnetfeld 8 innerhalb des spitzwinkligen Bereiches 10 ein stärkerer Zusammenhalt des dortigen Mediums 6 ergibt. Dadurch wird die Wirkung des magnetorheologischen Fluids 6 im angesammelten Haufen verstärkt (die Kettenbildung im Fluid und damit der Zusammenhalt bzw. die Viskosität), was die weitere Rotation bzw. Bewegung des Drehkörpers 11 erschwert.
Durch die Keilform 16 (Partikelanhäufung) können wesentlich größere Kräfte oder Momente übertragen werden als es mit einem vergleichbaren Aufbau möglich wäre, der nur die Scherbewegung ohne Keileffekt nützt.
Die direkt durch das angelegte Magnetfeld 8 übertragbaren Kräfte stellen nur einen kleinen Teil der durch die Einrichtung über tragbaren Kräfte dar. Durch das Magnetfeld 8 lässt sich die Keilbildung und somit die mechanische Kraftverstärkung steuern. Die mechanische Verstärkung des agnetorheologischen Effekts kann soweit gehen, dass eine Kraftübertragung auch nach Abschalten eines angelegten Magnetfeldes 8 möglich ist, wenn die Partikel 19 verkeilt wurden.
Es hat sich herausgestellt, dass durch die Keilwirkung der spitz winkligen Bereiche 10 eine erheblich größere Wirkung eines Magnetfeldes 8 einer bestimmten Stärke erzielt wird. Dabei kann die Wirkung um ein Vielfaches verstärkt werden. In einem konkreten Fall wurde eine etwa zehnmal so starke Beeinflussung der Relativgeschwindigkeit zweier Bremskomponenten 2 und 3 zueinander wie beim Stand der Technik bei MRF Kupplungen nach dem Scherprinzip beobachtet, bei dem zwischen zwei sich zueinander bewegenden Flächen ein magnetorheologisches Medium oder Fluid 6 angeordnet ist und den Scherkräften der sich zueinander bewegenden Flächen ausgesetzt ist. Die mögliche Verstärkung hier durch die Keilwirkung hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Gegebenenfalls kann sie durch eine größere Oberflächenrauhigkeit der Wälzkörper 11 noch verstärkt werden. Möglich ist es auch, dass auf der Außenoberfläche der Wälzkörper 11 nach außen ragende Vorsprünge vorgesehen sind, die zu einer noch stärkeren Keilbildung führen können.
Die Keilwirkung bzw. der Keileffekt verteilt sich flächig auf den Wälzkörper 11 und die Komponenten 2 oder 3.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Gerätekomponente 200 mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung 1, die über zwei Bremskomponenten 2 und 3 verfügt. Die erste Bremskomponente 2 und die zweite Bremskomponente 3 erstrecken sich im Wesentlichen in eine axiale Richtung 20. Die erste Bremskomponente 2 ist hier im Inneren der zweiten Bremskomponente 3 angeordnet und wird durch einen Halter 4 formschlüssig und/oder kraftschlüssig gehalten. Der Halter 4 kann beispielsweise an einer externen Konsole oder an einem Gerät befestigt werden. Der Halter 4 wird regelmäßig drehfest befestigt. Die zweite Bremskomponente 3 ist relativ zu der ersten Bremskomponente 2 kontinuierlich drehbar daran aufgenommen.
Die zweite Bremskomponente 3 ist länglich ausgebildet und verfügt über das Drehteil 13 und darin ein magnetisch leitfähiges Hülsenteil 13e.
Die zweite Bremskomponente 3 ist an der ersten Lagerstelle 112 und an der zweiten Lagerstelle 118 an der zweiten Bremskomponente 2 drehbar aufgenommen und insbesondere axial verschiebbar gelagert. An den Lagerstellen 112, 118 können Kräfte in eine globale radiale Richtung 122 durch die Lagerungen 30 abgestützt werden, während die erste Bremskomponente 2 relativ axial zur zweiten Bremskomponente 3 verschiebbar ist. Der Durchmesser 116 der ersten Lagerstelle 112 ist hier ungefähr doppelt so groß wie der Durchmesser 117 der zweiten Lagerstelle 118.
Die zweite Bremskomponente 3 ist an beiden Enden herausgeführt. Zwischen den Bremskomponenten 2 und 3 ist eine geschlossene Kammer 110 ausgebildet, die mit MRF gefüllt ist. Im Bereich des ersten Endes 111 der Kammer 110 ist eine zylindrische Lauffläche an dem Halter 4 als erste Lagerstelle 112 ausgebildet. Dort liegt eine gehärtete Oberfläche oder eine Oberfläche entsprechender Güte vor. An dieser zylindrischen Lauffläche 37 ist ein Lager 30 zur drehbaren Lagerung der zweiten Bremskomponente 3 angebracht. In der axialen Richtung 20 weiter nach innen ist benachbart zu dem Lager 30 eine Dichtung 38 vorgesehen. Die Dichtung 38 dichtet das Innere zuverlässig ab.
Die erste Bremskomponente 2 weist einen Grundkörper 33 auf. Um den Kern 21 sind die Wicklungen einer elektrischen Spule 26 gewickelt. Dabei stehen die die einzelnen Windungen der elektrischen Spule 26 nach außen über den zylindrischen Grundkörper 33 hervor (vgl. Fig. 5).
