DE102004009725A1

DE102004009725A1 - Kupplungsmechanismus

Info

Publication number: DE102004009725A1
Application number: DE200410009725
Authority: DE
Inventors: Burkhard Schäfer; Herniu Michalski; Matthias Janke
Original assignee: Nacam Deutschland GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering Bremen GmbH
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: DE102004009725B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kupplungsmechanismus (1) zur variabel kraftschlüssigen Verbindung zwischen zwei relativ zueinander rotierbaren Bauelementen (2, 3), vorzugsweise für eine Lenksäulenverstelleinrichtung, bestehend aus einem Stator und einem relativ zum Stator rotierbaren Rotor (3), wobei Stator (2) und Rotor (3) mindestens einen Zwischenraum (4) bilden, in dem sich eine rheologisch aktive Substanz befindet, wobei weiterhin Mittel zum Erzeugen eines magnetischen und/oder elektrischen Feldes (7) in dem mindestens einem Zwischenraum (4) zwischen Stator (2) und Rotor (3) angeordnet sind, welche die Viskosität der rheologisch aktiven Substanz und damit den Kraftschluss zwischen Rotor (3) und Stator (2) je nach Feldzustand verändern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kupplungsmechanismus zwischen zwei relativ zueinander rotierbaren Bauteilen, vorzugsweise zur Verwendung in einer Lenksäulenverstelleinrichtung.
Solche Kupplungen dienen im allgemeinen zum Weiterleiten von Drehmomenten zwischen fluchtenden und nichtfluchtenden Wellen, beispielsweise als Verbindung zwischen einem Abtriebsstrang eines Motors und einem nachfolgenden Antriebsstrang einer Maschine oder auch als Verbindung zwischen einer Verstellspindel einer Lenksäulenverstelleinrichtung und dem Antriebsmotor. Beispiele solche Kupplungen sind die Gruppen der mechanischen, hydraulischen oder auch elektromagnetische Kupplungen.

Die hydraulischen Kupplungen haben den Vorteil, dass die Kraftübertragung, aufgrund des flüssigen Mediums, welches die Kräfte zwischen Antriebs- und Abtriebsstrang überträgt, relativ variabel sind. Solche hydraulischen Kupplungen sind beispielsweise als Drehmomentwandler bei Automatikgetrieben in Kraftfahrzeugen bekannt. Leider entsteht bei solchen Kupplungen ohne direkte mechanische Überbrückung ein gewisser Schlupf zwischen Antriebs- und Abtriebsseite und ihr Aufbau ist relativ aufwendig. Bei mechanischen Kupplungen ist es von Vorteil, dass ein formschlüssiger Kraftschluss zwischen dem Antriebs- und Abtriebsstrang erreicht wird, so dass eine nahezu verlustlose Kraftübertragung möglich ist. Allerdings ist ein Koppeln beziehungsweise Entkoppeln solcher mechanischen Kupplungen nur mit relativ hohem konstruktiven Aufwand realisierbar, auch ergeben sich bei den bekannten variablen Kupplungen Verschleißprobleme.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kupplungsmechanismus zu finden, der einerseits die Variabilität einer hydraulischen Kupplung aufweist und andererseits jedoch eine einfache Möglichkeit der vollständig kraftschlüssigen Drehmomentübertragung bietet. Insbesondere soll diese Erfindung für den Einsatz in Lenksäulenverstelleinrichtungen verwendbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfinder haben erkannt, dass die Anwendung einer magneto- oder elektro-rheologischen Flüssigkeit in einem Kupplungsmechanismus es ermöglicht, auf einfache Weise, nämlich durch einfaches An- und Abschalten eines magnetischen oder elektrischen Feldes, die Kraftübertragung zwischen zwei Wellen zu beeinflussen, indem ein Kupplungsmechanismus gebildet wird, welcher als einziges Verbindungselement zwischen einem Rotor und einem Stator eine rheologisch aktive Flüssigkeit verwendet. Hierbei kann durch An- und Abschalten eines magnetischen oder elektrischen Feldes, die Viskosität dieser rheologischen Flüssigkeit drastisch verändert werden, so dass bei gewählter niedriger Viskosität nur eine minimale Kraftübertragung stattfindet, während bei Einstellung einer hohen Viskosität, die im Extremfall auch zu einer Zustandsänderung von flüssig zu fest führt, nahezu eine formschlüssige Verbindung zwischen Antrieb- und Abtriebsseite ermöglicht wird.

