磁流变传动装置的制造方法
【专利说明】磁流变传动装置
[0001]本申请是国际申请日为2011年9月15日、申请号为201180044538.7 (PCT/EP2011/004623)、发明名称为“磁流变传动装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及磁流变传动装置，尤其是磁流变式力传递装置或力矩传递装置，在此在第一部件和至少一个可相对第一部件运动或静止的第二部件之间的传动可以通过在这两个部件之间的液体的磁流变特性来改变。例如，本发明可以选择性地朝向从动轴减小驱动轴转矩。
[0003]本发明的磁流变传动装置可应用在许多技术领域，例如应用在车辆或工业设备中作为离合器或制动器，或者用于制造可变的车门止动器。不过，本发明也可被用作例如在汽车或其它双轮运输工具的转向柱上的方向盘锁，或者也可被用作车辆中的防滑控制系统、转矩分配器、风扇离合器等。也可用作假体上的关节、人造手足或者用在其它技术领域。
【背景技术】
[0004]在现有技术中公开了各种各样的离合器等类似机构，其中例如通过离合器作动使第二部件与第一部件同步转动。为此例如可使配备有摩擦衬片等的离合器片相互接触，以通过首先摩擦接触使第二部件达到第一部件的转速。
[0005]除常规的离合器和带有传统刹车衬片的制动器外，还知道了这样的离合器，其中，在两个作为离合器片的构件之间设有例如磁流变流体。磁流变流体例如具有分散于油中的最精细的铁磁颗粒例如像羰基铁粉。在磁流变液中使用具有与生产相关的1-10微米直径的球粒，在此，颗粒大小是不统一的。如果对这样的磁流变流体施以磁场，则磁流变流体的羰基铁颗粒沿磁场线链化，从而取决于磁场形状和强度显著影响该磁流变流体(MRF)的流变性能。
[0006]DE 10 2004 009 906 B3公开一种用以转动安装转向柱的滚动轴承。应只通过提高黏性来获得超过10Nm的、须用以至少将转向柱锁定在锁止状态的法定最小力矩。这样的轴承按照已知的现有技术构建并具有轴承外圈和轴承内圈和位于其间的球轴承，球轴承支承转向柱并且可转动安置。在轴承间隙中加入流变活性物质。为增强黏性而施加磁场，轴承圈之间的传力路线由此改变。
[0007]申请人将这样的轴承用作离合器的试验没有得到适用的结果。滚动轴承须具有小间隙以允许所需要的承载能力和运行平静并且阻止偏转和进而严重磨损。在典型用于转向装置的、内径为30mm且外径为42mm并且具有约4mm直径的球轴承的常见滚动轴承中，滚动轴承总体上比如具有由加工决定的6?20 μm分散间隙(径向轴承气隙、“标准”容许等级或者说P5)。于是，在球轴承任一径向侧的径向转动游隙等于其一半，即在3-10 μ m之间运动。较大的转动游隙不利地影响承载能力，增大运行噪声并导致严重许多的磨损。
[0008]因为磁流变流体含有具有大多10 μπι最大直径的磁极化颗粒，因此现在已经表明，在加有一滴磁流变流体情况下，这样的滚动轴承在未施以磁场和无载荷情况下也马上卡死。其原因在于，在磁流变流体中，即便没有外加磁场，直径为10 μπι的颗粒也不能挤过/滚过3 μπι缝隙。也附加形成或恰好因而形成至少两个颗粒的团块或结链，结果，在没有外场情况下也可能出现滚动轴承卡死。正常状态中，总有载荷作用于轴承(径向力或轴向力)，承受载荷的滚动体的转动游隙由此减小到零并出现大的表面压力，结果，滚动轴承必然机械卡死，因为具有I μ m直径的最小颗粒本身随后无法再在滚动体和滚道之间穿过的。轴承是不适用的和/或出故障的并且这些颗粒机械卡死在转动游隙中。在此情况下，使用具有超大的基本转动游隙的滚动轴承例如SKF结构系列C5也是一样，抛开更大的轴承间隙减弱承载能力并显著缩短使用寿命不提。
[0009]滚动体在正常运行中即以径向力或轴向力一直在滚动面上滚动有时造成很高的作用于滚动面的表面压力，其平面打磨位于其间的磁流变流体的金属颗粒(>99%纯铁)。另外，用于防蚀、防沉积和防结团的颗粒涂层可能受损。另外，滚动面也可能受损。实践已经证明，如此改变的颗粒随后也在没有磁场情况下相互机械粘结或者说结团，结果，磁流变液不可使用。这种现象在颗粒机械压紧力小的情况下就已经出现。另外，如此形成的粒团本身在大转动游隙下无法在滚子和滚道之间挤过并卡死轴承。
[0010]另外，传统滚动轴承肯定最终被密封以阻止灰尘和坚硬颗粒进入，因此减轻磨损。
