Die Erfindung betrifft ein mechanisches Bauelement aus gegeneinander beweglichen, durch eine fluide organische Masse voneinander getrennten festen Körpern oder Teilen von Körpern, das es, gestattet, durch Änderung der ole- kularen Ordnung in der organischen Masse die zwischen den Körpern wirksamen Reibungskräfte zu verändern.

Die Bewegung fester Körper innerhalb von Maschinen sowie die Bewegung einer Maschine gegenüber einer festen Unter¬ lage werden mitbestimmt durch die Reibung, die zwischen den beteiligten Körpern jeweils anzusetzen ist. Dabei ist grundsätzlich zu unterscheiden, ob die Körper auf¬ einander gleiten oder aufeinander abrollen. Die Größe der Gleitreibung ist davon abhängig, ob die Körper direkt aufeinander gleiten oder vollständig durch ein Schmier- mittel voneinander getrennt sind. Im ersten Fall spricht man von trockener, im zweiten von flüssiger Reibung. Eine sog. halbflüssige Reibung tritt auf, wenn der Schmierfilm nicht vollständig ausgebildet ist. Gleitreibung erfolgt grundsätzlich auch in Wälzlagern zwischen den abrollenden Wälzkörpern und ihren Führungselementen.

Die Schmiervorgänge in Maschinen lassen sich bekannter¬ maßen in zwei Gruppen einteilen. Bei hydrodynamischer Schmierung entsteht die Tragfähigkeit in einem Schmier¬ film in einer Spaltform relativ großer Abmessung. Die Reibung wird dann primär von der Temper turabhängigkeit der Schmierstoffviskosität bestimmt. Bei elastohydro- dynamischer Schmierung wird aus einer zunächst linien-

oder punktförmigen Berührung zweier elastischer Körper ein sehr kleiner Schmierspalt gebildet. Die Abplattung im sog. Hertzschen Kontaktbereich zusammen mit der Zu¬ nahme der Viskosität des Schmierstoffes mit dem Druck führt dazu, daß sich die gegeneinander bewegenden festen Körper nicht oder kaum direkt berühren. In der bisheri¬ gen Praxis sind zur Erzeugung ausreichend hoher Viskosi¬ täten sehr hohe Drücke, im Bereich von 1 bis 40 kbar, notwendig. Dagegen sind die in hydraulichen Vorrichtun- gen angewendeten Drücke viel zu niedrig, als daß eine wesentliche Änderung der Viskosität des Hydrauliköls und somit auch die Bewegungsabläufe auftreten könnte. Die Druckverhältnisse in Schmierstoffen und in hydrau¬ lichen Ölen sind beschrieben (Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer-Verlag, Berlin).

Es ist elementar, die Reibungsverluste in Lagern durch die Wahl eines geeigneten Schmiermittels gering zu halten. Es sind heute eine Vielzahl flüssiger Schmierstoffe - zumeist sind es organische Verbindungen - in Gebrauch. Ebenso elementar ist es durch Auswahl der Werkstoffe für eine hohe Reibungskraft zu sorgen, wenn ein Kupplungs¬ oder Bremsvorgang ermöglicht werden soll. Die grundsätz¬ liche Möglichkeit, durch Variation der Viskosität die Funktion eines mechanischen Bauteiles zu ändern - etwa von der eines Gleitlagers in die einer Kupplung -, bie¬ tet die Elektrorheologie. Dabei wird die Viskosität in Schichten aus kolloidalen Lösungen durch ein angelegtes elektrisches Feld verändert (J.E. Stangroom, Electro- rheological Fluids, Phys. Technol., Bd. 14, S. 290-296 (1983)).

Manche organischen Verbindungen gehen beim Erwärmen nicht direkt von der kristallinen in die isotrop-flüssige Phase über, sondern durchlaufen innerhalb eindeutig begrenzter Temperaturbereiche eine oder mehrere zusätzliche Phasen.

Diese Phasen haben anisotrope physikalische Eigenschaften, wie es bei Kristallen beobachtet wird, sind aber zugleich fluide wie gewöhnliche isotrope Flüssigkeiten. Die von länglich geformten Moleküle gebildeten Phasen werden auch als rod-like oder calamitische Phase bezeichnet. Anders als in der völlig ungeordneten isotropen Phase herrscht hier eine Fernordnung der Orientierung. In den nemati- schen Phasen (Abk. N) bisher bekannter niedermolekularer Verbindungen können die Moleküle frei um ihre Längsachse rotieren. Eng verwandt mit der nematischen ist die chole- sterische Phase, die von optisch aktiven langgestreckten Molekülen gebildet wird oder die durch Zugabe von optisch aktiven Verbindungen zu nematischen Verbindungen erhalten wird. Für die vorliegende Erfindung sind cholesterische Phasen im Begriff der nematischen Phase eingeschlossen.