Vorteilhaft ist hierbei auch, dass die Veränderung der Kraftübertragungssituation ohne jegliche mechanische Verstellung möglich ist und dadurch auf mechanische Verschleißteile weitgehend verzichtet werden kann.

Entsprechend diesem der Erfindung zu Grunde liegenden Gedanken, schlagen die Erfinder einen Kupplungsmechanismus zur variabel kraftschlüssigen Verbindung zwischen zwei relativ zueinander rotierbaren Bauteilen vor, bestehend aus einem Stator und einem relativ zum Stator rotierbaren Rotor, wobei Stator und Rotor mindestens einen Zwischenraum bilden, in dem sich eine rheologisch aktive Substanz befindet, wobei weiterhin Mittel zum Erzeugen eines magnetischen und/oder elektrischen Feldes in dem mindestens einen Zwischenraum zwischen Stator und Rotor angeordnet sind, welche die Viskosität der rheologisch aktiven Substanz und damit den Kraftschluss zwischen Rotor und Stator je nach Feldzustand verändern. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass unter einer rheologisch aktiven Flüssigkeit im Sinne der Erfindung ausschließlich Flüssigkeiten zu verstehen sind, die ihre Viskosität aufgrund eines angelegten elektrischen oder magnetischen Feldes signifikant verändern. Nicht darunter zu verstehen sind Substanzen, deren Viskosität ausschließlich aufgrund veränderlichen Druckes und veränderlicher Temperatur variiert. Zu den in Betracht zu ziehenden magneto- und elektro-rheologischen Substanzen gehören auch Substanzmischungen und Suspensionen, die beispielsweise durch den Einsatz von sogenannten Nano-Partikeln die gewünschte elektro- beziehungsweise magneto-rheologischen Eigenschaften erhalten.

Das bevorzugte Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Kupplungsmechanismus befindet sich hierbei im Bereich der Fahrzeugtechnik, insbesondere im Bereich der Lenktechnik. So kann der erfindungsgemäße Kupplungsmechanismus besonders vorteilhaft für eine Lenksäulenverstelleinrichtung verwendet werden. Eine solche Lenksäulenverstelleinrichtung ist beispielsweise aus der vom Anmelder eingereichten Patentanmeldung DE 196 41 152 A1 bekannt. Der Offenbarungsgehalt dieser Patentschrift wird vollinhaltlich übernommen. In dieser Patentschrift wird eine in Längsrichtung und bezüglich ihrer Neigung verstellbare Kraftfahrzeuglenksäuleneinheit offenbart, die mit einem einzigen Motor sowohl die Längsverstellung als auch die Neigungsverstellung verwirklicht. Hierzu ist es bei dieser Ausführung notwendig, über axialbeweglich gelagerte Spindelmuttern wechselweise ent weder den Verstellmechanismus für die Längsrichtung beziehungsweise den Verstellmechanismus für die Neigungseinstellung mit der Antriebseinheit zu koppeln, um diese unterschiedlichen Verstellmechanismen getrennt antreiben zu können.

Bei solchen Lenksäulenverstelleinrichtungen ist es also notwendig, eine möglichst variable Kupplung zwischen einem Verstellmotor und einer oder mehreren Antriebsspindeln zur Verstellung der Lenksäule zu erreichen, wobei möglichst weitgehend auf mechanisch bewegliche Teile innerhalb des Kupplungsmechanismus verzichtet werden soll. Durch die erfindungsgemäße Ausführung eines solchen Kupplungsmechanismus, der seine Kraftübertragungswirkung lediglich durch das Ein- und Ausschalten eines elektrischen oder magnetischen Feldes und die dadurch bedingte Viskositätsänderung einer in der Kupplungsvorrichtung befindlichen rheologisch aktiven Substanz verändert, lässt sich eine derartige Kupplungseinheit zwischen dem Antriebsmotor einer Lenksäulenverstelleinrichtung und der dort angebrachten Verstellspindel, die eine Längsverstellung beziehungsweise auch eine Neigungsverstellung erreicht, besonders gut einsetzen.

In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kupplungsmechanismus kann Stator und Rotor derart ausgebildet werden, dass zwischen ihnen mindestens ein Ringspalt entsteht, der bevorzugt auch mit Ein- und Ausbuchtungen ausgestattet ist. Ein solcher Ringspalt entsteht beispielsweise durch das Ineinanderfügen zweier im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Stator- und Rotoreinheiten. Werden zusätzlich auf den Oberflächen der zylindrischen Bauteile Ein- und Ausbuchtungen ausgebildet, so entsteht bei hoher Viskosität der rheologisch aktiven Substanz ein besonders guter Kraftschluss zwischen Rotor und Stator. Selbstverständlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, wenn zwischen Rotor und Stator nicht nur ein einziger sondern mehrere ineinander verschachtelte Ringspalte entstehen, so dass insgesamt die durch die rheologisch aktive Flüssigkeit benetzte Oberfläche und dadurch auch die Kraftübertragungen vergrößert werden.

