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Vorrichtung zur Steuerung der relativen Bewegung oder Lage von zwei
arbeitsmäßig miteinander verbundenen mechanischen Elementen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Steuerung der relativen Bewegung oder Lage von zwei arbeitsmäßig
miteinander verbundenen mechanischen Elementen, bei welcher die Verbindung durch
Mittel erfolgt, welche keinerlei Abnutzung unterworfen sind und welche eine kontinuierliche
Regelung des Grades der Verbindung der Elemente gestattet.
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In dem Hauptpatent 973 130 ist vorgeschlagen worden, zur Beeinflussung
mechanischer Vorgänge, beispielsweise zur Kraftübertragung bei Kupplungen, als kuppelndes
Medium eine magnetisierbare Substanz, bestehend aus ferromagnetischen Teilchen,
wie z. B. Eisen, zu verwenden, bei welcher die Fließbarkeit mittels eines magnetischen
Feldes gesteuert wird. Die magnetisierbare Substanz kann lediglich aus ferromagnetischen
Teilchen, beispielsweise Eisenpulver, bestehen, es ist jedoch zweckmäßiger, ein
Trägermittel zu verwenden, beispielsweise ein Schmiermittel, wobei sich besonders
Öl als zweckmäßig erwiesen hat. Derartige Vorrichtungen gestatten eine kontinuierliche
Regelurig,
beispielsweise der Kupplung zweier Wellen vom entkuppelten Zustand bis zur Blockierung
beider Teile. Die Steuerung erfolgt lediglich durch die Regelung der Stromstärke
in einer Magnetisierspule, wobei der Kupplungsgrad momentan auf Änderungen der Stromstärke
reagiert.
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Es ist bei derartigen Kraftübertragungseinrichtungen, beispielsweise
Kupplungen, möglich., die Kupplung mit gewissem Schlupf laufen zu lassen. Die hierbei
entstehende Wärme wird durch die Bewegung des Kupplungsmediums, also der magnetisierbaren
Substanz, nach außen abgeführt. Die Kupplungswirkung beruht hierbei auf einer mehr
oder weniger starken Gleitwirkung der Substanz an den relativ zueinander beweglichen
Elementen.
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Eine Erhöhung der energieverzehrenden Wirkung der im vorstehenden
beschriebenen Vorrichtungen, wie sie insbesondere bei Bremsvorrichtungen, wie Bremszylindern,
Stoßdämpfern u, dgl., erwünscht ist, kann man mit einer Vorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung erzielen.
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Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Steuerung der relativen
Bewegung oder Lage von zwei ineinander angeordneten mechanischen Elementen vorgeschlagen,
wobei diese Vorrichtung aus einem ersten Element mit einem Behälter zur Aufnahme
einer zur Beeinflussung mechanischer Vorgänge dienenden magnetisierharen Substanz
aus ferromagnetischen Teilchen, wie z. B. Eisen, besteht und einem zweiten Element,
welches einen im Behälter und in der Substanz befindlichen Teil einschließt, der
derart ausgebildet ist, daß eine Bewegung dieses Elementes in der magnetisierbaren
Substanz eine Formveränderung dieser bewirkt. Ferner sind Mittel vorgesehen, um
ein magnetisches Feld zwecks Steuerung der Fließbarkeit oder Festigkeit der magnetisierbaren
Substanz anzuwenden. Die magnetisierbare Substanz besteht, wie eingangs bereits
gesagt, entweder lediglich aus ferromagnetischen Teilchen, beispielsweise aus Eisen,
also etwa Eisenpulver oder Eisenfeilspänen allein, oder aber aus solchen ferromagnetischen
Teilchen, die in ein Trägermittel eingemischt sind. Als Trägermittel dient eine
nicht magnetisierbare Substanz, beispielsweise Fett, Öl oder Maschinenöl.
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In den Fig. i bis 8 und der dazugehörigen Beschreibung wird die Erfindung
erläutert und an einigen Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt.
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Fig. i und 2 sollen zur Erläuterung der Wirkung der Erfindung dienen;
Fig.3 zeigt im Schnitt einen Kombinations-Bremszylinder bzw. eine Stoßdämpferanordnung;
Fig. ,4 stellt eine Abänderung der Lösung nach Fig. 3 dar; Fig.5 zeigt die Verwendung
der Erfindung bei einer Einstellvorrichtung; Fig.6 zeigt die Anwendung der Erfindung
bei einem Energieverbraucher, beispielsweise einer Bremsvorrichtung; Fi.g.7 zeigt
einen vergrößerten schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung
mit der Lage der einzelnen Eisenteilchen. Fig. S zeigt den Gebrauch der Erfindung
im Zusammenhang mit einer dreidimensionalen graphischen Vorrichtung.