Durch intermolekulare Wechselwirkung können parallel aus¬ gerichtete stäbchenförmige Moleküle zu Schichten zusammen¬ gefügt und diese mit jeweils gleichen Abständen im Raum angeordnet werden. Diese Schichtstruktur ist typisch für die smektischen Phasen. Es können verschiedene smektische Phasen auftreten, die sich durch die Anordnung ihrer Bau¬ steine innerhalb der Schichten unterscheiden. Die Schwer¬ punkte der Moleküle innerhalb einer Schicht können stati¬ stisch (z.B. bei der S-- und der S _c -Phase) oder regelmäßig (z.B. bei der S_-Phase) angeordnet sein. Die Bezeichnung der Phasen erfolgte etwa in der Reihenfolge ihrer Ent¬ deckung. Man kennt heute die smektischen Phasen S _A bis S _R . Die Merkmale solcher calamitischer Phasen sind beschrie¬ ben (z.B. G.W. Gray, J.W. Goodby, Smectic Liquid Crystals, Leonard Hill, Glasgow (1984)). Flüssigkristalline Phasen können auch von tellerförmigen Verbindungen gebildet wer¬ den (sog. discoide Phasen). Die discoid-nematische Phase hat dabei die am einfachsten zu beschreibende Molekülan-

Ordnung. In den sog. discoid-columnaren Phasen sind solche Moleküle durch intermolekulare Wechselwirkungen in säulen¬ ähnlichen Anordnungen zusammengefaßt. Die Merkmale discoi- tischer Phasen sind beschrieben z.B. in Mol. Cryst. Lig. Cryst. 106, 121 (1984). Seit kurzem sind Verbindungen be¬ kannt geworden, die sog. phasmidischen Phasen, ebenfalls thermotrope flüssigkristalline Phasen, bilden (z.B. J. Mal- thete et al., J. Phys. (Paris) Lett. , Bd. 46, 875 (1985)). Thermotrope flüssigkristalline Phasen werden auch von Poly- meren und ihren Mischungen mit niedermolekularen Verbindun¬ gen gebildet (z.B. H. Finkelmannn in Thermotropic Liquid Crystals, John Wiley & Sons, New York (1987), S. 145-170). Die Ausnutzung der günstigen Viskosität innerhalb einer einzigen thermotropen flüssigkristallinen Phase für die Laufwerke von Uhren wurde bereits beschrieben (EP 0 092 389)

Es ist bekannt, daß die Übergänge zwischen den flüssig¬ kristallinen Phasen vom Druck abhängig sind (z.B. G.M. Schneider et al., Physica 139 & 140 B, 616 (1986)). Die Abhängigkeit der Umwandlungstemperaturen zwischen den verschiedenen Phasen gehorchen der bekannten Gesetz¬ mäßigkeit von Clausius-Clapeyron. Allgemein werden mit Druckerhöhung die Existenzbereiche der flüssigkristal¬ linen Phasen zu höheren Temperaturen verschoben. Die Reihenfolge des Auftretens der Phasen bleibt meistens unverändert, es kann jedoch vorkommen, daß eine druck¬ induzierte Phase hinzukommt. So sind die Übergangstempe¬ raturen z.B. für die Verbindung

H _g C ₄ - O -N=CH- 0 -CH=N- O ~C ₄ H _g

für Normaldruck S _F -S _C 160 °C, S _C -S _A 195 °C, S _A ~I 204 °C, für 250 bar S _F -S _C 171 °C, S _C -S _Ä 204 °C, S _A -N 206 °C und N-I 208 °C. Es ist ferner bekannt, daß sich die die Vis¬ kosität bestimmenden zwischenmolekularen Wechselwirkungen bei solchen Übergängen ändern.

In dem Begriff Phasenübergang sind im Sinne des erfindungs¬ mäßigen mechanischen Bauelements sog. Prätransitionale Phä¬ nomene (eng. pretransitional phenomena, beschrieben in: G. Vertogen, W.H. de Jeu, Thermotropic Liquid Crystals, Fundamentals, Springer-Verlag, Berlin 1988) eingeschlossen. Hierbei handelt es sich um Änderungen der molekularen Ord¬ nung und somit von physikalischen Eigenschaften bei Ände¬ rung des Druckes oder der Temperatur noch vor Erreichen des Phasenüberganges, etwa bei Druckerhöhung vor dem Er- reichen des Überganges von nematisch nach S_.. Von der Er- findung ist also ein mechanisches Bauelement erfaßt, das seine Reibungskraft durch eine herbeigeführte Änderung der Temperatur oder des Druckes in einer fluiden organi¬ schen Masse ändert, wenn diese Masse mindestens eine enan- tiotrope thermotrope flüssigkristalline Phase hat. Insbe¬ sondere ist ein solches Bauelement erfaßt, das bei Tempe¬ raturen betrieben wird, die 0,1 bis 30 °C oberhalb eines enantiotropen Überganges von einer flüssigkristallinen Phase in eine andere flüssigkristalline Phase oder von der isotropen Phase in eine flüssigkristalline Phase liegen.

