DE102014216618A1

DE102014216618A1 - Magnetohydrodynamischer Schraubenaktor mit internem Volumenausgleich

Info

Publication number: DE102014216618A1
Application number: DE102014216618.7A
Authority: DE
Inventors: Pierre-Yves Berthelemy
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2016-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetohydrodynamischen Schraubenaktor (1) zur Kupplungsbetätigung, mit einer drehfest aber axial beweglich an einer angetriebenen Welle (33) anbindbaren Spindel (2), die ein Gewinde (16) aufweist, das in einer Kammer (24) mit magnetrheologischer Flüssigkeit (MRF) angeordnet ist, wobei wenigstens eine mit elektrischem Strom durchflutbare Spule (15) so angeordnet ist, dass in der magnetorheologischen Flüssigkeit ein diese verfestigendes Magnetfeld aufbaubar ist, wobei ein Volumenausgleichsraum (25) zur Aufnahme von magnetorheologischer Flüssigkeit fluidleitend mit der Kammer (24) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetohydrodynamischen Schraubenaktor, der kurz auch als Aktor bezeichnet werden kann, zur Kupplungsbetätigung, etwa zum ein- oder auskuppeln eines Riementriebs einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer drehfest aber axial beweglich an einer (motorisch) angetriebenen Welle/Motorwelle anbindbaren Spindel, die ein Gewinde aufweist, das in einer Kammer mit magnetorheologischer Flüssigkeit (auch als magnetorheologische Flüssigkeit bekannt (MRF)) angeordnet ist, wobei wenigstens eine mit elektrischem Strom durchflutbare Spule so angeordnet ist, dass in der magnetorheologischen Flüssigkeit ein dieses verfestigendes Magnetfeld aufbaubar ist.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet einer lösbaren Kupplung, insbesondere einer lösbaren Drehkupplung, zum wirktechnischen Verbinden und Trennen eines Antriebsstrangs, insbesondere einer Motorwelle mit einem mit diesem kuppelbaren Abtriebsstrang, insbesondere einer Riemenscheibe, und einem Aktor zur Betätigung der Kupplung.
Solche Kupplungen sind beispielsweise aus dem Bereich der Kraftfahrzeugtechnik unter anderem zum Kuppeln von manuellen oder automatischen Getrieben mit einer Verbrennungskraftmaschine oder zum selektiven Kuppeln von Hilfsaggregaten, z.B. Klimaanlagen, bekannt. Bei manuellen Getrieben besteht ein die Kupplung betätigender Aktuator/Aktor meist aus einem hydraulischen System, das direkt durch den Fahrer betätigt wird. Eine hydraulische Strecke, die mit einer gewissen Übersetzung ausgelegt ist, überträgt die Betätigungsenergie von einem durch den Fahrer betätigten Pedal zu einem Ausrücker der Kupplung. Bei automatischen Getrieben oder Hybridantriebsträngen existieren zahlreiche unterschiedliche Betätigungsvorrichtungen oder Aktoren, die in Form von Kombinationen hydraulischer, mechanischer oder elektrischer Systeme realisiert sind.
Es sind MRF-Kupplungen (MRF = Magnetorheologisches Fluid) bekannt, bei denen die MRF als direktes Kupplungsmedium dient. Als magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) bezeichnet man eine Suspension von magnetisch polarisierbaren Partikeln (z.B. Carbonyleisenpulver), die in einer Trägerflüssigkeit fein verteilt sind. Größe, Komplexität und/oder Kosten sind bei einer Integration in kompakte Kupplungen Hauptschwächen der genannten Systeme. Bekannte MRF-Kupplungen weisen insbesondere bei schnell rotierenden Anwendungen die Nachteile auf, dass eine vollständige Trennung der mittels der Kupplung verbundenen Stränge wie bei klassischen Kupplungen nicht möglich ist, da in der Kupplung durch die MRF stets Restreibung verbleibt, was wirkungsgradvermindernd ist, wobei die Fliehkraftwirkung auf Partikel der MRF zu einer Beeinträchtigung des Drehmomentverhaltens führen kann.
Aus der EP 1 438 517 B1 ist beispielsweise eine steuerbare Bremse bekannt, umfassend a) einen Rotor, der so ausgebildet ist, dass er auf seinem Umfang einen Arbeitsteil aufweist, der sich parallel zu einer Welle erstreckt, auf der der Rotor gelagert ist; b) eine Welle, auf der der Rotor so angebracht ist, dass eine Relativbewegung zwischen ihr und dem Rotor gehemmt wird; c) ein Gehäuse mit einer ersten Kammer, die den Rotor drehbar aufnimmt und einen Magnetfeldgenerator aufweist, der von dem Rotor mit Abstand getrennt ist und so ausgebildet und angeordnet ist, dass er einen magnetischen Fluss durch ein magnetisch steuerbares Material in einer Richtung lotrecht zu der Welle und zu dem Arbeitsteil des Rotors erzeugt, wobei d) das in der ersten Kammer befindliche magnetisch steuerbare Material mit wenigstens dem Arbeitsteil des Rotors in Berührung steht und die Bremse gekennzeichnet ist durch e) eine aktive Mittenrückführvorrichtung in der ersten Kammer, um den Rotor zu veranlassen, in eine relative Mittenposition zurückzukehren.