Radial besteht zwischen der Außenwandung der ersten Bremskomponente 2 und der inneren Wandung des Hülsenteils 13 ein Spalt 5, der hier im Wesentlichen als hohlzylindrischer Spalt 5 ausgeführt ist. In dem Spalt sind mehrere Übertragungskomponenten 11, die hier als Wälzkörper 11 ausgebildet sind, angeordnet. Die Wälzkörper 11 sind hier als zylindrische Wälzkörper 11 ausgebildet und weisen einen Außendurchmesser auf, der etwas geringer ist als die Spaltbreite 5a des Spaltes 5. Der Spalt 5 ist des Weiteren hier mit einem magnetorheologischen Medium 6 gefüllt.
Im einem Bereich des Spaltes 5 kann beispielsweise ein mit Luft oder einem anderen Gas gefüllter O-Ring oder dergleichen angeordnet sein, der einen Volumenausgleich bei Temperaturschwankungen zur Verfügung stellt. Außerdem wird dadurch dort ein Reservoir gebildet, falls im Laufe des Betriebes magnetorheologisches Fluid bzw. Medium 6 aus dem Inneren nach außen austritt. Hier wird die Konstruktion genutzt, um durch die unterschiedlich großen Durchmesser 116, 117 einen automatischen Temperaturausgleich und ein Reservoir für MRF zur Verfügung zu stellen.
Die (nutzbare) Spaltlänge des Spaltes 5 ist hier größer als die Länge der Wälzkörper 11. Hier ist auch die elektrische Spule 26 in der axialen Richtung 20 länger ausgebildet als die Länge der Wälzkörper 11.
Im Inneren der elektrischen Spule 26 ist der Kern 21 zu erkennen. Der Halter 4 weist eine radial vergrößerte Aufnahme 36 (Durchmesser 36a, vgl. Fig. 4) zur drehfesten Aufnahme der ersten Bremskomponente 2 auf. Durch den Halter 4 erstreckt sich eine Kabeldurchführung 35 nach unten durch den Halter 4 hindurch. Dort werden Kabel 45 zum Anschluss der elektrischen Spule 26 und gegebenenfalls Sensorleitungen herausgeführt. Eine Steuereinrichtung 27 kann im Fuß des Halters 4 oder an anderen geeigneten Stellen vorgesehen oder zugeordnet sein, um eine bedarfsgerechte Steuerung vorzunehmen.
Zwischen dem ersten Ende 111 und dem zweiten Ende 115 ist eine geschlossene Kammer 110 ausgebildet. Die geschlossene Kammer 110 umfasst das Volumen 114, welche im Wesentlichen vollständig mit dem agnetorheologischen Medium 6 gefüllt ist.
Eine Änderung des Volumens der magnetorheologischen Mediums 6 führt hier zu einer relativen axialen Verschiebung der ersten Bremskomponente 2 zur zweiten Bremskomponente 3 aufgrund der verschiedenen Durchmesser 116, 117 der beiden Lagerstellen 112, 118.
Für den Fall, dass die erste Bremskomponente 2 feststeht, wird die zweite Bremskomponente 3 im Falle einer Volumenzunahme in der Orientierung von Figur 3 nach rechts verschoben. Ein kleiner Teil der ersten Bremskomponente 2 mit dem Durchmesser 116 an der ersten Lagerstelle 112 tritt aus der geschlossenen Kammer 110 aus, während ein Teil der ersten Bremskomponente 2 an dem zweiten Ende 115 mit dem deutlich kleineren Durchmesser in die geschlossene Kammer 110 eintritt. Im Endeffekt wird so das Volumen 114 der geschlossenen Kammer 110 vergrößert. So kann insbesondere eine durch einen Temperaturanstieg bedingte Volumenänderung des magnetorheologischen Mediums 6 ausgeglichen werden. Eine Funktion der Magnetfelderzeugungseinrichtung 113 wird hierdurch nicht beeinflusst. Im Falle einer Volumenabnahme, welche temperaturbedingt oder auch durch eine Leckage zustande kommen kann, wird die zweite Bremskomponente 3 hier nach links verschoben.
Bei der Verschiebung herrscht innerhalb der magnetorheologischen Bremseinrichtung 1 praktisch immer Umgebungsdruck. Vor allem wird so eine zusätzliche Belastung der Dichtungen 38 verhindert. Bei einer Ausgleichseinrichtung über eine Gasblase wird der Innenraum hingegen immer unter Überdruck gesetzt, wodurch eine höhere Leckage und eine höhere Reibung durch die erforderliche bessere Dichtung 38 entstehen.
Es kann ein Ausgleichskanal 120 vorgesehen sein, welcher die Bereiche nahe der Lagerstellen 112, 118 miteinander verbindet. So wird bei einer Verschiebung des magnetorheologischen Mediums 6 die Drosselwirkung des Spalts 5 gemindert, sofern dieser sehr klein sein sollte.
Darüber hinaus verfügt die magnetorheologische Bremseinrichtung 1 über eine Sensoreinrichtung 70 wenigstens zur Detektion einer Winkelstellung der beiden Bremskomponenten 2, 3 relativ zueinander. Die Detektion erfolgt mit einer Magnetringeinheit 71 und mittels eines Magnetfeldsensors 72. Die Sensoreinrichtung 70 ist hier über eine Entkopplungseinrichtung 78 an der zweiten Bremskomponente 3 angeschlossen. Die Entkopplungseinrichtung 78 entkoppelt die Sensoreinrichtung magnetisch. Die
Sensoreinrichtung 70 umfasst hier weiter eine Abschirmeinrichtung 75, die hier mehrere Abschirmkörper 76 umfasst und die die Magnetringeinheit 71 auf drei Seiten umgibt. Zwischen der Magnetringeinheit und der Abschirmeinrichtung 75 ist eine Trenneinheit 77 vorhanden. Die Trenneinheit 77 schirmt die Magnetringeinheit 71 zusätzlich ab. Dadurch wird das von der Magnetringeinheit 71 aufgespannte Volumen weitgehend von magnetischen Einflüssen der elektrischen Spule 26 oder anderen Magnetfeldern abgeschirmt.