Das erfindungsmäßige Bauelement erfordert die Herbeifüh¬ rung eines Temperatur- oder Druckunterschiedes. Die Exi- stensbereiche der beteiligten Phasen hängen neben dem Druck auch von der Temperatur ab, so daß Änderungen der Temperatur beim Betrieb berücksichtigt werden müssen.

Herkömmliche Schmierstoffe verändern ihre Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur bzw. vom Druck so gering¬ fügig, daß es sehr hoher Temperaturunterschiede oder Drücke bedarf, um eine günstigte Veränderung in den Rei¬ bungseigenschaften zu erhalten. Deshalb ist die Anwend¬ barkeit dieser Abhängigkeit auf mechanische Bauelemente - wie Wälzlager, Wälzkupplungen und Zahnradgetriebe - mit

relativ kleinen Berührungsflächen bei großen Andrück¬ kräften und hoher Elastizität der Werkstoffe der betei¬ ligten festen Körper begrenzt. Auch die elektrorheolo- gischen Flüssigkeiten sind bisher nicht einsetzbar, weil sie zur Sedimentation neigen. Ferner unterliegen die bewegten Maschinenteile einem Abrieb. Allgemein ist die Realisierung hoher elektrischer Feldstärken zwischen beweglichen, elektrisch leitenden Maschinen¬ teilen nicht einfach.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in technisch einfacher Weise die Änderung der zwischen zwei gegen¬ einander bewegten festen Körpern wirksamen Reibungs¬ kraft zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die gegeneinander beweglichen Körper eines me¬ chanischen Bauelements eine thermotrope flüssigkristal¬ line Masse oder eine zur Ausbildung einer oder mehrere thermotroper flüssigkristalliner Phasen befähigte Masse gebracht wird und durch Änderung der Temperatur- oder der Druckverhältnisse innerhalb dieser Masse ein Phasen¬ übergang zwischen verschiedenen thermotropen flüssig¬ kristallinen Phasen oder zwischen einer thermotropen flüssigkristallinen Phase und der isotropen Phase (Abk. I) herbeigeführt wird. Erschwert wird die Aufgabe dadurch, daß die Reibungskräfte, die sich in komplizierter Weise strömenden, anisotropen Medien einstellen, nicht voraus¬ berechenbar sind und nicht angebbar ist, welche der zahl¬ reichen Viskositätskoeffizienten der jeweils beteilig¬ ten Phasen hierfür ausschlaggebend sind.

Es wurde überraschend gefunden, daß sich erfindungsmäßige Vorrichtungen mit Verbindungen oder Mischungen von Ver¬ bindungen mit einem Phasenübergang von einer isotropen

zu einer smektischen Phase bzw. von einer discoid-colum- naren zu einer discoid-nematischen Phase verwirklichen lassen. Hier sind die Übergänge I-S.., I-S _Λ , I-S und o A C I-S„ bevorzugt. Besonders bevorzugt ist der Übergang I-S _R .

Es wurde ferner gefunden, daß sich erfindungsmäßige Vor¬ richtungen mit Verbindungen und Mischungen von Verbin¬ dungen mit einem Phasenübergang von der nematischen in eine smektische Phase realisieren lassen. Bevorzugt sind - Phasenübergänge N-S _ß und N-S... Besonders bevorzugt sind Verbindungen oder Mischungen mit einem Phasenübergang

_N -S _B :

Es wurde überraschend gefunden, daß sich erfindungsmäßige Vorrichtungen mit Verbindungen oder Mischungen von Ver¬ bindungen mit Phasenübergängen zwischen verschieden ge- ordneten smektischen Phasen herstellen lassen. Bevorzugt sind die Übergänge S _B ~ ^S _A und S--S.. Besonders bevorzugt ist der Phasenübergang S -S-.