Aus der EP 2 060 800 B1 ist ein kombinierter Aktor bekannt, aufweisend ein bewegliches Element, einen Antrieb zum Verschieben des beweglichen Elements entlang einem Pfad und eine rheologische Kontrollbremse, die an das bewegliche Element mechanisch gekoppelt ist, um die Verschiebung des beweglichen Elements entlang dem Pfad anzupassen, wobei der kombinierte Aktor dadurch gekennzeichnet ist, dass die rheologische Kontrollbremse mindestens zwei aneinander grenzende Nachstellkammern aufweist, eine magnetorheologische Flüssigkeit, die in den zwei Nachstellkammern enthalten ist, mindestens einen gleitenden Kolben, der die zwei Nachstellkammern undurchlässig voneinander trennt und mit dem beweglichen Element mechanisch verbunden ist, mindestens ein externes Verbindungsrohr, das die zwei Nachstellkammern wechselseitig verbindet und außerhalb der zwei Nachstellkammern selbst angeordnet ist, und eine antreibende Vorrichtung, die so an das äußere Verbindungsrohr gekoppelt ist, dass sie auf die im äußeren Verbindungsrohr enthaltene rheologische Flüssigkeit ein veränderliches Magnetfeld ausübt, um die Viskosität der rheologischen Flüssigkeit zwischen einem minimalen Wert, bei dem die rheologische Flüssigkeit frei durch das äußere Verbindungsrohr fließen kann, und einem maximalen Wert, bei dem die rheologische Flüssigkeit nicht durch das äußere Verbindungsrohr ließen kann, zu verändern, bei dem die antreibende Vorrichtung einen ferromagnetischen Kern in Form eines offenen Rings mit einer Unterbrechung aufweist, die einen Spalt definiert, in dem das äußere Verbindungsrohr angeordnet ist, mindestens eine Wicklung, die an den ferromagnetischen Kern gekoppelt ist, und einen elektrischen Generator, der an die Wicklung angeschlossen ist, um einen elektrischen Strom von verstellbarer Stärke in der Wicklung zirkulieren zu lassen. Aus der WO 00/53936 A1 ist eine steuerbare pneumatische Vorrichtung bekannt, umfassend ein pneumatisches System beinhaltend einen pneumatischen Aktor mit einem Gehäuse, einem darin angeordneten und aufgrund einer auf diesen wirkenden Druckdifferenz beweglichen Kolben und wenigstens ein Ausgabeelement verbunden mit dem Kolben, und eine drehwirkende steuerbare Bremse, beinhaltend ein auf ein Feld ansprechendes Medium, wobei die drehwirkend steuerbare Bremse eine mit dem Ausgabeelement verbundene Achse beinhaltet, um dessen Bewegung zu steuern.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik abzustellen, insbesondere in puncto Bauraumnutzung und Kraftzurverfügungstellung.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Volumenausgleichsraum zur Aufnahme von magnetorheologischer Flüssigkeit (MRF) fluidleitend mit der Kammer verbunden ist, vorzugsweise so, dass MRF zwischen der Kammer und dem Volumenausgleichsraum den Druck und den Füllgrad der Kammer konstant haltend kommunizieren kann.
Dieses Konzept macht zwei MRF-Kammern möglich und fordert keine Abdichtung mehr, die beiderseits der Spindel Gleitdichtungen, bspw. vier Dichtungen einsetzt.
Diese Verschleißstelle ist nämlich unerwünscht und könnte zur Leckage führen, insbesondere, wenn beide Dichtungen hinter dem Eisenpolster eingebaut sind, was bei Aktivierung des Magnetfeldes, also bei Durchflutung der Spulen mit elektrischem Strom der Fall ist. Es kann nämlich in Extrembedingungen der Fall sein, dass in der MRF enthaltene Eisenpartikel in Kontakt mit der Dichtung geraten und diese beschädigen. Dies liegt daran, dass die Eisenpartikel in einer Dichtungsnut quasi „eingefangen“ werden, also nicht mehr herausgezogen oder herausgesaugt werden können. Dies führt dazu, dass die Konzentration der Partikel dort immer größer wird und am Ende eine Beschädigung der Dichtlippe der Dichtung schnell nach sich zieht.
Das erfindungsgemäße Konzept wirkt sich auch positiv auf die Axiallänge des Aktors aus, gerade wenn es mit einem Ausrücksystem zusammenwirkt. Probleme, die dadurch herrühren, dass die besagten Dichtungen eine bestimmte Dichtungslänge auf jeder Seite der das Gewinde ausbildenden Spindel vorhanden sein müssen, wird vermieden.
Die Erfindung kann sich somit positiv auf sog. Einzel-MRF-Kammern auswirken, genauso, wie auf sog. Doppel-MRF-Kammern. Beide Arten von Aktoren sind daher im Sinne der Erfindung optimierbar.
Eine Beschränkung der magnetischen Axialkraft bei einer integrierten Magnetkupplung wird vermieden. Mit der Parallelschaltung wird tatsächlich die Spule reduziert. Eine sonst immer problematische radiale Toleranz zwischen einer Gewindehülse und einem feststehenden Spulengehäuse wird vermieden. Bisher war es nämlich immer notwendig, dass die Gewindehülse durch die Welle/Motorwelle geführt wird und das Spulengehäuse an einer Getriebeglocke festgelegt ist, weswegen ein gewisses Spiel sicherzustellen war, um die radialen Schwingungen der Motorwelle auszugleichen. Der Abstand stellte jedoch einen magnetischen Widerstand dar, der mit der Funktionalität widersprüchlich war. Während sonst herkömmlicherweise die Übertragungsflächen vergrößert wurden, um dieses Problem zu lösen, kann nun darauf verzichtet werden, was sich positiv auf die axiale Länge des Spulengehäuses auswirkt. Es kann dadurch kürzer werden.