Figur 4 zeigt eine andere Gerätekomponente 200 im Schnitt mit einer ähnlichen magnetorheologischen Bremseinrichtung 1. Es sind die Quernuten 32 erkennbar, in denen die elektrische Spule 26 an den axialen Enden des Kerns 21 gewickelt ist. In axialer Richtung ist zum Abschluss an beiden Enden jeweils Vergussmasse 28 vorgesehen. Im Bereich der Kabeldurchführung 35 ist eine separate Dichtung über beispielsweise den eingezeichneten O-Ring oder dergleichen vorgesehen.
Es ist auch möglich, dass einzelne der über einem Teil des Umfangs verteilt angeordneten Wälzkörper 11 als magnetisch nicht leitfähige Übertragungskomponenten 11 ausgebildet sind. Vorzugsweise sind alle Wälzkörper 11 aus magnetisch leitendem Material wie z. B. Stahl.
Eine Länge bzw. Höhe 13c des Drehteils 13 und des Hülsenteils 13e oder der zweiten Bremskomponente 3 in axialer Richtung 20 beträgt vorzugsweise zwischen 5 mm mm und 90 mm. Außen kann auf der zweiten Bremskomponente 3 ein Überzug 49 angebracht sein, sodass das äußere Erscheinungsbild des Drehknopfes 23 im Wesentlichen durch die Oberfläche des Überzugs 49 bestimmt wird. Das Drehteil 13 weist einen Außendurchmesser 13b und einen Innendurchmesser 13a auf.
Das Material des Hülsenteils 13e bzw. Außenrings 24 oder des Drehteils 13 insgesamt ist magnetisch leitend und dient zur Schließung des Magnetkreises. Eine Wandstärke 13d des Hülsenteils 13e ist vorzugsweise wenigstens halb so groß wie ein Durchmesser der Wälzkörper 11.
Der Außendurchmesser 36a der Aufnahme 36 ist vorzugsweise erheblich größer als der Durchmesser 37a der zylindrischen Lauffläche 37. Dadurch wird die Reibung an der Dichtung 38 reduziert. Außerdem können standardisierte Lager 30 eingesetzt werden.
Es ist auch möglich, den Kern 21 und auch den Halter 4 zweiteilig auszuführen. Bevorzugt verläuft die Trennung entlang der in Figur 4 gezeichneten Mittellinie, wodurch sich eine linke und rechte (Kern)hälfte ergibt. Die zwei Kernhälften können durch ein magnetisch nicht leitendes Element (z. B. Dichtung) voneinander beabstandet sein. Vorzugsweise ist das Vergussmassenvolumen 28 dann ein Teil der Kernhälfte(n), wodurch sich ein Halbkreiselement mit einer umlaufenden Nut auf der Trennfläche für die Elektrospule 26 ergibt. Weiters bevorzugt wird die Aufnahme 36 auch in zwei Hälften getrennt. Eine Aufnahmehälfte kann auch mit einer Kernhälfte einen Teil bilden (einteilig ausgeführt werden) oder eine Kernhälfte mit einer kompletten Aufnahmeeinheit 36 einteilig ausgeführt werden.
Hier ist die haptische Bedieneinrichtung 100 mit der magnetorheologischen Bremseinrichtung 1 einseitig gelagert. Die zweite Bremskomponente 3 ist hier nur an dem ersten Ende der geschlossenen Kammer 110 an einem Endabschnitt 121 der ersten Bremskomponente 2 aufgenommen, d. h. die zweite Bremskomponente 3 ist lediglich an der ersten Lagerstelle 112 durch die Lagerung 30 gelagert. Bei einer Änderung des Volumens 114 innerhalb der geschlossenen Kammer 110 kann sich die zweite Bremskomponente 3 leicht hin und her bewegen. Hierbei ist wieder angenommen, dass die erste Bremskomponente 2 feststeht. In diesem Fall fährt ein Teil des Durchmessers 116 der ersten Bremskomponente 2 an der ersten Lagerstelle 112 aus oder ein. Das Volumen 114 der geschlossenen Kammer 110 verändert sich. Vorteilhaft ist das System innerhalb des gegebenen Bewegungsspielraums praktisch immer bei Umgebungsdruck. Eine zusätzliche Belastung der Dichtung 38 wird verhindert.
Figuren 5a bis 5d zeigen verschiedene schematische Querschnitte der magnetorheologischen Bremseinrichtung 1, die bei den Gerätekomponenten 200 nach Figuren 3 und 4 und auch anderen Ausführungsbeispielen einsetzbar sind.
Die innere Bremskomponente 2 ist feststehend ausgebildet und wird von der kontinuierlich drehbaren Bremskomponente 3 umgeben. Die zweite Bremskomponente 3 weist ein sich um die erste Bremskomponente 2 herum drehbares und hohl und innen zylindrisch ausgebildetes Drehteil 13 auf. Deutlich erkennbar ist der zwischen der ersten und der zweiten Bremskomponente 2, 3 umlaufende Spalt 5. Der Spalt 5 ist hier wenigstens zum Teil und insbesondere vollständig mit einem magnetorheologischen Medium 6 gefüllt.