Eingeschlossen in der vorliegenden Erfindung sind Bau¬ elemente, die sich die mehrfach abgestufte Änderung der Reibungskraft zunutze machen, wenn bei steigender oder fallender Temperatur bzw. bei steigendem oder fallendem Druck in der fluiden Schicht mehrere Phasenumwandlungen hintereinander durchlaufen werden. Durch Auswahl der eingesetzten Verbindungen und die Wahl ihrer Anteile in Mischungen können Phasenfolge und Temperatur- bzw. Druckintervalle der Phasen in weiten Bereichen einge¬ stellt werden. Bevorzugte Phasenabfolgen bei steigendem Druck sind N-S _A -S _ß , I-S _A -S _ß , N-S _c -S _ß , I-S _c -S _ß , l-s _A -S _c -

^S B' ^N - ^S A- ^S C- ^S B ^{Und N} - ^S A- ^S C ^"S G-

Es wurde ebenfalls gefunden, daß sich erfindungsmäßige Vorrichtungen herstellen lassen, wenn die zwischen zwei gegeneinander beweglichen Körper befindliche organische

Massen aus Verbindungen oder Mischungen von Verbindungen besteht, die einen Phasenübergang von einer isotropen oder discoid-nematischen Phase zu einer discoid-colum- naren Phase haben. Bevorzugt sind dabei Verbindungen oder Mischungen mit Übergängen von einer isotropen zu einer discoid-columnaren Phase.

Ebenfalls eingeschlossen in der vorliegenden Erfindung sind Vorrichtungen, deren fluide organische Massen aus Verbindungen oder Mischungen aus Verbindungen bestehen, die sog. calamitische oder discoide Reentrant-Phasen bilden, also bei Temperatur- bzw. Druckerhδhung z.B. die Phasenabfolge N-S.-N oder N-S.-I durchlaufen, wobei der Existenzbereich z.B. der S _A -Phase oberhalb des Druck¬ intervalls einer nematischen Phase liegt. Die Existenz solcher Flüssigkristalle ist beschrieben (z.B. L. Longa, W.H. de Jeu Phys. Rev. A26 1632 (1982)).

Es wurde auch gefunden, daß sich erfindungsmäßige mecha¬ nische Bauelemente mit Verbindungen der Formel I

1 1 1 2 2 3 3 2 IT-A-(Z ^X A ^X ) _-(Z^A ) _m -(Z ^J A ^"3 ) _n -R

worin

R 1 und R2 jeweils eine unsubstituierte oder substi•tui•erte

Alkylgruppe mit 1 bis 18 C-Atomen, worin auch eine oder zwei benachbarte CH--Gruppen durch

-O-, -CO-, -CHOH-, -CHCN-, -OOC-, -COO-, -CH=CH- und/oder -C≡C- ersetzt sein können, eine Per- fluoralkylgruppe mit 1 bis 12 C-Atomen, worin auch eine oder zwei CF-Gruppen durch -O-, -CHF-, -CH ₂ - und/oder -CHOH- und/oder eine CF_-Gruppe durch -CF_H oder -CH-OH ersetzt sein können,

2 R auch H, F, Cl, -CN oder -COOH,

A, A ¹ ,

A 2, A3 j.ewei.ls unsubsti.tui.ertes oder durch ein bis zwei CN-Gruppen, F- oder Cl-Atome substituier- tes 1,4-Phenylen, worin auch eine oder zwei

CH-Gruppen durch N-Atome ersetzt sein können,

1,4-Cyclohexylen, worin auch eine oder zwei

CH -Gruppen durch O-Atom oder CHF- oder CF ₂ ~

Gruppen ersetzt sein können und l,4-Bicyclo[2. 2.2]octylen,

z ¹ , z ² .

Z ³ jeweils -CH ₂ CH ₂ ~, -CH ₂ 0-, -OCH ₂ ~, -COO-, -OOC-, -CH ₂ CF ₂ -, -CF ₂ CF ₂ -, -CH=N-, -CH=CH-, -C≡C- oder die Einfachbindung und

1, m, n jeweils 0 oder 1

bedeuten, sowie Mischungen von Verbindungen der Formel I oder Mischungen, die vorwiegend aus Verbindungen der For¬ mel I bestehen, herstellen lassen.

Die Bedeutung der Abkürzungen R 1, R2, A, A1, A2, A3, Z1, Z 2, m und n ist die oben aufgeführte. Die ringförmigen Strukturelemente der Formel I, A, A 1, A2 und A3 werden wie folgt vereinfacht: PE steht für eine 1,4-Phenylen- gruppe, CY für eine 1,4-Cyclohexylengruppe und BO für eine 1,4-Bicyclo[2.2.2]octylengruppe.

Die Verbindungen der Formel I umfassen also Verbindungen der Teilformeln Ia, Ib, Ic und Id

R^-A-R ² la

1 1 1 2

R -A-Z -A -IT Ib

1 1 1 2 2 2

R -A-Z -A -Z -A -IT IC

1 1 1 2 2 3 3 2

R -A-Z -A -Z -A -Z -A -IT Id

Besonders bevorzugt sind Verbindungen der Formel Ib. In den Formeln Ib bis Id bedeuten die Gruppen Z 1 und Z2 vor¬ zugsweise Einfachbindungen oder -CR-.CH»-.

Die Verbindungen der Formel la umfassen die bevorzugten Teilformein Iaα und laß:

R -PE-R ² Iaα

R^-CY-R ² laß.