Es wird daher ein axial kürzeres Konzept realisierbar, was auch besser abdichtbar ist bzw. besser abdichtet. Die magnetische Axialkraft der Magnetkupplung wird ebenfalls optimiert, genauso wie die Magnetfeldübertragung zwischen dem Spulengehäuse und der Gewindehülse.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn der Volumenausgleichsraum innerhalb der Kammer oder an die Kammer angrenzend, etwa axial und/oder radial außerhalb davon, angeordnet ist. Gerade bei einer Integration eines internen Volumenausgleichs wird eine symmetrische Anordung der Dichtungen nicht mehr erforderlich, was sich sehr positiv auf die Axiallänge des Schraubenaktors auswirkt.
Wenn eine Wandung des Volumenausgleichsraums als radial und/oder axial verlagerbare Membran oder Abdichtmittel ausgebildet ist, so kann ein Unterdruck während des Betriebes verhindert werden und ein gutes Zusammenwirken der Einzelkomponenten bewirkt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der Volumenausgleichsraum im Inneren der Spindel angeordnet ist, wodurch nicht nur axiale Länge eingespart wird, sondern auch der Aktor in Radialrichtung gesehen kleiner bauen kann. Reibungsreduzierend ist es, wenn eine Außenwandung der Kammer drehentkoppelt von der angetriebenen Welle und/oder der Spule angeordnet ist. Die Außenwandung kann ein Teil der Spindel sein, aber auch ein davon separates Bauteil, vorzugsweise radial außerhalb der Spindel angeordnet, sein.
Es ist vorteilhaft, wenn die Spindel aus wenigstens zwei vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordneten Hülsen aufgebaut ist, die miteinander drehfest verbunden sind. Der Bauraum, insbesondere in Radialrichtung, wird dann besser genutzt.
Dabei ist es von Vorteil, wenn eine innere Hülse der Spindel ein Innengewinde und eine äußere Hülse der Spindel ein Außengewinde aufweist. Natürlich kann auch die innere Hülse der Spindel ein Außengewinde und die äußere Hülse der Spindel ein Innengewinde aufweisen.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass an nur einem Ende der Spindel ein gewindefreier Fortsatz ausgebildet ist, der mit einer oder zwei Dichtvorrichtungen so in, vorzugsweise beweglichem, Kontakt steht, dass die Kammer oder die Kammern, welche mit MRF gefüllt sind, gegen einen MRF-Austritt abgedichtet sind. Auf diese Weise bleibt die magnetorheologische Flüssigkeit in der Kammer auch über einen lang andauernden Betrieb gefangen.
Als positiv hat sich auch herausgestellt, wenn die eine Dichtvorrichtung oder die zwei Dichtvorrichtungen auf der spulenfernen Seite des Aktors und/oder in Richtung eines zu aktuierenden Stellorgans, wie einer Blattfeder oder einer Tellerfeder, angeordnet ist/sind.
Vorteilhaft ist ferner, wenn zwei Spulen axial versetzt von der Spindel zum Ausbilden zweier radial versetzter oder geschachtelter Magnetfelder angeordnet sind, etwa in Parallelschaltung oder in Reihenschaltung.
Diese Weiterbildungen können auch unabhängig voneinander und vom Hauptaspekt, ergo den Merkmalen des Anspruchs 1, getrennt weiter verfolgt werden.
Die Erfindung betrifft letztlich auch eine Kupplung mit einem magnetohydrodynamischen Schraubenaktor der erfindungsgemäßen Art, wobei dieser in schaltendem Kontakt mit dem Stellorgan steht, das auf ein Lamellenpaket einwirkt.
Man könnte auch sagen, dass die Konzeption durch eine Reihe von Punkten weiter gekennzeichnet ist. So können zwei Rotationsdichtungen und die zugehörige Abdichtungsrinne eingespart werden und durch eine Einzeldichtung werden ersetzt, wodurch ein Volumenausgleich geschaffen wird. Diese einzelne (eingeführte) Dichtung unterliegt keiner Rotation und ist nur zum axial Versetzt werden vorgesehen.
Dadurch kann eine Ankerhülse, etwa nach Art eines Rohres, was zwischen einer inneren Hülse und einer äußeren Hülse der Spindel eingesetzt ist, um die Gewindespindel herum konstruiert werden. Dies ermöglicht, den Magnetfluss zwischen der Ankerhülse und dem Spulengehäuse spielfrei zu übertragen, bspw. nur mit einer axialen Schnittstelle. Die radiale Übertragung liegt zwischen der Ankerhülse und den Gewindehülsen, wobei das Radialspiel tatsächlich kleiner auslegbar ist, da nur Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden müssen. Hier sind lediglich innere Toleranzketten sowie etwaige Passungen zu berücksichtigen.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkraft der Magnetkupplung verdoppelt wird, da der Magnetfluss zwischen der Ankerhülse und dem Spulengehäuse nur durch axiale Oberflächen übertragen wird.
Die Konstruktion ist auch ferner dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gewindehülsen in eine einzelne, beispielsweise über ein Trennelement in zwei radial voneinander getrennte, geschachtelte Teilkammern aufgeteilte MRF-Kammer verschraubt/geschraubt werden, wobei in der Mitte der Volumenausgleich integriert ist.
Als Besonders ist herauszustellen an der Erfindung, dass zwei Gewindehülse mit einer nicht magnetischen Ausrückscheibe fest verbunden sind und dadurch eine Gewindespindel mit doppelseitigem Gewinde bzw. zwei Gewindespindeln ausgebildet wird.