Die erste Bremskomponente 2 weist den sich in der axialen Richtung 20 erstreckenden Kern 21 aus einem magnetisch leitfähigen Material und eine elektrische Spule 26 auf, die in axialer Richtung 20 um den Kern 21 gewickelt ist und eine Spulenebene 26c aufspannt. Das Magnetfeld 8 der elektrischen Spule 26 erstreckt sich quer zu der axialen Richtung 20 durch die erste Bremskomponente 2 bzw. den Kern 21.
Es ist klar erkennbar, dass ein maximaler äußerer Durchmesser 26a der elektrischen Spule 26 in einer radialen Richtung 26d innerhalb der Spulenebene 26c größer ist als ein minimaler äußerer Durchmesser 21b des Kerns 21 in einer radialen Richtung 25 quer und z. B. senkrecht zu der Spulenebene 26c.
Die Wälzkörper 11 sind jeweils nur in Winkelsegmenten 61, 62 angeordnet und können nicht vollständig um den Kern 21 rotieren, da die elektrische Spule 26 in den Spalt 5 bzw. Kanal 5 hineinragt und damit einen vollständigen Umlauf verhindert.
Dadurch steht weniger Platz für die Wälzkörper 11 zur Verfügung. Das führt aber zu einer noch höheren Konzentration des Magnetfeldes 8. In Figur 5a sind beispielhaft drei Magnetfeldlinien eingezeichnet.
In Figur 5b sind die Wälzkörper 11 nicht an einer zylindrischen Außenoberfläche des Kerns 21 aufgenommen, sondern an speziell an die Kontur der Wälzkörper 11 angepasste Aufnahmen 63, an denen die Wälzkörper 11 vorzugsweise mit etwas Spiel aufgenommen und geführt sind. Der Übergang des Magnetfeldes 8 in die Wälzkörper 11 hinein ist vorteilhaft, da mehr Übertragungsfläche zwischen dem Kern 21 bzw. der Außenoberfläche 64 an den Aufnahmen 63 und den Wälzkörpern 11 zur Verfügung steht. Zwischen der Innenoberfläche 67 des Drehteils 13 und dem Kern 21 ist ein Spalt 5 mit veränderlicher Spalthöhe vorhanden.
Die elektrische Spule 26 ist außerhalb der Winkelsegmente 61 und 62 angeordnet. Außerhalb der Winkelsegmente 61 und 62 befinden sich keine Wälzkörper 11.
Figuren 5c und 5d zeigen Fortentwicklungen, bei denen auf Wälzkörper 11 vollständig verzichtet wird. Die Kerne 21 weisen nach außen abstehende Übertragungskomponenten 11 auf, die sich von dem Grundkörper 33 aus radial nach außen erstrecken. In Fig. 5c ist die Kammer 110 zwischen dem Kern 21 und dem Drehteil 13 vollständig mit MRF gefüllt.
Der maximale äußere Durchmesser 26a der Spule 26 ist größer als der minimale Kerndurchmesser 21b. Die radiale Erstreckung des Spaltes 5 variiert über dem Umfang. An den äußeren Enden der Übertragungskomponenten 11 liegt nur ein geringes radiales Spaltmaß 65 vor, während ein radialer Abstand 66 zwischen der Bremskomponente 2 und der Bremskomponente 3 an anderen Stellen erheblich größer ist.
Figur 5d zeigt eine Variante von Fig. 5c, bei der zur Verkleinerung des MRF-Volumens 114 die Kammer 110 über einen zylindrischen Abschnitt mit Vergussmasse 28 gefüllt ist. Dadurch sinkt das benötigte Volumen 114 an MRF. Der radiale Abstand 66 wird deutlich verkleinert, bleibt aber erheblich (wenigstens Faktor 2 oder 3 oder 5 oder 10) größer als das radiale Spaltmaß 65. Dadurch wird sichergestellt, dass der beschriebene Keileffekt auftritt. Die MRF-Partikel 19 verketten sich in den spitzwinkligen Bereichen 10 und bilden eine Art Keil, der zu einem erheblichen Bremsmoment führt. In den Figuren 5c und 5d bilden die Übertragungskomponenten 11 eine Art von radialen Armen lld.
Figuren 6a bis 6d zeigen eine weitere Ausführungsform einer Gerätekomponente 200, die hier wieder über eine magnetorheologische Bremseinrichtung 1 verfügt und Bremskomponenten 2 und 3 umfasst. Es wird wieder eine „liegende oder axiale Spule" 26 verwendet, bei der die elektrische Spule 26 in axialer Richtung 20 um den Kern 21 gewickelt ist und wieder einen maximalen radialen Spulendurchmesser 26a aufweist, der größer ist als ein minimaler Kerndurchmesser 21b des Kerns 21. Auch hier sind die Wälzkörper oder Übertragungselemente 11 nicht über dem vollständigen Umfang angeordnet. Die Gerätekomponente 200 kann darüber hinaus als Taster 74 dienen.
Hier ist die Gerätekomponente 200 als haptische Bedieneinrichtung 100 und im Detail als Bedienknopf 101 ausgeführt. Die zweite Bremskomponente 3 ist an dem ersten Ende der geschlossenen Kammer 110 an der Lagerstelle 112 aufgenommen. Außerdem ist die die zweite Bremskomponente 3 an der zweiten Lagerstelle 118 an der ersten Bremskomponente 2 aufgenommen. Hier wird die Lagerung 30 mittels eines Achsstummels 119 mit dem Durchmesser 117 an der zweiten Lagerstelle 118 realisiert. Der Dichtring 46 hindert das magnetorheologische Medium 6 daran, in den Bereich hinter den Achsstummel 119 zu fließen.