Formel Ib umfaßt die bevorzugten Teilformeln Ibα bis Iby:

R-^PE-Z^-PE-R ² Ibα

R^-CY-Z^ ^' -CY-R ² Ibß R ¹ BO-Z ¹ -BO-R ² Ibγ.

Darunter sind die Verbindungen der Teilformel Ibß be¬ sonders bevorzugt.

Die Verbindungen der Formel Ic umfassen die der bevor¬ zugten Teilformeln Icα bis Ic&

R ¹ -CY-Z ¹ -PE-Z ² -PE-R ² Icα

R ¹ -PE-Z ¹ -CY-Z ² -PE-R ² Icß

R ¹ -CY-Z ¹ -PE-Z ² -CY-R ² Icγ

R ¹ -PE-Z ¹ -PE-Z ² -PE-R ² Icδ

R ¹ -CY-Z ¹ -CY-Z ² -PE-R ² Icε R ¹ -CY-Z ¹ -CY-Z ² -CY-R ² Ic»

Darunter sind die Verbindungen der Teilformeln Icα, Icß und Icγ besonders bevorzugt.

Die Verbindungen der Formel Id umfassen die bevorzugten Teilformein Idα bis Idδ:

R ¹ -PE-Z ¹ -PE-Z ² -PE-Z ³ -PE-R ² Idα

R ¹ -CY-Z ¹ -PE-Z ² -PE-Z ³ -PE-R ² Idß

R ¹ -CY-Z ¹ -PE-Z ² -PE-Z ³ -CY-R ² Idy

R ¹ -CY-Z ¹ -CY-Z ² -CY-Z ³ -CY-R ² Idδ

Darunter sind die Verbindungen der Teilformel Idß beson¬ ders bevorzugt.

Die Reste R 1 und R2 sind vorzugsweise Alkyl und Alkoxy, für R 2 sind außerdem die Carbonitπlgruppe und die Car¬ bonsäuregruppe bevorzugt.

A, A 1, A2 und A3 si.nd vorzugsweise CY, PE oder BO. Die Alkylreste in den Resten R 1 und R2 können unverzweigt oder verzweigt sein. Vorzugsweise sind sie unverzweigt und bedeuten Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl,

Heptyl, Octyl, Nonyl, Decyl, Undecyl, Dodecyl, Tridecyl,

Tetradecyl, Pentadecyl, Hexadecyl, Heptadecyl oder Octa- decyl.

Die Verbindungen der Formel I sind teilweise bekannt, teilweise noch neu. Sie werden nach allgemein bekannten Methoden oder in Analogie zu diesen Methoden hergestellt. Sie sind beispielsweise der Reihe Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, zu entnehmen.

Verbindungen der Formel I können eines oder mehrere asym¬ metrische C-Atome enthalten. In diesem Fall werden von der Formel I neben optisch aktiven Enantiomeren auch Enan- tiomerengemische und Racemate umfaßt.

Es wurde ebenfalls gefunden, daß sich ein mechanisches Bauelement mit veränderbarer Reibungskraft herstellen läßt, wenn zwischen die beweglichen Körper eine Masse gebracht wird, die mindestens eine Verbindung der For- mel II enthält,

worin

R_ bis R ₀ unabhängig voneinander H, F, Cl, eine substi- tuierte oder unsubstituierte Alkylgruppe mit 1 bis 18 C-Atomen, worin auch eine oder zwei nichtbenachbarte CH_-Gruppen durch -O-, -CO-,

-COO- oder -CF ₂ ~ ersetzt sein können, bedeuten.

Die Reste R_ bis R _fl in Formel II sind vorzugsweise Alka- noyloxy, Alkoxy oder Alkyl.

Ein vorteilhafter Weg zu den Truxen-Derivaten der Formel II führt über geeignete Indan-1-one (C.R. Acad. Sei. Ser. C,

287, 545 (1978)). Die Verbindungen der Formel II sind teil¬ weise noch nicht beschrieben. Sie werden nach diesem Syn¬ theseweg und sonst allgemein bekannten Methoden herge¬ stellt. Diese sind beispielsweise der Reihe Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, zu entnehmen.

Die an sich stabilen Verbindungen der Formel I und II können zur Verlangsamung von Autoxidationsreaktionen, die bei Luftzutritt in bei hohen Temperaturen betriebenen mechanischen Bauelementen stattfinden, bis zu 1 Gewichts- prozent eines Antioxidants, wie Hydrochinon oder 2,6- Di-tert.-butyl-4-methylphenol enthalten.

Die Verbindungen der Formel I bzw. II werden als Einzel¬ substanzen oder als Mischungen aus Verbindungen der For¬ meln I bzw. II verwendet.