Neben der Ausgestaltung des Zwischenraums zwischen Stator und Rotor als Ringspalt, besteht auch die Möglichkeit, Stator und Rotor derart auszuführen, dass der Zwischenraum zwischen ihnen scheibenförmig ausgebildet ist, wobei auch in dieser Ausbildungsform auf den begrenzenden Flächen des Zwischenraums Ein- und Ausbuchtungen angebracht sein können, um eine bessere Friktion zwischen Stator und Rotor zu erreichen.

In einer besonderen Ausführungsform kann der mindestens eine Innenraum zwischen Rotor und Stator durch ein Gehäuse nach außen abgedichtet sein, so dass die rheologisch aktive Substanz nicht nach außen gelangen kann.

Erfindungsgemäß kann der Kupplungsmechanismus so gestaltet sein, dass die rheologisch aktive Substanz direkten Kontakt mit den Oberflächen von Rotor und Stator erhält und somit auch die Hafteigenschaften zwischen den Oberflächen von Rotor und Stator einerseits und der rheologisch aktiven Substanz andererseits bei der Kraftübertragung mitspielen. Der erfindungsgemäße Kupplungsmechanismus kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass die rheologisch aktive Substanz keinen unmittelbaren Kontakt zu den Oberflächen von Rotor und Stator erhält und sich in einem flexiblen Mantel oder flexiblen Schlauch im Zwischenraum von Rotor und Stator befindet. Dabei wird Rotor und Stator mit zusätzlichen Ein- und Ausbuchtungen versehen, so dass bei hoher Viskosität, gegebenenfalls sogar einem Übergang in den festen Zustand der rheologisch aktiven Substanz, eine formschlüssige Verbindung zwischen Rotor und Stator erreicht wird. Grundsätzlich entspricht diese Ausführungsform einer Art in sich geschlossenen Peristaltikpumpe. In dieser Pumpe wird die rheologisch aktive Substanz in einem geschlossenen Schlauch umlaufend gepumpt. Durch das Anlegen eines Feldes erhöht sich die Viskosität gegebenenfalls bis zur Änderung des Aggregatszustandes und erhöht damit den Widerstand zwischen Rotor und Stator.

Bei dieser Ausführungsform mit einem Peristaltikschlauch kann es vorteilhaft sein, wenn die Ausbuchtungen von Rotor oder Stator zusätzliche Wälzkörper aufweisen, so dass mög lichst geringe Friktion zwischen den Ausbuchtungen und der Wandung des Schlauches beziehungsweise flexiblen Mantels entsteht. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Innenraum zwischen Rotor und Stator nicht speziell abgedichtet werden muss und trotzdem die rheologisch aktive Substanz nicht nach außen dringen kann.

Zur Erzeugung des magnetischen Feldes kann beispielsweise ein schaltbarer Elektromagnet dienen oder es können auch zwei gegeneinander verdrehbare oder verschiebbare Permanentmagnete vorgesehen werden, die je nach ihrer Ausrichtung das Feld in der rheologischen Flüssigkeit verstärken oder abschwächen und somit die Viskosität der rheologisch aktiven Substanz verändern.

Ist es notwendig zur Veränderung der Viskosität der rheologisch aktiven Substanz ein elektrisches Feld aufzubauen, so kann beispielsweise dieses elektrische Feld mit Hilfe eines Kondensators, beispielsweise durch einen Plattenkondensator, erzeugt werden, wobei die rheologisch aktive Substanz dann im Zwischenbereich zwischen den Kondensatorplatten angeordnet sein sollte.

Um eine möglichst hohe Wirksamkeit des erzeugten magnetischen Feldes zu erreichen, kann auf vorteilhafte Weise der Stator und/oder der Rotor und/oder das Gehäuse aus nichtmagnetisierbarem Material hergestellt sein. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Kunststoff handeln.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die Begriffe Rotor und Stator lediglich beschreiben, dass im Bezugssystem des Stators, in dem dieser naturgemäß statisch ist, der Rotor relativ hierzu rotiert. Wird ein anderes Bezugssystem gewählt, so können sowohl Rotor als auch Stator in rotierender Bewegung sein.