Der Durchmesser 117 an der zweiten Lagerstelle 118 ist hier deutlich kleiner ausgeführt als der Durchmesser 116 an der ersten Lagerstelle 112. So wird auch hier bei einer axialen Verschiebung eine Volumenänderung ermöglicht. Temperaturbedingte Volumenänderungen und durch Leckagen bedingte Volumenänderungen können kompensiert werden. Hierzu erfolgt eine relative axiale Verschiebung der ersten Bremskomponente 2 zur zweiten Bremskomponente 3.
Außerdem ist auch hier eine Sensoreinrichtung 70 zur Detektion einer Winkelstellung der haptischen Bedieneinrichtung 100 vorhanden. Der Magnetfeldsensor 72 ist in der feststehenden Aufnahme 4 bzw. der ersten Bremskomponente 2 integriert. An der Aufnahme 36 ist das Kabel 45 des Magnetfeldsensors 72, d. h. die Sensorleitung 73 durch die Kabeldurchführung 35 nach außen geführt.
Das erste Achsteil bzw. der Halter 4 der Bremskomponente 2 kann, wie in Figuren 6b und 6c dargestellt, bevorzugt zweiteilig ausgeführt sein. Dadurch wird vor allem die Montage der elektrischen Leitungen und insbesondere der Sensorleitung 73 innerhalb der ersten Bremskomponente 2 vereinfacht. Die Kabel können durch die offene Kabeldurchführung 35 gelegt werden.
In Figur 6d ist die Sensoreinrichtung 70 noch einmal im Detail dargestellt. Die erste Bremskomponente 2 und die hier als Drehteil 13 ausgeführte zweite Bremskomponente 3 sind nur angedeutet (gestrichelte Linien). Die Sensoreinrichtung 70 stützt sich über die Entkopplungseinrichtung 78 an der drehbaren zweiten Bremskomponente 3 magnetisch entkoppelt ab. Die
Abschirmeinrichtung 75 besteht hier aus drei Abschirmkörpern 76, welche die Streuung des magnetischen Felds 8 der elektrischen Spule 26 vermindern. Darüber hinaus ist außerdem noch eine Trenneinheit 77 zur magnetischen Trennung vorhanden. Die Magnetringeinheit 71 wird zum Messen der Orientierung bzw. des Drehwinkels der magnetorheologischen Bremseinrichtung 1 genutzt. Der Magnetfeldsensor 72 ist innerhalb der ersten Bremskomponente 2 angeordnet. Kleine relative axiale Verschiebungen können außerdem genutzt werden, um ein Herunterdrücken beispielsweise eines Bedienknopfs 101 zu detektieren, vgl. Figur 8.
In Figur 7 ist die magnetorheologische Bremseinrichtung 1 in ein Mausrad 106 integriert. An der zweiten Seite der geschlossenen Kammer 110 ist die Lagerung der ersten Bremskomponente 2 innerhalb der zweiten Lagerstelle 118 wieder durch einen Achsstummel 119 realisiert. Der Durchmesser 116 an der ersten Lagerstelle 112 ist verschieden vom dem Durchmesser 117 an der zweiten Lagerstelle 118, sodass Volumenänderungen des magnetorheologischen Mediums 6 automatisch innerhalb der magnetorheologischen Bremseinrichtung 1 ausgeglichen werden können.
Die Sensoreinrichtung 70 umfasst neben dem Magnetfeldsensor 72 eine Magnetringeinheit 71 und eine Abschirmeinrichtung 75, um magnetische Störsignale zu minimieren.
Durch eine Axialverschiebung verändert sich das empfangene Signal 68 gemäß der Darstellung von Figur 8. Figur 8 zeigt den Verlauf der Amplitude 69 des durch den Magnetfeldsensor 72 detektierten Signals 68 in Abhängigkeit zur axialen Verschiebung der Bremskomponenten 2, 3 (horizontale Achse) dargestellt. Durch eine axiale Verschiebung des Magnetfeldsensors 72 gegenüber der Magnetringeinheit 71 verändert sich die Amplitude 69 des detektierten Signals 68. Eine axiale Verschiebung bzw. ein Herunterdrücken eines Bedienknopfs 101 oder eine seitliche Verschiebung z. B. eines Mausrades 106 oder anderen Komponenten kann detektiert werden. Mit dem gleichen Sensor kann auch der Drehwinkel erfasst werden, wobei zur Erfassung des Drehwinkels die Richtung des Magnetfeldes 8 ermittelt wird. Die Intensität bestimmt die axiale Position. Aus einer Veränderung des Signals 68 kann deshalb auf eine Betätigung des Tasters 74, vgl. Figur 7, zurückgeschlossen werden. Das ist vorteilhaft, da ein einziger (mehrdimensionaler) Hallsensor zur Bestimmung der Winkelposition und der Bestimmung einer Axialposition verwendet werden kann.
In den Figuren 9a, 9b und 9c sind mögliche Ausführungsvarianten zur Steuerung eines dynamisch erzeugten Magnetfeldes bzw. eines dynamisch erzeugten Bremsmoments in Abhängigkeit von dem Drehwinkel dargestellt.