Geeignete Mischungen enthalten 2 bis 10, vorzugsweise

2 bis 5 Verbindungen der Formel I und/oder II. Ebenfalls geeignete Mischungen können neben einer oder mehreren Verbindungen der Formel I bzw. II weitere Komponenten enthalten. Solche Mischungen enthalten 5 bis 99,9 Ge- wichtsprozent, vorzugsweise 30 bis 95 einer oder mehrerer Verbindungen der Formel I bzw. II. Die zusätzlichen Kom¬ ponenten solcher Mischungen können cyclische und nicht- cyclische Kohlenwasserstoffe, die einen bis fünf gleiche oder verschiedene Reste aus der Gruppe

-OH, -F, -Cl, -CN,

enthalten oder unsubstituiert sind, flüssigkristalline Haupt- oder Seitenkettenpolymere oder die o.g Antioxi- dantien sein.

Bevorzugt sind Verbindungen, die enantiotrop oder mono- trop discotische Phasen ausbilden. Hierzu gehören sechs¬ fach substituierte Derivate des Benzols, sechsfach sub¬ stituierte Derivate des Triphenylens, sechsfach substi¬ tuierte Derivate des Cyclohexans und Phthalocyanin- Derivate.

Günstig für die Anwendung von Verbindungen der Formel I bzw. II und ihren Mischungen in dem erfindungsmäßigen Maschinenelement ist die Tatsache, daß die Übergänge zwischen verschiedenen flüssigkristallinen Phasen sowie zwischen flüssigkristallinen Phasen und der isotropen

Phase mit nur geringen zeitlichen Verzögerungen erfolgen. Metastabile Phasen durch Unterkühlung, wie sie beim Über¬ gang von der flüssigen zur kristallinen Phase nichtmeso- morpher Verbindungen auftreten, können also ausgeschlossen werden, wenn die Anordnung oberhalb der Kristallisations¬ temperatur betrieben wird. Diese Temperatur kann durch Verwendung ^' von eutektischen oder nichteutektisehen Mi¬ schungen von Verbindungen mit flüssigkristallinen Phasen ausreichend tief eingestellt werden. Ein weiterer günsti- ger Aspekt ist, daß bei den Phasenübergängen isotrop - flüssigkristallin oder flüssigkristallin - flüssigkri¬ stallin im Vergleich zu den Schmelzenthalpien nur geringe Übergangsenthalpien anzusetzen sind.

Die Wahl der Wärmezu- bzw. Wärmeabfuhr hängt von der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb einer Maschine ab. Die Übertragung von Wärmeenergie von der Oberfläche der metallischen oder nichtmetallischen gegeneinander beweglichen Körper auf die fluide Schicht kann durch Konvektion mittels einer Flüssigkeit oder einem Gas erfolgen. Möglich ist ferner die Wärmezufuhr durch elektrische Widerstandsheizung, durch elektro¬ magnetische Wellen, wenn mindestens einer der gegenein¬ ander beweglichen Körper transparent ist, oder durch ein elektrisches Wechselfeld zwischen zwei elektrisch leitenden Körpern erfolgen. Die Abführung von Wärme¬ energie aus der fluiden Schicht kann durch eine Kühl¬ flüssigkeit oder ein Gas erfolgen. Auch die Abführung durch Wärmestrahlung allein ist möglich. Darüberhinaus kann in besonderen Fällen Wärmeenergie durch Peltier- Elemente abgeführt werden.

Wird in der unterhalb der jeweiligen Umwandlungstemperatur befindlichen Schicht ausreichende Reibungswärme erzeugt und dabei für eine schlechte Wärmeabführung gesorgt, so erfolgt die Phasenumwandlung ohne Heizung.

Die in der flüssigkristallinen Masse eines erfindungs¬ mäßigen Maschinenelements auftretenden Reibungskräfte hängen von der Ausrichtung der Moleküle gegenüber der Richtung der Bewegung der festen Körper des Elements ab. Diese Ausrichtung kann durch Vorbehandlung der Körper- Oberflächen durch Reiben in einer Vorzugsrichtung oder durch Aufbringen einer dünnen Schicht aus einem orga¬ nischen oder anorganischen Material beeinflußt werden.