[0011]这种情况也适用于DE 10 2006 034 966 Al，其示出一种根据现有技术的滚动轴承或线性轴承，其中润滑剂通过MR液更好地局部集中。
[0012]US 2008/0053776公开一种转矩离合器，其中磁流变液被加到滚动(啮合)的齿轮之间并被施以磁场。由此，应调制高达1500Nm的可传递力矩。为了能传递这样的力/力矩，齿侧面须接触或者说齿轮间隙此时变为零，结果，位于其间的MRF颗粒因大表面压力就像之前在DE 10 2004 009 906 B3的滚动轴承中描述的那样受损。或者说，齿侧面可能因颗粒大小和颗粒集聚(结团)而在无磁场情况下卡死锁定。在US 2008/0053776中，表面压力和齿侧间隙根据载荷(力矩)情况而始终在变。
[0013]在包括两个相互间隔的离合器片的已知磁流变离合器中，两个间隔较近的离合器片可能在无磁场情况下先彼此相对自由转动。但是，根据离合器片滑差，在无场状态下也可能通过MRF剪切传递一定的基本力矩。当启动垂直于离合器片的磁场时，磁流变流体在离合器片之间链化且两个离合器片接合。可传递转矩的大小取决于各种不同的参数，因此例如取决于有效间距或力矩传入间距、工作面、离合器片数、相对转速或者说滑差以及磁流变流体和尤其还有磁场强度。如果超过最大可传递转矩，则可传递转矩没有降至零，而是大致保持在其最大可能值，因为马上重新形成磁流变流体颗粒的断链并因此还在起效。
[0014]根据现有技术的MRF离合器需要直径大于150_的离合器片以获得例如大于50Nm或更高的可传递力矩。结果，铁磁颗粒因相对于载体介质的密度差而被“甩出来”，从而带来了麻烦。流体和铁磁颗粒可能分离。
[0015]磁流变离合器的显著优点在于减轻磨损。承载不仅在离合器片外表面上实现，而且能量被整个液体体积吸收。
[0016]已知的磁流变离合器的缺点是需要高磁场强度和由参数如有效直径、工作面和片数得到的一定结构尺寸。结果，导致相应的结构重量以便能承受相应转矩，这造成较差的转矩/重量比。由电线圈产生的磁场强度长时间需要大量电能，这同样是不希望的。
【发明内容】
[0017]因此，本发明的任务是提供一种磁流变传动装置，其与现有技术相比容许传递较大的力或力矩且同时具有尽量小的结构形式和小的磨损。
[0018]本发明的磁流变传动装置具有至少两个可接合的部件，它们的接合强度是能够受到影响的。为了影响该接合强度而设有至少一个通道。在通道内至少部分装有至少一种能够受磁场影响的、且含有大量可磁极化颗粒的磁流变介质。设有至少一个磁场产生机构，用以在该通道内产生至少一个磁场，以借助该磁场来影响通道内的磁流变介质。在该通道之内或之处设有至少一个转动体。该转动体和这些部件之间的自由间距是磁流变介质中的可磁极化颗粒的典型平均直径的至少10倍。在转动体和至少一个部件之间设有至少一个含有磁流变介质或磁流变介质形成的锐角区域。该通道或其至少一部分能够承受磁场产生机构的磁场，以便选择性地将至少一部分颗粒链化并与转动体楔紧或释放。
[0019]尤其是这两个部件能够选择性地且可控地相互接合。
[0020]术语“接合强度”在本申请的意义上是指两个部件之间的接合力和/或接合力矩。如果例如期望线性力传递，则接合强度对应于接合力。如果要传递转矩，则接合强度表示接合力矩。
[0021]优选可通过该场来改变磁流变介质的黏度，由此可以影响使可相对运动的部件和/或转动体相对运动所需要的排挤功。
[0022]“排挤功”也是指在相对运动时排挤出介质所需要的排挤力。
[0023]该至少一个转动体优选设置在所述两个部件之间。但也可行的是，其中一个部件以转动体的形式构成，它至少部分设置在该通道之处或之内。
[0024]本发明的磁流变传动装置有许多优点。本发明磁流变传动装置的一个令人吃惊的突出优点来自磁场产生机构的磁场在通道内的作用被显著加强。含有介质的锐角区域起到杠杆作用，因此仿佛是强力的机械杠杆传动机构，在此，杠杆显著地多倍加强磁场作用。由此，或是可以在作用保持相同的情况下减小磁场产生机构的场强，或是在场强保持相同的情况下加强磁场作用，甚至在场强减小的情况下显著提高作用。通过含有介质的锐角区域，该作用尤其在磁场作用于介质时提高了许多倍。尤其该磁场至少有时作用于含磁流变介质或者说磁流变介质形成的锐角区域。