Figur 9a zeigt dabei eine Variante, bei der die Gerätekomponente 200 als Drehknopf und haptische Bedienhilfe eingesetzt wird. Dargestellt ist der Drehwiderstand über dem Drehwinkel. Mit der Steuerung 27 kann ein linker Endanschlag 228 und ein rechter Endanschlag 229 erzeugt werden. Beim Weiterdrehen des Drehknopfes 23 wird dort ein hohes Magnetfeld bzw. Anschlagmoment 238 erzeugt, wodurch der Drehknopf 23 einen hohen Widerstand gegenüber einer Drehbewegung entgegensetzt. Der Benutzer erhält die haptische Rückmeldung eines Endanschlags 228, 229.
Dabei kann eine Rasterung der Drehbewegung erfolgen bzw. erzeugt werden. Beispielsweise kann dies verwendet werden, um durch ein grafisches Menü zu navigieren und Menüpunkte auszuwählen. Hier ist direkt neben dem linken Endanschlag 228 ein erster Rasterpunkt 226 vorgesehen, der bei einer Bedienung z. B. einem ersten Menüpunkt entspricht. Soll der nächste Menüpunkt angewählt werden, so muss der Drehknopf 100 im Uhrzeigersinn gedreht werden. Dazu muss das dynamisch erzeugte höhere Magnetfeld bzw. Rastmoment 239 bzw. dessen Reibmoment überwunden werden, bevor der nächste Rasterpunkt 226 erreicht wird. In Figur 11a wird für einen gewissen Winkelbereich jeweils an den Rasterpunkten 226 und an den dazwischenliegenden Bereichen ein jeweils konstantes Magnetfeld 8 erzeugt, welches an den Rasterpunkten 226 erheblich geringer ist als in den dazwischenliegenden Bereichen und nochmals deutlich geringer als an den Anschlägen 228, 229. Ein Winkelabstand 237 zwischen einzelnen Rasterpunkten ist dynamisch veränderbar und wird an die Anzahl der zur Verfügung stehenden Rasterpunkte 226 bzw. Menüpunkte angepasst. Dabei weist die Bedieneinrichtung 100 das Grundmoment 240 auf.
Figur 9b zeigt eine Variante, bei der zu den Endanschlägen 228, 229 hin das Magnetfeld 8 nicht schlagartig ansteigt, sondern einen steilen Verlauf nimmt. Weiterhin sind an den Rasterpunkten 226 zu beiden Drehseiten hin jeweils rampenartige Steigungen des Magnetfeldes 8 vorgesehen, wodurch der Drehwiderstand in die entsprechenden Drehrichtungen hin zunimmt. Hier werden mit der gleichen Bedieneinrichtung 100 nur drei Rasterpunkte 226 zur Verfügung gestellt, deren Winkelabstand 237 größer ist als in dem Beispiel gemäß Figur 11a.
Figur 9c zeigt eine Variante, bei der zwischen einzelnen Rasterpunkten 226 ein geringerer Drehwiderstand vorliegt und nur direkt benachbart zu den Rasterpunkten 226 jeweils ein erhöhtes Magnetfeld 239 erzeugt wird, um ein Einrasten an den einzelnen Rasterpunkten 226 zu ermöglichen und gleichzeitig nur einen geringen Drehwiderstand zwischen einzelnen Rasterpunkten 226 zur Verfügung zu stellen.
Grundsätzlich ist auch eine Mischung der Betriebsweisen und der Magnetfeldverläufe der Figuren 9a, 9b und 9c möglich. Z. B. kann bei unterschiedlichen Untermenüs eine entsprechend unterschiedliche Einstellung des Magnetfeldverlaufes erfolgen.
Möglich ist es in allen Fällen auch, dass bei z. B. einem Ripple (Raster) nicht wie bislang zwischen wenig und mehr Stromstärke mit gleicher Polung geschaltet wird (also z. B. +0,2 auf +0,8A = Rippel), sondern abwechslungsweise mit verändertet Polung, d. h. von +0,2 auf +0,8A und dann den nächsten Rippel mit -0,2A auf - 0,8A und dann die nächste Momentenspitze von +0,2 auf +0,8A usw.
Der vorzugsweise niederlegierte Stahl kann ein Restmagnetfeld behalten. Der Stahl wird vorzugsweise regelmäßig oder bei Bedarf entmagnetisiert (u.a. durch ein spezielles Wechselfeld). Bevorzugt wird für die vom Magnetfeld 8 durchflossenen Komponenten der Werkstoff FeSi3P (Siliziumstahl bzw. Silicon Steel) oder ein artverwandter Werkstoffe verwendet.
In allen Fällen kann eine Sprach- oder Geräuschsteuerung durchgeführt werden. Mit der Sprachsteuerung kann die Bremseinrichtung adaptiv gesteuert werden.
Wenn die Dreheinheit nicht gedreht wird, d. h. der Winkel ist konstant, wird vorzugsweise über die Zeit der Strom kontinuier lich verringert. Der Strom kann auch geschwindigkeitsabhängig (Drehwinkelgeschwindigkeit der Dreheinheit) variiert werden.