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In Fig. i, 2 und 7 ist ein Magnet i gezeigt, welcher sich in einem
gewissen Abstand von einem Becher z befindet, in welchem sich eine Mischung, bestehend
aus Öl 3 und Eisenpulver 4 (erheblich vergrößert dargestellt), befindet, wobei die
Oberfläche der Mischung ungefähr die Lage einnimmt wie bei 3 ca gezeigt.
Die Fig. z zeigt das Ergebnis des Eintauchens des Magneten i in die Öle.isenmischung
in dem Becher 2. Wenn der Magnet entfernt wird, so hängt ein Klumpen der Mischung
4a an dem Pol des Magneten. Die Oberfläche der Mischung 3 ä in dem Becher 2 wird
gesenkt, und zwar durch die Entfernung des Materials .4a. Es ist für das Material
q.a charakteristisch, daß es, solange es dem Pol des Magneten i anhaftet, dem Ansehen
und Anfühlen nach so fest zu sein scheint wie das etwa der Konsistenz von Kitt entspricht.
Wenn das Material 4.a an der Kante des Bechers a. abgeschabt wird, so geht
es sofort wieder in das flüssige Stadium über, fließt an der Wand des Bechers herab
und mischt sich schnell mit der Eisenölmischung 3, :I.
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Die charakteristische Anziehung der magnetischen Flüssigkeitsmischung
durch magnetisierbare Flächen und die Fähigkeit dieser Mischung, die Viskosität
in übereinstimmung mit einer leicht zu handhabenden äußerlichen Steuerung eines
zur Anwendung gebrachten magnetischen Feldes zu ändern, macht sie besonders bedeutungsvoll
bei der Anwendung auf den Maschinenbau. Eine solche Anwendung ist, wie eingangs
gesagt, die bei Kupplungen, wo zwei gegeneinander versetzte Teile miteinander durch
die Wirkung dieses Materials abwechselnd miteinander verbunden oder außer Eingriff
gebracht werden.
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Magnetisierbare Flüssigkeiten, insbesondere solche, bei welchen eine
geringere Menge Eisen mit Quecksilber gemischt ist, sind bekannt. Es ist auch bekannt,
daß diese früheren magnetischen Flüssigkeiten so beschaffen waren, daß die physikalischen
Eigenschaften des Materials sich nicht unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes
änderten; solche magnetischen Flüssigkeiten waren lediglich dazu bestimmt, lagemäßig
auf den Einfluß eines in der Nähe liegenden Magneten anzusprechen. Andere Flüssigkeiten,
welche Eisenteilchen enthalten, sind benutzt worden, um Gußblasen in Stahlkörpern
anzuzeigen, aber in diesem Falle wurden sehr dünne Mischungen benutzt, derart, daß
die Eisenteilchen kaum sichtbar waren.
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Die Mischung, die bei der Erfindung angewandt wird, besteht aus kleinen
Teilchen paramagnetischeii oder ferromagnetischen Materials, welche mit einer flüssigen
Phase gemischt sind, welche eine Flüssigkeit sein kann oder ein kühlendes und gegen
Oxydationsmittel beständiges Gas, ja sogar ein halbfester Körper, z. B. Fett. Obwohl
jede solche Mischung geeignet ist zum Gebrauch bei der Erfindung, so ist es für
die Zwecke, die beschrieben worden sind, zweckmäßig, eine Mischung zu verwenden,
welche
ungefähr aus 9o Gewichtsprozent Eisenpulver und io'o/o leichtem Maschinenöl besteht.
Obgleich jedes Eisen- oder anderes magnetisches Pulver die gewünschten Effekte ergibt,
so wurden doch sehr gute Ergebnisse mit- Carbonyleisen erzielt, wie es von der General
Aniline and Film Company New York als »Carbonal Iron Powder« verkauft wird, von
dem die Qualität E mit 8 Mikromillimeter durchschnittlicher Größe als ganz besonders
geeignet festgestellt wurde. Die Mischung von go% Eisen und ioo/o 01 scheidet etwas
Öl ab, nachdem es sich über die Eisenteilchen unter Inaugenscheinnahme verteilt
hat. Die sich ergebende Permeabilität einer solchen Mischung ist etwa 8 im Vergleich
zu einem Vakuum.
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Bei Mischungen dieser Art bestehlt seitens des Eisens die Neigung,
sich aus dem 01 abzuscheiden, wenn die Mischung längere Zeit steht. Da die
Mischungen gewöhnlich in Maschinen zur Anwendung gelangen, stellt dies keine besonderen
Schwierigkeiten dar, weil die ersten Bewegungen der Maschine die Mischung genügend
durchschütteln. Es ist jedoch möglich, diese Neigung zum Absetzen zu verringern
oder auszuschalten, indem man eine Flüssigkeit von hohem spezifischem Gewicht verwendet
oder eine Flüssigkeit geringer Oberflächenspannung oder indem man 01 oder
ein Netzmittel zugibt, um diese zu verringern. Es wurde in der Praxis festgestellt,
daß die Verwendung eines Suspensionsmittels geringerer Viskosität, wie z. B. Kerosen,
eine bessere Fließbarkeit und leichteres Durcharbeiten der Mischung ermöglicht.