Es ist weiterhin darauf hinzuweisen, dass unter einer rheologisch aktiven Substanz ein Medium verstanden wird, welches durch das Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes seine Viskosität im Bereich mehrerer Millipascalsekunden [mPa s] verändern kann. Nicht darunter zu verstehen sind Substanzen, deren Viskosität sich im wesentlichen nur aufgrund von variablen Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Druck, ändert.

Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es stellen dar:
1: Kupplungsmechanismus mit rheologischer Flüssigkeit;
2: Peristaltikpumpenartiger Kupplungsmechanismus;
3: Anwendungsbeispiel für erfindungsgemäßen Kupplungsmechanismus an einer Lenksäulenverstelleinrichtung.
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kupplungsmechanismus 1 mit einer gesteuerten rheologischen Flüssigkeit. In dem dargestellten Beispiel befindet sich innerhalb eines Kupplungsgehäuses 2, welches als Stator fungiert und auf der Innenseite mit Ein- und Ausbuchtungen 9 versehen ist, eine Spindelmutter 3, welche ebenfalls auf ihrer Außenseite mit Ein- und Ausbuchtungen 9 versehen ist. Die Spindelmutter 3 sitzt auf einer Achse 6, die zusammen mit der Spindelmutter rotierbar gelagert ist. Zwischen Spindelmutter 3 und Kupplungsgehäuse 2 entsteht auf diese Weise ein Zwischenraum 4, in dem eine rheologisch aktive Flüssigkeit eingelagert ist, wobei je nach Viskositätszustand der rheologisch aktiven Flüssigkeit eine mehr oder minder starke Kopplung zwischen der Spindelmutter und dem Kupplungsgehäuse zustande kommt. Aufgrund der strukturierten Innenwandung des Kupplungsgehäuses mit Ein- und Ausbuchtungen 9 und der gegenüberliegenden Außenwandung der Spindelmutter 3, die ebenfalls mit sägezahnartigen Ein- und Ausbuchtungen versehen ist, kann durch die rheologische Flüssigkeit besonders gut ein Drehmoment zwischen Spindelmutter und Kupplungsgehäuse übertragen werden, da durch diese Struktur ein „Durchrutschen" der Gehäuseinnenwand beziehungsweise der Außenwand der Spindelmutter gegenüber der rheologisch aktiven Flüssigkeit erschwert wird.
Zur Steuerung der rheologisch aktiven Flüssigkeit dient ein am Kupplungsgehäuse angebrachter Schaltmagnet 7, welcher innenliegend über eine elektrisch betriebene Spule verfügt, die elektrisch gesteuert ein Magnetfeld innerhalb des Zwischenraumes 4 ein- und ausschalten kann, so dass hierdurch die Viskosität der rheologisch aktiven Flüssigkeit in gewünschter Weise verändert werden kann.
Eine ähnliche Ausführung eines Kupplungsmechanismus 1 ist in der 2 dargestellt. Diese zeigt ebenfalls ein Kupplungsgehäuse 2, welches als Stator fungiert und auf der Innenseite mit abgerundeten Ein- und Ausbuchtungen versehen ist. Konzentrisch zum Kupplungsgehäuse 2 ist eine Achse 6 vorgesehen, auf der sich wiederum eine Spindelmutter 3 befindet, wobei an der Spindelmutter 3 an zwei gegenüberliegenden Seiten- oder gegebenenfalls auch an mehreren, möglichst symmetrisch verteilten, Stellen-Rollen 8 angebracht sind. Diese Rollen 8 stehen über dem Radius der Spindelmutter 3 hervor und drücken in einen, mit rheologisch aktiver Flüssigkeit gefüllten, umlaufenden Schlauch, so dass eine peristaltikpumpenartige Funktion entsteht. Wird die Spindelmutter 3 mit den daran angebrachten Rollen 8 rotiert, so erfolgt ein umlaufender Transport der rheologisch aktiven Flüssigkeit innerhalb des umlaufenden Schlauches. Bei geringer Viskosität der Flüssigkeit kann dieser Transport nahezu ohne Widerstand erfolgen, während jedoch bei hoher Viskosität der rheologisch aktiven Flüssigkeit einen entsprechend hohen Widerstand erzeugt und eine starke Kopplung zwischen der als Rotor fungierenden Spindelmutter 3 und dem als Stator fungierenden Kupplungsgehäuse 2 erzeugt. Durch Variation der Feldstärke lässt sich die Viskosität stufenlos verändern und damit die Kopplung ebenfalls stufenlos einstellen. Gesteuert wird die Viskosität der rheologisch aktiven Flüssigkeit innerhalb des Schlauches 5 durch einen am Gehäuse angebrachten Schaltmagneten 7, der durch das Ein- und Ausschalten des Schaltmagneten die Adhäsionskräfte innerhalb der rheologisch aktiven Flüssigkeit drastisch verändern kann, beziehungsweise durch eine Regelung des Magneten variieren kann.
Obwohl der erfindungsgemäße Kupplungsmechanismus in vielerlei Anwendungsbeispielen Verwendung finden kann, ist jedoch ein besonders bevorzugtes Anwendungsbeispiel in der 3 dargestellt. Diese zeigt eine an sich bekannte Längssäulenverstelleinrichtung eines Kraftfahrzeuges in einer Seitenansicht. Beispielhaft können die erfindungsgemäßen Kupplungsmechanismen an den mit A und B bezeichneten Positionen angebracht werden, um über die dort vorgesehenen Kupplungsmechanismen zu einem Spindelantrieb eine elektrisch gesteuerte Drehmomentübertragung zwischen der innenliegenden Spindel 6 und dem Außengehäuse zu erzeugen. Gut erkennbar sind hierbei die zwei Schaltmagnete 7, die auf der Außenseite der Gehäuse angeordnet sind.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in den jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Erfindung zu bewirken.
Insgesamt wird also durch die Erfindung ein, bezüglich seiner Drehmomentübertragung variabel einstellbarer, Kupplungsmechanismus zwischen zwei relativ zueinander rotierbaren Bauteilen vorgeschlagen, in dem die Stärke der Kopplung zwischen den rotierenden Bauteilen durch Verwendung einer rheologisch aktiven Substanz und einem veränderlichem Feld bestimmt wird.