Bezugszeichenliste :
1 Magnetorheologische Durchmesser Bremseinrichtung
Figure imgf000033_0001
Spulenebene
2 erste Bremskomponente
Figure imgf000033_0002
radiale Richtung zu 26c
3 zweite Bremskomponente 27 Steuereinrichtung
4 Halter 28 Vergussmasse
5 Spalt, Kanal 30 Lager, Lagerung 5a Spaltbreite 32 Quernut
6 Medium 33 Grundkörper
8 Feld, Magnetfeld 35 Kabeldurchführung
9 freier Abstand 36 Aufnahme
10 spitzwinkliger Bereich 36 Außendurchmesser
11 Übertragungskomponente 37 zylindrische Lauffläche Wälzkörper, Drehkörper 37 Außendurchmesser
11d Arm 38 Dichtung
12 Drehachse 43 Benutzerschnittstelle
13 Drehteil 45 Kabel
13a Innendurchmesser 46 Dichtring 13b Außendurchmesser 49 Überzug 13c Höhe 50 Konsole 13d Wandstärke 61 Winkelsegment 13e Hülsenteil 62 Winkelsegment
14 Kugel 63 Aufnahme für 11
15 Zylinder 64 Außenoberfläche
16 Kei1form 65 radiales Spaltmaß
17 Richtung der 66 radialer Abstand Relativbewegung 67 Innenoberfläche von 13
18 Richtung der 68 Signal Relativbewegung 69 Amplitude
19 magnetische Partikel 70 Sensoreinrichtung
20 axiale Richtung 71 Magnetringeinheit
21 Kern 72 Magnetfeldsensor
21b minimaler Durchmesser 73 Sensorleitung
23 Drehknopf 74 Taster
24 Außenring 75 AbSchirmeinrichtung
25 radiale Richtung 76 Abschirmkörper
26 Spule, Elektrospule 77 Trenneinheit
26a maximaler äußerer 78 Entkopplungseinrichtung 0 Haptische 117 Durchmesser zweite
Bedieneinrichtung Lagerstelle 1 Bedienkopf 118 zweite Lagerstelle 2 Daumenwalze 119 Achsstummel 3 Computermaus 120 Ausgleichskanal 4 Joystick 121 Endabschnitt von 2 5 Gamepad 122 radiale Richtung (global)6 Mausrad 200 Gerätekomponente 0 geschlossene Kammer 226 Rasterpunkt 1 erstes Ende von 110 228 Endanschlag 2 erste Lagerstelle 229 Endanschlag 3 Magnetfelderzeugungs- 237 Winkelabstand einrichtung 238 Anschlagmoment 4 Volumen von 110 239 Rastermoment 5 zweites Ende der 240 Grundmoment geschlossenen Kammer 6 Durchmesser erste Lagerstelle

Claims

Ansprüche :
1. Gerätekomponente (200) mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung (1) mit einem feststehenden Halter (4) und mit wenigstens zwei Bremskomponenten (2,3), wobei eine der beiden Bremskomponenten (2, 3) mit dem Halter (4) drehfest verbunden ist und sich in axialer Richtung erstreckt und wobei die beiden Bremskomponenten (2,3) relativ zueinander drehbar sind, und wobei die zweite Bremskomponente (3) ein hohl ausgebildetes Hülsenteil (13) aufweist und die erste Bremskomponente (2) umschließt, wobei zwischen den Bremskomponenten (2,3) eine geschlossene Kammer (110) ausgebildet ist, und wobei die zweite Bremskomponente (3) an einem ersten Ende (111) der geschlossenen Kammer (110) an der ersten Bremskomponente (2) drehbar aufgenommen ist, wobei die geschlossene Kammer (110) im Wesentlichen mit einem magnetorheologischen Medium (6) gefüllt ist, wobei wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (113) zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfeldes (8) vorgesehen ist, um das magnetorheologische Medium (6) in der geschlossenen Kammer (110) zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bremskomponente (3) axial verschieblich an der ersten Bremskomponente (2) aufgenommen ist, sodass sich ein Volumen (114) der geschlossenen Kammer (110) durch eine relative axiale Verschiebung der Bremskomponenten (2,3) verändert, um einen Ausgleich für temperaturbedingte und/oder leckagebedingte Volumenänderungen des magnetorehologischen Mediums (6) zur Verfügung zu stellen.
2. Gerätekomponente (200) nach Anspruch 1, wobei an einem zweiten Ende (115) der Kammer (110) die zweite Bremskomponente (3) an der ersten Bremskomponente (2) verschlieblich aufgenommen ist, wobei ein Durchmesser (116) der ersten Lagerstelle (112) an dem ersten Ende (111) der geschlossenen Kammer (110) von einem Durchmesser (117) der zweiten Lagerstelle (118) an dem zweiten Ende (115) der geschlossenen Kammer (110) verschieden ist.
3. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Durchmesser (117) der zweiten Lagerstelle (118) kleiner ist als der erste Durchmesser (116) der ersten Lagerstelle (112), sodass das Volumen (111) der geschlossenen Kammer (110) durch eine axiale Verschiebung in Richtung der zweiten Lagerstelle (118) vergrößert wird.
4. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Verhältnis vom Durchmesser (116) der ersten Lagerstelle (112) zum Durchmesser (117) der zweiten Lagerstelle (118) einen Wert zwischen 1,1 und 4 aufweist.
5. Gerätekomponente (200) nach Anspruch 2, wobei der Durchmesser (117) der zweiten Lagerstelle (118) größer ist als der Durchmesser (116) der ersten Lagerstelle (112), sodass das Volumen (114) der geschlossenen Kammer (114) durch eine axiale Verschiebung in Richtung der ersten Lagerstelle (112) vergrößert wird.
6. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Verhältnis vom Durchmesser (116) der ersten Lagerstelle (112) zum Durchmesser (117) der zweiten Lagerstelle (118) einen Wert zwischen 0,25 und 0,9 aufweist.
7. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Bremskomponente (3) einen Endabschnitt (121) der ersten Bremskomponente (2) topfförmig umschließt und die zweite Lagerstelle (17) als ein Achsstummel (119) ausgebildet ist.
8. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Ausgleichskanal (120) innerhalb der ersten Bremskomponente (2) vorhanden ist, welcher die Bereiche nahe der Lagerstellen (112,118) miteinander verbindet.
9. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine relative axiale Verschiebung der ersten Bremskomponente (2) zur zweiten Bremskomponente (3) von wenigstens ca. 0,05 mm möglich ist.
10. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine relative axiale Verschiebung der ersten Bremskomponente (2) zur zweiten Bremskomponente (3) von maximal circa. 2 mm möglich ist.
11. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geschlossene Kammer (110) wenigstens einen zwischen den Bremskomponenten (2,3) ausgebildeten umlaufenden Spalt (5) aufweist und wobei das Magnetfeld (8) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (113) innerhalb des Spalts (5) erzeugt wird, um das magnetorheologische Medium (6) innerhalb des Spalts (5) zu beeinflussen.
12. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Spalt (5) wenigstens ein, zwei oder mehr drehbare Drehkörper (11) angeordnet sind, welche z. B. als Wälzkörper (11) ausgebildet sind und einen zylindrischen oder kugelförmigen oder runden oder abgerundeten Querschnitt aufweisen können.
13. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei wenigstens ein Teil der Drehkörper (11) aus einem magnetisch leitfähigen Material besteht und/oder wobei wenigstens ein Teil der Drehkörper (11) aus einem magnetisch nicht leitfähigen Material besteht.
14. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Bremskomponente (2) einen sich in der axialen Richtung (20) erstreckenden Kern (21) aus einem magnetisch leitfähigen Material umfasst.
15. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hülsenteil (13) und/oder die zweite Bremskomponente (2) aus einem magnetisch leitfähigen Material besteht und einen Außenring (24) für das Magnetfeld (6) zur Verfügung stellt.
16. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Bremskomponente (2) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und einen zylindrischen Grundkörper als Kern (21) und die elektrische Spule (26) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (113) umfasst.
17. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halter (4) wenigstens eine Kabeldurchführung (35) aufweist.
18. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halter (4) eine Aufnahme (36) zur drehfesten Verbindung mit der ersten Bremskomponente (2) aufweist und wobei die erste Bremskomponente (2) eine zylindrische Lauffläche (37) aufweist und die zweite Bremskomponente (3) drehbar aufgenommen ist.
19. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei an der zylindrischen Lauffläche (37) eine Dichtung (38) zum Abdichten der geschlossenen Kammer (110) angeordnet ist.
20. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung (113) wenigstens eine elektrische Spule (26) umfasst.
21. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektrische Spule (26) in radialer Richtung (122) gewickelt ist, sodass sich das Magnetfeld (8) in der axialen Richtung (20) der ersten Bremskomponente (2) erstreckt.
22. Gerätekomponente (200) nach dem vorletzten Anspruch, wobei die elektrische Spule (26) in axialer Richtung (20) gewickelt ist und eine Spulenebene (26c) aufspannt, sodass sich ein Magnetfeld (8) der elektrischen Spule (26) quer durch die erste Bremskomponente (2) erstreckt
23. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein maximaler Durchmesser (26a) der elektrischen Spule (26) in einer radialen Richtung (26d) innerhalb der Spulenebene (26c) größer ist als ein minimaler Durchmesser (21b) des Kerns (21) in einer radialen Richtung (25) quer zu der Spulenebene (26c).
24. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Sensoreinrichtung (70) umfasst ist, wobei die Sensoreinrichtung (70) wenigstens eine Magnetringeinheit (71) und wenigstens einen drehfest an der ersten Bremskomponente (2) angebundenen sowie radial und/oder axial benachbart zu der Magnetringeinheit (71) angeordneten Magnetfeldsensor (72) zur Erfassung eines Magnetfeldes (8) der Magnetringeinheit (71) umfasst.
25. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Magnetringeinheit (71) an dem Drehteil (13) befestigt ist.
26. Gerätekomponente (200) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Abschirmeinrichtung (75) zur wenigstens teilweisen Abschirmung der Sensoreinrichtung (70) vor einem Magnetfeld (8) der elektrischen Spule (26).
27. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Abschirmeinrichtung (75) wenigstens einen die Magnetringeinheit (71) wenigstens abschnittsweise umgebenden Abschirmkörper (76) umfasst, wobei die Abschirmeinrichtung
(75) wenigstens eine zwischen dem Abschirmkörper (76) und der Magnetringeinheit (71) angeordnete Trenneinheit (77) und/oder wenigstens eine zwischen dem Abschirmkörper (76) und dem Drehteil (13) angeordnete magnetische Entkopplungseinrichtung (78) umfasst.
28. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Trenneinheit (77) und die Entkopplungseinrichtung (78) eine um ein Vielfaches geringere magnetische Leitfähigkeit als der Abschirmkörper (76) aufweisen.
29. Gerätekomponente (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Abschirmeinrichtung (78) wenigstens eine axiale Ringscheibe und wenigstens eine Ringhülse umfasst.
30. Gerätekomponente (200) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschirmeinrichtung (78) und die Magnetringeinheit (71) voneinander beabstandet angeordnet sind.
31. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Benutzerschnittstelle (43), ein Bedienpanel, ein Display, ein berührungsempfindliches Display mit oder ohne haptischem Feedback und/oder wenigstens einen Sensor.
32. Gerätekomponente (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine von dem Magnetfeld (8) durchflossene Komponente wenigstens teilweise aus dem Werkstoff FeSi3P besteht.
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