Die Gewindespindeln sind mit nicht-magnetischen Gewinden oder außenliegenden Gewindeabschnitten ausgestattet, insbesondere um einen Kurzschluss zu vermeiden. Zwischen den Gewindespindeln wurde eine Dichtung bzw. ein O-Ring mit Sitz eingebaut. Diese Dichtung soll axial verschiebbar sein. Zwischen der Dichtung und einer Ankerhülse, nämlich einem Rohr, was zumindest teilweise zwischen die zwei Hülsen/Gewindehülsen ragt, ist ein Fluidreservoir für den Volumenausgleich vorgesehen. Auf der fluidreservoirabgewandten Seite der Dichtung ist Luft vorhanden, welche durch kleine Bohrungen durch die Ausrückscheibe und die Gewindespindeln frei strömen kann. In dem Reservoir sind kleine Nuten am Ende der Ankerhülse vorgesehen, sowie kleine Löcher in den Gewindespindeln, damit die MRF bzw. die Trägerflüssigkeit der MRF bei einer Kupplungsbetätigung in die beiden funktionalen(MRF-)Kammern fließen kann.
Die Ankerhülse besteht u.a. aus einer äußeren und einer inneren Hülse, die an einem zentralen Rohr durch zwei nicht-magnetische Verbundteile befestigt bzw. verlötet ist. Die Hülsen und das zentrale Rohr sind magnetisch bzw. aus magnetisierbarem Material aufgebaut.
Es sind zwei vordere Dichtungen eingesetzt, welche in einem nicht-magnetischen Dichtungsträger montiert sind. Für jede Dichtung ist ein eigener Dichtungsträger vorgesehen. Die beiden Dichtungsträger sollen in der Ankerhülse fest eingepresst werden. Die Gewindespindel wird einerseits mit den Dichtungsträgern geführt und andererseits mit dem zentralen Rohr der Ankerhülse geführt.
An der Ausrückscheibe wird ein Federring mit federnden Laschen fest angebunden, damit in einer ruhenden Position die Ankerhülse auf die Ausrückscheibe gezogen wird, die z.B. dort festgelegt ist. Dadurch wird eine Lüftung der Magnetkupplung bewirkt. Der Magnetfluss wird mit zwei kleinen Spulen erzeugt und mit einem feststehenden Eisengehäuse geführt.
An den Aktor schließt sich eine Motorwelle, eine Tellerfeder, eine Druckfeder und ein Abstützring an. Die Gewindespindel bzw. die Ausrückscheibe soll mit einer Eingangswelle bzw. einer Motorwelle angetrieben werden, bspw. durch eine Verzahnung. Eine Druckfeder wird einerseits mit der Ausrückscheibe und andererseits mit einem Abstützring in Einwirkung gebracht und sorgt für die axiale Vorlast des Aktors auf die Tellerfeder. Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn die Motorwelle auf der inneren Seite des Aktors vorhanden ist, wobei es aber grundsätzlich möglich bleibt, auch die Druckfeder und die Federscheibe in ihrer Position umzustellen, so, dass die Ausrückscheibe auf der äußeren Seite angetrieben wird, wobei dann der Federring auf die innere Seite greifend konstruiert werden kann.
Es wird ergo eine sehr innovative Lösung gegenüber dem Wettbewerb vorgestellt. Ein sehr einfacher und kostengünstiger Mechanismus ist die Folge. Eine innovative Kupplungsbetätigung wird möglich, welche auch in der Serienentwicklung nach einer Konzeptvalidierung einsetzbar ist. Die Integration eines inneren Volumenausgleichs in Kombination mit der Parallelschaltung ermöglicht folgende Vorteile für die weitere Entwicklung von magnetohydrodynamischen Schraubenaktoren. Zwei Rotationsdichtungen und die zugehörige Abdichtungslänge können/kann eingespart werden. Lediglich eine einzelne Dichtung zur Realisierung des Volumenausgleichs wird nötig. Die eingeführte Dichtung unterliegt dann keiner Rotation und ist lediglich für eine Axialbewegung auszulegen. Hinter dem sich bei Aktivierung der Spulen bildenden Eisenpolster befindet sich nun keine Rotationsdichtung/rotierende oder schleifende Dichtung mehr. Die gesamte Axiallänge wird deutlich reduziert, wenigstens um mehr als 20 %. Die Axialkraft der Magnetkupplung, um die Ankerhülse festzubremsen/festzuhalten, wurde verdoppelt. Das Radialspiel zwischen dem festen Spulengehäuse und der Ankerhülse kann ausgeglichen werden, ohne dass der Magnetfluss beeinträchtigt wird. Der Magnetkreis ist insgesamt kompakter/kürzer geworden.
Das Funktionsprinzip des Aktors ist auch einfach gehalten. So treibt eine Eingangswelle bzw. eine Motorwelle die Gewindespindel an. Die Dichtungen, die Dichtungsträger und die Ankerhülse drehen sich mit, damit die Dichtungen keine Drehzahldifferenz erfahren müssen. Es ist ein Federring mit Laschen vorgesehen, welcher radial außenseitig die Kammerwandung umgreift, um die von diesen ausgebildete Ankerhülse auf die Ausrückscheibe zu ziehen. Dies resultiert in einer Lüftung der Magnetkupplung.
Bei der Kupplungsbetätigung, bzw. einer Spuleneinschaltung, wird die Ankerhülse auf das feste Gehäuse gezogen und festgebremst/festgehalten.
Die Ankerhülse beinhaltet ein zwischen den Gewindehülsen enthaltene zentrale Rohr, nicht-magnetischen Verbundteile radial innerhalb und radial außerhalb davon und weiter radial innerhalb bzw. außerhalb davon angeordnete Zylinderabschnitte. Die Zylinderabschnitte können eine hohlzylinderabweichende Außen- und Innenkontur besitzen.