Andererseits wurde auch festgestellt, daß die Verwendung eines Suspensionsmittels
höherer Viskosität, z. B. Fett, den Vorteil bietet, daß die Mischung warm und flüssig
wird, wenn Energie in einer Vorrichtung verbraucht wird, welche die magnetisierbare
Substanz verwendet, daß sie jedoch sehr schnell beim Abkühlen dickflüssig wird und
auf diese Weise das Abscheiden der Eisenteilchen vermeidet. Fette mit scharfen Knicken
in ihren Viskositäts-Temperatur-Charakteristiken sind für solche Zwecke besonders
geeignet. Sofern niedere Temperaturen vorauszusehen sind, können Silikonflüssigkeiten
als flüssige Phase der Mischung verwendet werden; dies bietet auch den Vorteil geringer
Oberflächenspannung wo dies gewünscht wird.
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Während die goo/o-Eisen-io'o/o-01-Mischung, die oben beschrieben wurde,
für die erwähnten Anwendungen außerordentlich zufriedenstellend ist, so kann andererseits
der Anteil des Eisens wesentlich gesenkt werden, wenn geringere Viskositä:ten für
notwendig gehalten werden. Eine solche Verminderung des Eisenanteiles ergibt geringere
Haftkräfte gegenüber Körpern, welche in die itnagnetische Flüssigkeit eingetaucht
oder mit ihr in Berührung gebracht wurden, und zwar für jede gegebene in agnetomotorische
Kraft; aber durch die Anwendung starker magnetisierender Kräfte kann die Wirkung
der dünneren Mischung etwas ausgeglichen werden. Für Anwendungsgebiete, bei welchen
die Geschwindigkeiten und Bewegungsgrößen gering sind, können Mischungen mit bis
zu einschließlich iooo/o Eisen vorteilhaft verwendet werden. Da jegliches Eisenmaterial
die Neigung hat, zu einer festen unbeweglichen Masse zusammenzubacken, wird dieses
am besten da verwendet, wo die gewöhnlichen Arbeitsbedingungen darauf hinzielen,
die Masse in Bewegung zu halten.
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Fig. 3 zeigt einen Kombinationsbremszylind-er, bzw. eine Stoßdämpferanordnung,
bei welcher sich der Kolben 21 durch die magnetisierbare Substanz 22 in dem Zylindergehäuse
23 bewegt, wobei genügend Raum zwischen dem Kolben und der Wandung des Zylinders
vorgesehen ist, um die magnetisierbare Substanz 22 von der einen Seite des Kolbens
nach der anderen fließen zu lassen, während sich der Kolben in dem Zylinder mit
einem verzögerten Grad von Geschwindigkeit bewegt, welcher seinen Grund in der Anwesenheit
der magnetisierbaren Substanz hat. Es ist klar, daß unter sonst gleichen Bedingungen
der Grad der Geschwindigkeit der Bewegung des Kolbens in der magnetisierbaren Substanz
in dem Maße abnehmen wird, wie die Viskosität zunimmt und umgekehrt.
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Durch die Anwendung der magnetischen Mischung und Einwirkenlassen
eines magnetischen Feldes auf dieselbe mit Hilfe einer Spule, wie oben beschrieben,
kann die wirksame Viskosität der magnetisierbaren Substanz durch Änderung der Intensität
des magnetischen Feldes variiert werden, und das Ausmaß der wirksamen Verzögerung
oder Stoßaufnahme der Vorrichtung kann entsprechend von außen gesteuert werden ohne
die Verwendung mechanischer Kontrollorgane oder Elemente. Es ist offensichtlich,
daß der Zylinder 23 aus nichtmagnetischem Material bestehen kann. Wenn jedoch der
Zylinder aus magnetischem Material besteht, so sollte der Kraftlinienfluß zwischen
dem Kolben und der Zylinderwandung hindurchgeleitet werden. In diesem Falle wird
eine sehr erhebliche Verzögerungswirkung erzielt.
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Fig. 4 zeigt eine Abänderung der in Fig. 3 wiedergegebenen Lösung.