1: Kupplungsmechanismus
2: Stator/Kupplungsgehäuse
3: Rotor/Spindelmutter
4: Zwischenraum mit rheologischer Flüssigkeit
5: Schlauch mit rheologisch aktiver Flüssigkeit im Zwischenraum
6: Spindel/Achse
7: Schaltmagnet mit Spule
8: Rolle
9: Ein-/Ausbuchtungen

Claims

Kupplungsmechanismus (1) zur variabel kraftschlüssigen Verbindung zwischen zwei relativ zueinander rotierbaren Bauteilen (2, 3), vorzugsweise für eine Lenksäulenverstelleinrichtung, bestehend aus einem Stator und einem relativ zum Stator rotierbaren Rotor (3), wobei Stator (2) und Rotor (3) mindestens einen Zwischenraum (4) bilden, in dem sich eine rheologisch aktive Substanz befindet, wobei weiterhin Mittel zum Erzeugen eines magnetischen und/oder elektrischen Feldes (7) in dem mindestens einen Zwischenraum (4) zwischen Stator (2) und Rotor (3) angeordnet sind, welche die Viskosität der rheologisch aktiven Substanz und damit den Kraftschluss zwischen Rotor (3) und Stator (2) je nach Feldzustand verändern.
Kupplungsmechanismus gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zwischenraum (4) zwischen Stator (2) und Rotor (3) als Ringspalt (4), vorzugsweise mit Ein- und Ausbuchtungen, ausgebildet ist.
Kupplungsmechanismus gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zwischenraum (4) zwischen Stator (2) und Rotor (3) scheibenförmig, vorzugsweise mit Ein- und Ausbuchtungen (9), ausgebildet ist.
Kupplungsmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Innenraum (4) durch ein Gehäuse (2) nach außen abgedichtet ist.
Kupplungsmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die rheologisch aktive Substanz von einem flexiblen Mantel oder Schlauch umgeben ist.
Kupplungsmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein schaltbarer Elektromagnet (7) zur variablen Erzeugung eines magnetischen Feldes vorgesehen ist.
Kupplungsmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gegeneinander verdrehbare oder verschiebbare Permanentmagnete vorgesehen sind, die aufgrund ihrer Ausrichtung das Feld in der rheologischen Flüssigkeit verstärken oder abschwächen können.
Kupplungsmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur variablen Erzeugung eines elektrischen Feldes ein Kondensator vorgesehen ist.
Kupplungsmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Stator (2) und/oder Rotor (3) und/oder Gehäuse aus nichtmagnetisierbarem Material, vorzugsweise aus Kunststoff, bestehen.