Bei der Kupplungsbetätigung erfolgt ein Festbremsen der Ankerhülse am festen Gehäuse, wodurch das sich aufbauende Eisenpolster gut genutzt werden kann. Die genannten zwei Vorgänge erfolgen quasi gleichzeitig. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ankerhülse zwar zentriert sein kann, insbesondere zentriert zur Motorwelle oder zu den die Außenkontur festlegenden Hülsen der Spindel, aber auch radial leicht versetzt sein kann. Die Einzelbauteile werden so ausgelegt und angeordnet, dass die magnetische Axialkraft in der gelüfteten Position der Ankerhülse ausreicht, um die Vorlastkraft des Federringes zu überwinden. Da die Ankerhülse auf die Tellerfeder abstützend einwirkt, nämlich durch die Ausrückscheibe, wird die Hauptkupplung idealerweise verschleißnachstellend ausgeführt, um den Axialabstand in bestimmten Grenzen zu halten. Wie bereits erläutert, wurde die magnetische Axialkraft verdoppelt, was für einen Axialtoleranzausgleich Vorteile bringt.
Die neue Konstruktion erlaubt auch, dass die gezogene Ankerhülse nicht genau zu dem Spulengehäuse zentriert werden muss, sondern auch leicht versetzt sein kann. Dadurch kann die radiale Toleranz ausgeglichen werden, ohne den Magnetfluss zu beeinflussen bzw. zu beeinträchtigen.
Die MRF in dem Reservoir wird flüssig bleiben, da zwischen den Gewindehülsen kaum Magnetfluss vorliegt. Natürlich bleibt die Trägerflüssigkeit, bspw. ein Mineralöl, frei, um zu strömen, womit das bekannte Grundprinzip des Polsteraufbaus weiter nutzbar ist.
Bei der Verschiebung der Gewindespindel wird die zwischen den gewindeaufweisenden Hülsen der Spindel angeordnete zentrale Dichtung angesaugt, damit das Gesamtvolumen an MRF konstant bleibt. Relativ zu der Gewindespindel macht diese Dichtung nur eine axiale Bewegung, selbst wenn die Dichtung sich mit der Motorwelle dreht. Danach folgt der Einkuppelvorgang. Die Spulen werden ausgeschaltet, damit das Polster abgebaut wird. Die Tellerfeder drückt die Ausrückscheibe, bzw. die Gewindespindel, zurück und drückt dadurch die zentrale Dichtung wieder in ihre erste Position. Das gesamte MRF-Volumen bleibt aber immer konstant.
Die Vorrichtung soll so dimensioniert werden, dass die Federlaschen am Ende des Gewindetopf-Rückwegs hinter dem Federringwulst eingeschnappt sind. Dadurch wird die Ankerhülse gezogen und die Magnetkupplung gelüftet. Die Ausrückscheibe kann grundsätzlich auch auf der äußeren Seite angetrieben werden.
Eine Weiterentwicklung zu einem zwischen den Gewindehülsen enthaltenen internen Volumenausgleich wird nachfolgend vorgestellt. Dabei wird aber das Erfindungsprinzip immer noch genutzt:
Bei dem internen Volumenausgleich, mit einer Dichtung zwischen den Gewindehülsen, welche axial verschieblich angeordnet sein soll, kann die Führung der Dichtung evtl. kritisch sein. Die Dichtung soll nämlich relativ zu den Gewindehülsen mehr als nur den Ausrückweg entlang laufen, was zu anderen Schwierigkeiten wie den bekannten Stick-Slip-Effekten oder Hysterese führen kann. Es soll daher bei der Weiterentwicklung ein Volumenausgleich ohne Axialbewegung gewährleistet werden.
Dies wird dadurch erreicht, dass ein Verformungsteil, bzw. eine Membran, zum Volumenausgleich mit statischen Dichtstellen eingesetzt ist. Eine koaxiale Anordung des Reservoirs zum Volumenausgleich ist dabei erstrebenswert. Insbesondere wird koaxial zu der äußeren Hülse der Spindel eine elastische Membran eingebaut. Diese soll auf einer Seite am Dichtungsträger und auf der anderen Seite an der Ankerhülse befestigt bzw. angequetscht sein/werden. Unter/radial innerhalb der Membran befindet sich dann das MRF-Reservoir, das durch Öffnungen im Dichtungsträger an der Haupt-MRF-Kammer verbunden wird. Die Membran umgebend soll ein Schutzblech an der Ankerhülse befestigt bzw. gebördelt werden. Das Schutzblech soll Luftöffnungen beinhalten. Diese Luftöffnungen sind vorgehalten, damit sich die Membrane druckfrei verformen kann.
In den Gewindespindeln sind ebenfalls kleine Löcher vorgesehen, damit die MRF, bzw. die Trägerflüssigkeit der MRF, bei Kupplungsbetätigung frei dort hindurchströmen kann.
Ein Vorteil dieser Weiterentwicklung liegt in der Integration einer Membrane, also einer statischen Abdichtung, zur Realisierung des Volumenausgleichs, statt auf eine Bewegung einer Dichtung setzen zu müssen.
Auch hier treibt eine Eingangswelle bzw. Motorwelle die Gewindespindel an. Nach einer ruhenden Anordnung, in der keine Relativbewegung durch den inizierten Stromfluss vorliegt, erfolgt die Kupplungsbetätigung, bspw. für ein Ein- oder Auskuppeln, durch Einschaltung der Spulen, d.h. Durchfluten der Spulen mit elektrischem Strom.