In dieser Figur trägt der Kolben 21 einen Rheos;tatenarm 27, welcher den Widerstand
des Rheostaten 26 verringert, wenn sich der Kolben abwärts bewegt. Dies vergrößert
den Strom und daher die Feldstärke; somit wird der wirksame Widerstand gegen die
Bewegung des Kolbens 2i eine Funktion des von ihm zurückgelegten Weges. Es ist klar,
daß durch dieses Verfahren und durch die Verwendung entsprechend gestalteter Vorschaltwiderstände
jede gewünschte Charakteristik erhalten werden kann.
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Fig. 5 zeigt die Verwendung der nnagnetisierbaren Substanz bei einer
Endeinstellungsvorrichtu g bzw. bei Zeigervorrichtungen, wie z. B. einem Teleskop,
einer Kamera u. dgl. Eine solche Vorrichtung, z. B. eine Kamera 41, kann auf einem
Stiel 42 befestigt sein, welcher eine Kugel 48 trägt, die sich in einem Behälter
mit magnetisierbarer Substanz befindet, so wie in den vorangehenden Beisspielen.
Es wird ferner ein Dreifuß 44 gezeigt, welcher die Kamera lose trägt, derart, daß
sie nicht
herabfallen und beschädigt werden kann, solange sich die
Mischung im flüssigen Zustand befindet. Der Behälter 42 kann im Falle von feststehenden
Vorrichtungen auf einer festen Unterlage befestigt werden oder er kann im Falle
von tragbaren Vorrichtungen von einem Stativ getragen werden. Im letzteren Falle
kann eine tragbare, lokale Batterie als Stromquelle verwendet werden. Der Rheostat
46 sorgt für die Einstellung der Mischung vom flüssigen bis zum festen Zustand.
Solange die magnetisierbare Substanz sich im flüssigen Zustand befindet, kann die
Kamera frei mit einer Hand bewegt werden, während man die andere Hand auf dem Rheostaten
läßt bis eine ungefähre Einstellung erzielt ist. Die Mischung wird dann teilweise
verfestigt und die Kamera genauer eingestellt, was sich als sehr leicht erweist,
weil die Kamera schnellen starken Bewegungen Widerstand leisten, aber ohne weiteres
ein kurzes Stück bewegt werden kann. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis die
Kamera die genaue Stellung hat, jetzt wird die Mischung verfestigt, um die Kamera
in der gewünschten Stellung zu halten. Es ist klar, daß diese Technik für eine große
Anzahl von Endeinstellungsvorrichtungen verwendbar ist. Es wird festgestellt werden,
daß sie eine beschränkte Bewegung der eingestellten Vorrichtungen gestattet, und
zwar in jeder Richtung, in der Ebene oder im Winkel, zwecks genauer Einstellung
derselben und darauffolgender Festeinstellung in der besagten Lage mit Hilfe einer
Kraft, welche in allen Richtungen gleichmäßig zur Anwendung gelangt ohne das geringste
merkbare Rütteln oder Verschieben.
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Fig. 6 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einem Energieverbraucher
bzw. auf eine Bremsvorrichtung. Die zu verbrauchende Energie wird über die Welle
51 und eine Rolle 52 sowie mit Hilfe des Bandes 53 und einer zweiten Rolle
54 auf ein Schaufelrad 55 übertragen, welches in einer magnetisierbaren Substanz
62 aufgehängt ist. Eine Spule oder eine Wicklung 63 wird wie oben mit einer steuerbaren
Stromquelle vorgesehen, um den Widerstand der Mischung 62 gegen Drehung des Schaufelrades
55 zu ändern und damit die Drehung bzw. den Energieverbrauch des letzteren zu steuern.
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Im vorstehenden sind nur einige wenige der vielen Anwendungen der
Erfindung genannt.
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Fig. 8 zeigt die Verwendung der Erfindung im Zusammenhang mit einer
dreidimensionalen graphischen Vorrichtung. Nadeln 71 werden in den Behälter einer
magnetischen Flüssigkeit 72 getaucht, welche durch ein magnetisches Feld gesteuert
wird, das durch die Wicklung 73 in der üblichen Weise erzeugt wird. Die Nadeln 71
werden von Hand so eingestellt, daß die Lage ihrer Köpfe eine dreidimensionale graphische
Darstellung jeder gewünschten Funktion ergibt. Jede Änderung der Funktionsgröße
kann durch die Änderung der Lage der Nadelköpfe 71 dargestellt werden; dies kann
von Hand aus geschehen, indem man die magnetische Mischung etwas zum Erweichen bringt
bis zu dem Punkt, wenn eine Nadel schnell herausgezogen und ihre Lage geändert werden
kann, ohne die Lage der übrigen Nadeln zu beeinflussen. Nachdem die Einstellungen
von Hand beendet sind, kann das Material wieder zum Erhärten gebracht werden, und
zwar durch Anwendung einer geeigneten magnetischen Feldstärke, und die neue Lage
kann dann unbegrenzt festgehalten werden.