[0025]由于转动体以相当大的自由间距相对该至少一个部件设置，所以可能出现肉眼可见的楔，其可用于传递强大的离合器力矩或制动器力矩。通过完全令人吃惊的作用倍增，可以显著节省结构体积。所利用的作用基于楔形成(聚团)，而不是仅多个颗粒的磁流变链化。形成楔的典型反应时间需要几毫秒，而多个颗粒根据MRF作用的链化已在约I毫秒内实现。楔形成对漫长许多的持续时间负责。这种作用的显著加强是出人意料的。较长的例如5、10或20毫秒的反应时间在许多应用场合中远远够用。
[0026]该通道也可以是中间腔或四面敞开的空间。
[0027]该通道的锐角区域是指这样的通道区，其因为转动体和部件的形状而在至少一个横截面中看上去近似呈锐角。该区域的多个侧边不一定是笔直的，它们也可以是弯曲的和/或有其它形状。此外，锐角区域限定了这样的通道部，在这里，转动体和部件尤其具有彼此间最小间距或相互接触，以及限定了相邻区域，在该相邻区域内转动体表面和部件表面相互远离。
[0028]在磁场作用下形成含有磁流变介质的锐角区域，此锐角区域中存在增大许多的黏度。
[0029]本发明容许良好的转矩/重量比，其可以大于100Nm/kg。
[0030]优选地，转动体通过相对至少一个部件的相对速度被带动转动。此时可行的是，转动体的周向速度等于相对于该部件的相对速度。但也可行的是，在其外表面上的转动体周向速度大于或小于该相对速度。尤其可行的是，在其外表面上的转动体周向速度小于转动体相对于该部件的相对速度。
[0031]该转动体基本上能围绕至少一个转动轴线旋转对称地构成。同样可行的是，转动体关于多个转动轴线旋转对称地构成。例如，该转动体能呈球或椭圆体状。也可行的是，该转动体呈圆柱体、滚珠或一般呈滚子状。尤其是大致圆柱体形的结构被证明是有利的，因为例如在圆柱体形转动体的情况下，在转动体整个宽度上形成含有介质的锐角区域，其因此基本呈楔形。在这个和其它的实施方式中，锐角区域呈楔形。
[0032]但该转动体无须旋转对称地构成。可以有利地使用具有椭圆形或蛋形横截面的转动体或者带有凹面的转动体如高尔夫球或者具有规则或不规则的凹陷和/或凸起的转动体。转动体的表面可以光滑地构成，但不一定如此。因为转动体未被用于部件的安放和相互支承，所以对称的和/或光滑的表面不是必需的。甚至具有粗糙表面和/或不规则表面的转动体可能是有利的，因为将加强楔作用。未出现更严重磨损是因为该转动体未被用于支承和传递负荷力。
[0033]该作用的加强不仅通过磁场加强或聚束实现，而且尤其通过聚集在转动体或滚子前的颗粒及其致密化来实现。因为有磁场，所以这些颗粒未散开，而是快速聚集成楔。楔可从外面简单地通过开关来控制。磁流变流体如MRF的一个优点是楔可通过磁场的消除而又松散开。利用磁场，可以无需机械运动或力传入地影响该楔。为了有目的地影响和可靠控制，以下做法被证明是有利的，转动体和部件之间的自由间距大于颗粒直径的多倍。
[0034]磁流变介质的颗粒直径尤其在I μ m?10 μ m之间。典型磁流变介质平均颗粒直径是颗粒直径的算数平均值，其大于最小百分比并小于最大百分比。一般，该值等于最大和最小颗粒直径的平均值，即在所选示例中等于5.5 μπι。但如果例如有很少量的更小颗粒，则该值不接近如此确定的典型平均直径。这适用于例如应包含具有10.5 μπι或11 μπι直径的多个颗粒。
[0035]转动体和部件之间的自由间距优选大于30 μ m且尤其小于300 μ m。颗粒典型平均直径优选为3 μπι?7 μπι。转动体和部件之间的自由间距优选大于70 μπι且尤其小于250 μ mD
[0036]本申请人保留要求对这样的磁流变传动装置提出保护的权利，其中转动体和部件之间的自由间距大于典型最大的可磁极化颗粒的直径。尤其是该自由间距大于典型最大的可磁极化颗粒的两倍直径，因此与在其它方面相同的上述本发明磁流变传动装置情况相比可以更小。
[0037]有利的是，该锐角区域在加有磁场时楔紧两个在无磁场时能自由相对运动的部件。为此不需要呈单独固定构件形式的机械楔体。
[0038]该锐角区域最好如此设置在转动体和一个部件之间，以使锐角区域在该部件的相对于转动体的相对运动方向上缩小。如果圆柱形转动体在一个部件的平面上滚动，则在转动体前形成楔形锐角区域。该介质内的颗粒的链化导致出现一个总体聚合的楔，其阻碍转动体相对于部件的相对运动。
[0039]特别优选的是，所述转动体、尤其是每个转动体作为在第一和第二部件之间的单独构件来构成。于是优选的是，其中一个部件作为外部件围绕作为内部件的另一个部件。例如一个(驱动)轴可作为部件设置。另一个部件或者说外部件例如可用于制动并