Danach erfolgt ein Polsteraufbau mit Volumenausgleich/Verformung der Membran. Bevor die Haupttellerfeder wirklich verschoben wird, wird eine kleine Vorspanntellerfeder bzw. ein Vorspannring auf die Fläche der Ausrückscheibe vorgespannt und abgestützt, da die Steifigkeit der Vorspanntellerfeder deutlich kleiner als die Steifigkeit der Haupttellerfeder sein soll. Daraus ergibt sich eine zweistufige Federkennlinie für das Ein- oder Ausrücken.
Es bietet sich ein Antreiben der Ankerhülse auf der Außenseite an, wenn das Reservoir auf die radiale Innenseite verlegt wird. Eventuell kann das Reservoir auch auf der inneren und der äußeren Seite vorgehalten werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nur axiale Membranen einzusetzen.
Ein Verschleißausgleich der Hauptkupplung bzw. der Lamellenkupplung mit Einsatz eines Federelementes zwischen der Tellerfeder und der Ausrückscheibe, damit der Füllgrad/die Füllmenge an MRF immer konstant bleibt, ist ebenfalls vorteilhaft.
Der Volumenausgleich kann mit einem weichen Teil bzw. einer Membran realisiert sein, welche statisch abdichtend wirkt. Mit anderen Worten wird zur Bauraumoptimierung des magnetohydromechanischen Schraubenaktors vorgeschlagen, von der bisherigen Lösung mit einer Schaltung der magnetischen Kreise in Reihe abzuweichen und nun diese parallel zu (ver)schalten. Die magnetische Parallelschaltung ist unabhängig von der Spulenanordung. Das vorgestellte Konzept erfordert nun nicht mehr die Abdichtung von zwei MRF-Kammern mit vier Dichtungen. Diese Verschleißstellen sind nämlich unerwünscht. Um das Konzept noch kürzer auszuführen und noch besser abzudichten, wobei auch die magnetische Axialkraft der Magnetkürzung sowie die Magnetfeldübertragung zwischen dem Spulengehäuse und der Gewindehülse optimiert werden sollen, wird vorgeschlagen, einen internen Volumenausgleich zu integrieren, damit eine symmetrische Anordung der Dichtungen nicht mehr erforderlich ist. Es kann ein Einsatz einer Membran zum Volumenausgleich mit statischen Dichtstellen vorgesehen sein. Auch ist eine koaxiale Anordung des Reservoirs zum Volumenausgleich möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert, in der drei unterschiedliche Ausführungsbeispiele näher dargestellt sind und erklärt werden. Es zeigen:
1 eine Längsschnittansicht im Ausschnitt einer ersten Ausführungsform eines Konstruktionsvorschlags eines erfindungsgemäßen Schraubenaktors mit Volumenausgleich,
2 die ruhende Position des Aktors aus 1, bei der die Hauptkupplung geschlossen ist,
3 den Aktor der 1 und 2 bei Kupplungsbetätigung/beim Auskuppeln, wobei die Ankerhülse festgebremst ist (mit Toleranzausgleich), wobei die gezogene Ankerhülse zentriert dargestellt, aber auch radial leicht versetzt sein kann,
4 den Aktor aus 1 zum Zeitpunkt des Polsteraufbaus mit realisiertem Volumenausgleich,
5 ein Detail im Bereich V aus 2 bzgl. eingeschnappter Federlaschen, um an der Ankerhülse zu ziehen,
6 einen Schnitt durch den Aktor der 1 bis 4,
7 eine geschnittene 3D-Darstellung des Aktors aus 6,
8 eine zweite Ausführungsform in einer zur 1 vergleichbaren Darstellungsweise, wobei jedoch ein Volumenausgleich radial auf der Außenseite liegend vorhanden ist,
9 die ruhende Position des Aktors aus 8, in einer zur 2 vergleichbare Schaltstellung,
10 den Aktor der 8 und 9 in einer Kupplungsbetätigungsposition, etwa beim Auskuppeln oder Einkuppeln, bei der die Ankerhülse gezogen und festgebremst ist, die Axialposition der Ausrückscheibe jedoch fest bleibt,
11 eine Darstellung des Aktors der 8 bis 10 im Augenblick des Polsteraufbaus,
12 eine erste Phase der Ausrückung des Aktors der 8 bis 11, bei der die Ankerhülse jedoch festgebremst ist,
13 eine zweite Phase der Ausrückung, bei der die Position der Haupttellerfeder wegen des Einsatzes der schon aus 12 bekannten Vorspanntellerfeder am Anschlag auf die Ausrückscheibe nahezu gleich bleibt,
14 eine Schnittansicht auf den Aktor der 8 bis 13,
15 eine geschnittene 3D-Darstellung des Aktors aus 14, und
16 eine abgewandelte Variante der zweiten Ausführungsform mit zwei Axialmembranen.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetaucht werden.
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines magnetohydrodynamischen Schraubenaktors 1 dargestellt. Dieser Aktor 1 ist zum Einsatz an einer Lamellenkupplung vorgesehen, bspw. um einen Riementrieb ein- oder auszukuppeln. Der Aktor weist eine Spindel 2 auf. Die Spindel 2 hat eine innere Hülse 3 und eine äußere Hülse 4. Die innere Hülse 3 kann auch als innere Gewindehülse bezeichnet werden, wohingegen die äußere Hülse 4 auch als äußere Gewindehülse bezeichnet werden kann.