Das erfindungsmäßige Maschinenelement kann als Kupplung, Bremse, mechanische Überlastungssicherung, hydraulisches Dämpfungselement oder Element zur hydraulischen Kraft¬ übertragung (die beiden letzteren Maschinenelemente lassen sich unter dem Begriff hydraulische Vorrichtung zusammenfassen) verwendet werden. Ebenso ist eine Ver¬ wendung als Gleitlager mit einer für den vorgesehenen Anwendungszweck einstellbaren Abhängigkeit der Verlust¬ reibung von der Temperatur möglich. Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Einsparung von mechani¬ scher Energie, weil bei niederen Drehfrequenzen in einem Radial- oder Axiallager-eine hohe effektive Viskosität und somit eine niedrigere Übergangsdrehfrequenz n^ von der halbflüssigen Reibung zur flüssigen Reibung gewählt werden kann. Wird die Drehfrequenz erhöht, so kann die Temperatur durch die Reibungswärme allein oder durch zusätzliche Zuführung von Wärmeenergie so weit ange- hoben werden, daß ein Übergang zu einer Phase mit einer niedrigeren effektiven Viskosität erfolgt. Die Zusammen¬ hänge zwischen Reibungsverlust, Viskosität und n _ü sind bekannt (R. Stribeck, VDI-Zeitschr. Bd. 46, S. 1341 (1902)).

In einem erfindungsmäßigen Maschinenelement kann bei An¬ hebung des statischen Druckes im Schmierspalt eines Gleit¬ lagers oder zweier gegeneinander beweglicher Metallschei¬ ben durch drastische Viskositätszunahme - etwa bei einem Phasenübergang von nematisch nach S_, - eine Bremswirkung erzielt werden. Hierbei kann der statische Druck in der organischen Masse von außen durch einen zusätzlichen Hydraulikkolben verändert werden. Voraussetzung ist die genügende Abdichtung des von der organischen Masse ein- genommenen Raumes. Die Bremsleistung eines solchen Bau¬ elements wird mitbestimmt durch die Wärmeabführung aus dem Schmierspalt.

Die Verwendung des erfindungsmäßigen mechanischen Bau¬ elements als Kupplung ist auf die gleiche Weise reali- sierbar.

Eingeschlossen in die Erfindung ist ein mechanisches Bau¬ element, in welchem die Bewegungsabläufe durch die Druck¬ abhängigkeit der Viskosität eines zu transportierenden Mediums mitbestimmt werden. Hierbei ermöglicht der Ein- satz eines organischen Mediums mit einem oder mehreren druckabhängigen Übergängen zwischen flüssigkristallien Phasen oder einer flüssigkristallinen Phase und der iso¬ tropen flüssigen Phase die Herstellung eines hydrau¬ lischen Dämpfers, der Lasten aus sehr unterschiedlichen Größenordnungsbereichen aufnehmen kann, wobei je nach Phasenzugehörigkeit verschiedene Dämpfungskonstanten anzusetzen sind. Die Temperatur durch die Kompressions¬ arbeit an der fluiden organischen Masse ist für die Praxis von untergeordneter Bedeutung.

Ein erfindungsmäßiges mechanisches Bauelement ermöglicht die Herabsetzung von Verschleiß bei der reibschlüssigen Übertragung von Kräften. Hierbei wird die Tatsache aus¬ genutzt, daß bereits bei relativ geringen Anpreßdrücken

eine Erhöhung der Viskosität und somit ein Übergang von Mischreibung zu Flüssigkeitsreibung auftritt, wenn bei Druckerhöhung ein Phasenübergang von nematisch oder iso¬ trop nach S _ß oder S _E erfolgt. Der Einsatz von Verbin- düngen der Formel I und ihren Mischungen in dem erfin¬ dungsmäßigen mechanischen Bauelement stellt eine Ver¬ besserung von Getrieben dar, die sog. Traction-Fluids verwenden (vgl. O. Dittrich, VDI-Berichte 680, S. 201- 219 (1988)).

Die Verbindungen der Formel I bzw. II und ihre Mischungen benetzen Metalloberflächen und Keramikoberflächen in aus¬ gezeichneter Weise.

Ein erfindungsmäßiges mechanisches Bauelement kann als Visko-Kupplung (W. Peschke, SAE Technical Paper Series, Nr. 860 386, Detroit (1986)) verwendet werden, wenn durch Druckerhöhung während des Kupplungsvorganges trotz der eintretenden Temperaturerhöhung gegenüber dem aus¬ gekuppelten Zustand eine Viskositätszunahme oder auch eine nur geringe Viskositätszunahme erfolgt. Auf diese Weise können auch die Nachteile, die sich aus der Ver¬ wendung der schlecht benetzenden Silkonöle ergeben, ver¬ mieden werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Herbeiführung einer Änderung der zwischen zwei gegeneinander bewegten festen Körpern wirksamen Reibungs¬ kraft.Ein erfindungsmäßiges Maschinenelement zeichnet sich durch besonders einfachen und störungsunanfälligen Aufbau aus und benötigt keine, den Verschleiß fördernde kolloidalen Lösungen. Ferner läßt sich mit ihm eine be- trächtliche Energieeinsparung erzielen. Die Verbindung

der Formel I bwz. II und die mit ihnen hergestellten Mischungen sind hierzu wegen ihrer Stabilität und der Möglichkeit, mit ihnen innerhalb weiterer Temperatur¬ bereiche geeignete Phasenübergänge einzustellen, her- vorragend geeignet.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu begrenzen. Das Reibungsmoment (Reibungskraft • Hebelarm) ist dasjenige Drehmoment in N ♦ m, das aufge¬ wendet werden muß, um eine bestehende Drehbewegung auf- rechtzuerhalten. Seine Bestimmung erfolgt über die Messung der Verlustleistung in der dem Fachmann bekannten Weise.