Die beiden Hülsen 3 und 4 sind mit einer nicht-magnetischen Ausrückscheibe 5 drehfest gekoppelt. An der Ausrückscheibe 5 ist eine Feder 6 mit einer Lasche 7 so angeordnet, dass eine Ankerhülse 8 im unbetätigten Zustand des Aktors an der Ausrückscheibe 5 gehalten ist, nämlich durch Umgreifen eines Wulstes 9. Die Ankerhülse 8 ist aus mehreren Bauteilen aufgebaut, nämlich einem äußeren Zylinder 10, einem inneren Zylinder 11, die alle nur ungefähr einer Zylinderform folgen, nämlich einer ungefähren Hohlzylinderform. Zwischen dem äußeren Zylinder 10 und dem inneren Zylinder 11 sind zwei über ein Zentralrohr 12 radial beabstandete nicht-magnetische Verbundteile 13 vorhanden.
Axial beabstandet zu dem ausrückscheibenfernen Ende der Ankerhülse 8 ist ein feststehendes Gehäuse 14, insbesondere ein Eisengehäuse vorhanden, das zwei radial zueinander beabstandete umlaufende, axial offene Ringtaschen aufweist, in welche je eine Spule 15 eingesetzt ist.
Die innere Hülse 3 und die äußere Hülse 4 weisen Gewinde 16 auf, die an ihren Spitzen aus nicht-magnetischem Material aufgebaut sind. Die innere Hülse 3 weist ein Innengewinde auf, dessen radial nach innen weisenden Gewindespitzen nicht-magnetisch/-magnetisierbar sind, wohingegen die äußere Hülse 4 ein Außengewinde aufweist, dessen nach außen gerichteten Spitzen aus nicht-magnetischem Material sind.
Die Ankerhülse 8 besitzt an dem ausrückscheibennahen Ende radial außen und radial innen je einen fest eingesetzten Dichtungsträger 17 aus nicht-magnetischem Material, die jeweils eine Dichtung 18 beherbergen, welche in schleifender Anlage mit einem Fortsatz 19 der Spindel 2, nämlich der inneren Hülse 3 und der äußeren Hülse 4 sind.
Zwischen den beiden Fortsätzen 19 der Hülsen 3 und 4 ist ein Dichtungssitzbauteil 20 so angeordnet, dass ein daran angebrachtes Dichtelement 21 axial verschieblich ist. Das Dichtelement 21 kann ein O-Ring sein. Auf der gehäuseabgewandten Seite der Fortsätze 19 ist ein Durchgangsloch 22 vorgesehen, um einen Luftzugang zu ermöglichen.
Die Ausrückscheibe 5 ist mit einer nur strichliert angedeuteten Welle 23 drehfest aber axial verschieblich in Kontakt. Dazu ist ein Formschluss, wie bspw. eine Verzahnung, etwa eine Keilverzahnung einsetzbar.
Zwischen den beiden Zylindern 10 und 11, in Radialrichtung gesehen, und den Dichtungen 18 einerseits und den Verbundteilen 13 andererseits, in Axialrichtung gesehen, ist eine Kammer 24 vorgehalten, in der magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) enthalten ist. Man könnte auch sagen, dass zwei Kammern, eine mantelartige äußere Kammer und eine mantelartige innere Kammer vorhanden sind, wobei zwischen den beiden, nämlich zwischen den beiden Zylindern 10 und 11 ein Volumenausgleichsraum 25 vorhanden ist.
Es sind zwei Nuten 26 vorhanden, die zu radial ausgerichteten Löchern 27 in dem äußeren Zylinder 10 und dem inneren Zylinder 11 führen, um eine Fluidverbindung zwischen der Kammer 24, insbesondere der äußeren mantelartigen Kammer und der inneren mantelartigen Kammer und dem Volumenausgleichsraum 25 zu ermöglichen.
Bei Betätigung des Aktors 1, wenn also Strom durch die Spulen 15 fließt und ein Magnetfeld sich durch die äußere mantelartige Kammer und die innere mantelartige Kammer, ergo in Summe durch die gesamte Kammer 24, zieht, wird eine Verfestigung der Eisenpartikel in der Trägerflüssigkeit vorgenommen, wodurch die Gewinde 16 in Eingriff mit den gitterverfestigten Partikel gelangen. Bewegt sich die Spindel 2 von dem Gehäuse 14 dann weg, in Richtung eines nur angedeuteten Stellorgans 28, wobei das ausrückscheibenferne Ende der Ankerhülse 8 in festgelegten Kontakt mit dem Gehäuse 1 gelangt und die Dichtungen 18 auf dem Fortsatz 19 entlang rutschen, strömt Fluid aus dem Volumenausgleichsraum 25 in die Kammer 24 und das Dichtelement 21 zusammen mit seinem Dichtungssitzbauteil 20 wird in Richtung des Gehäuses 14 verfahren. Der Volumenausgleichsraum 25 agiert somit als Fluidreservoir.
In 2 ist das Festgelegt-sein des Gehäuses 14 im Gegensatz zu einer drehbar angebundenen Ausrückscheibe 5 angedeutet.
Während dort, in 2 noch kein Strom fließt, ist dies in 3 der Fall, wodurch sich zwei Magnetkreise ergeben, die eine Magnetkraft F_Magnet hervorrufen. Dabei löst sich die Lasche 7 und springt über den Wulst 9 über, gibt also eine Axialbewegung der Ausrückscheibe 5 und der Spindel 2 frei.
Ein Polster 29 aus Eisenpartikeln baut sich, wie in 4 zu erkennen ist, auf, wobei ein Nachfüllbereich 30 durch das nachströmende MRF aus dem Volumenausgleichsraum 25 aufgefüllt werden muss, wenn sich die Spindel 2 vom Gehäuse 14 weg nach links, in Richtung einer Tellerfeder, bewegt. Dieses als Stellorgan 28 wirkende Bauteil ist in 4 aber nicht dargestellt. Wohl ist aber die Kraft der Tellerfeder angedeutet mit F_Tellerfeder. Auch der Ausrückweg ist mit dem Pfeil 31 angedeutet.
Es ist gut zu erkennen, dass sich die Kombination aus dem Dichtelement 21 und dem Dichtungssitzbauteil 22 axial in Richtung des Gehäuses 14 verlagert hat.
Während in der 5 das Wirkprinzip der Laschen 17 an der Feder 7 mit dem äußeren Zylinder 10 dargestellt ist, ist in den 6 bis 7 eine eher umfassendere Darstellung gewählt, um den Gesamtaufbau verständlicher zu machen.
In 8 ist eine zweite Ausführungsform näher dargestellt, bei der der Volumenausgleichsraum 25 überwiegend radial außerhalb und axial versetzt zur Ankerhülse 8 vorhanden ist. Ein Schutzblech 32 ist vorhanden, innerhalb dessen eine elastische Membran 33 angeordnet ist. Es ist eine Vorspanntellerfeder 34 eingesetzt.
An der Ausrückscheibe 5 wird ein Federring mit Federlaschen 35 fest verbunden, damit die Federlaschen 35 eine Radialkraft auf eine Rampe 36 ausüben können. Dadurch drücken die beiden Zylinder 10 und 11 der Ankerhülse 8 auf die Ausrückscheibe 5. Die Spulen 15 sind relativ klein ausgestaltet.
In den 9 bis 11 ist das Wirkprinzip, ähnlich zur Abfolge der 2 bis 4 grafisch wiedergegeben.
Die Verlagerung der Vorspanntellerfeder 34 wird durch Zusammenschau der 12 und 13 verständlich, insbesondere in Anbetracht eines gestrichelt angedeuteten Stellorgans 28. Der Grundsatzaufbau geht auch aus den 14 und 15 gut hervor.
In 11 ist eine Variante mit Axialmembranen 37 wiedergegeben. Das Dichtelement 21 kann auch als Abdichtmittel bezeichnet werden. Die Dichtungen 18 können auch als Dichtvorrichtungen bezeichnet werden.
Bezugszeichenliste

1: Aktor
2: Spindel
3: innere Hülse
4: äußere Hülse
5: Ausrückscheibe
6: Feder
7: Lasche
8: Ankerhülse
9: Wulst
10: äußerer Zylinder
11: innerer Zylinder
12: Zentralrohr
13: Verbundteil
14: Gehäuse
15: Spule
16: Gewinde
17: Dichtungsträger
18: Dichtung
19: Fortsatz
20: Dichtungssitzbauteil
21: Dichtelement
22: Durchgangsloch
23: Welle
24: Kammer
25: Volumenausgleichsraum
26: Nut
27: Loch
28: Stellorgan
29: Polster
30: Nachfüllbereich
31: Ausrückweg
32: Schutzblech
33: Membrane
34: Vorspanntellerfeder
35: Federlasche
36: Rampe
37: Axialmembran

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1438517 B1 [0005]
EP 2060800 B1 [0006]
WO 00/53936 A1 [0006]

Claims

Magnetohydrodynamischer Schraubenaktor (1) zur Kupplungsbetätigung, mit einer drehfest aber axial beweglich an einer angetriebenen Welle (33) anbindbaren Spindel (2), die ein Gewinde (16) aufweist, das in einer Kammer (24) mit magnetrheologischer Flüssigkeit (MRF) angeordnet ist, wobei wenigstens eine mit elektrischem Strom durchflutbare Spule (15) so angeordnet ist, dass in der magnetorheologischen Flüssigkeit ein die magnetorheologische Flüssigkeit verfestigendes Magnetfeld aufbaubar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenausgleichsraum (25) zur Aufnahme von magnetorheologischer Flüssigkeit fluidleitend mit der Kammer (24) verbunden ist.
Aktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenausgleichsraum (25) innerhalb der Kammer (24) oder an die Kammer (24) angrenzend angeordnet ist.
Aktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung des Volumenausgleichsraums (25) als radial und/oder axial verlagerbare Membran (23) oder Abdichtmittel (21) ausgebildet ist.
Aktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenausgleichsraum (25) im Inneren der Spindel (2) angeordnet ist.
Aktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenwandung der Kammer (24) drehentkoppelt von der angetriebenen Welle (23) und/oder der Spule (15) angeordnet ist.
Aktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (2) aus wenigstens zwei Hülsen (3, 4) aufgebaut ist, die miteinander drehfest verbunden sind.
Aktor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Hülse (3) der Spindel (2) ein Innen- oder Außengewinde und eine äußere Hülse (4) der Spindel (2) ein Außen- oder Innengewinde aufweist.
Aktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an nur einem Ende der Spindel (2) ein gewindefreier Fortsatz (19) ausgebildet ist, der mit einer oder zwei Dichtvorrichtungen (18) so in Kontakt steht, dass die Kammer (24) oder die Kammern (24) gegen MRF-Austritt abgedichtet sind.
Aktor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder zwei Dichtvorrichtungen (18) auf der spulenfernen Seite des Aktors (1) und/oder in Richtung eines zu aktuierenden Stellorgans (28) angeordnet ist/sind.
Aktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spulen (15) axial versetzt von der Spindel (2) zum Ausbilden zweier radial versetzter Magnetfelder angeordnet sind.