Beispiel 1

Ein mechanisches Bauelement (Fig. 1), dessen Funktion wahlweise die eines Gleitlagers oder die einer effekti- ven Bremse sein kann, besteht aus einer ummantelten und temperierbaren Schliffhülse (1) aus Duranglas und einer auf einer Länge von 70 mm geführten Welle (2) mit einem Durchmesser von 10 mm, ebenfalls aus Duranglas (Herstel¬ ler Schott Glaswerke, Mainz). Die Welle wird über ein Stück dickwandigen Gummischlauch (3) mit einem Antriebs¬ aggregat verbunden (in Fig. 1 nicht aufgeführt), das mit einer Meßvorrichtung ausgestattet ist, die die auf das Maschinenelement entfallende Verlustleistung in Abhängig¬ keit von der Drehfrequenz der Welle zu messen gestattet. (4) ist eine Haltevorrichtung. Vor Inbetriebnahme werden die getrennten Schliffelemente mit heißer Luft erwärmt und mit einer ausreichenden Menge von

trans,tranε-4-Ethoxy-4'-butyl-bicyclohexyl (Übergang S _ß nach isotrop bei 51 °C)

bestrichen, so daß sich beim Zusammenführen ein luftbla¬ senfreier Film auf der gesamten Reibungsfläche bildet. Durch den Mantel wird Paraffinöl mit einer Temperatur von 56 °C geleitet und die Welle mit 1 Hz gedreht. Das

Reibungsmoment der Gleitvorrichtung ergibt sich zu 4 ^« 10 -4 N-m. Nun wird Paraffinöl mit einer Temperatur von

44 °C mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 ml«s~ eingespeist. Nach 30 s wird ein Reibungsmoment von 2«lθ ^" N«m gemessen. Nach Anheben der Öltemperatur auf 56 °C stellt sich der ursprüngliche Wert des Reibungs¬ momentes wieder ein. Analog werden verwendet (Angabe der Temperaturen, die zur Änderung des Reibungsmomentes durchlaufen werden müssen, in °C):

trans,trans-4-Methoxy-4'-pentyl-bicyclohexyl 29 trans,trans-4,4'-Dipentyl-bicyclohexyl 110 trans,trans-4-(2-Cyanoethyl)-4 ^• -pentyl- bicyclohexyl 30/109 trans,tranε-4-(2-Cyanobutyl)-4'-pentyl- bicyclohexyl 80

^C 5 ^H 11

4,4'-Dipent -y0l-bip- O C ₅ H _n

henyl 52

4-Heptyl-4*-propyl-biphenyl 51

4-Hexyl-4'-hexyloxy-biphenyl 68/ 84

4'-Octyloxy-biphenyl-4-carbonsäureethylester 88/ 96/112

4-Pentyl-4'-(propinyl)-l-biphenyl 83

4'-Decyl-biphenyl-4-carbonsäure 247

^C 5 ^H 11 -o- ^CH2CH2 - " ^C5Hl1

1,2-Bis[trans-4-pentylcyclohexyl]ethan 109 l,2-Bis[trans-4-ethylcyclohexyl]ethan 29

4,4'-Diethyl-bicyclo[2.2.2]octan 209

4-trans-(4-Pentylcyclohexyl)-2-hydroxyethyl- benzol 59/ 73

4-Hexylphenyl-4-trifluormethoxybenzoat 110

4-Heptadecafluoroctylphenyl-4-cyanophenyl- benzoat 145

1,2-Bis[4-butylphenyl]cyclohexan 107 l,2-Biε[4-dodecylphenyl]cyclohexan 109

^C 5 ^H ll-<^-° ^CH 2-<^- ^CH 2°-< ^)- ^C 5 ^H ll

trans-1,4-Bis[4-pentylphenoxymethyl]cyclohexan

4,4'-Bis[trans-4-pentylcyclohexyl]biphenyl 247/275

Beispiel 2

Ein Gemisch aus 64,5 Gew.% 4,4'-Dipentyl-bicyclo[2.2.2]- octan und 35,5 Gew.% l,2-Bis[trans-4-pentylcyclohexyl]- ethan hat eine Übergangstemperatur von 168 °C zwischen einer S ₀ - und einer I-Phase und kann in der in Bei- spiel 1 beschriebenen Weise zur thermischen Änderung des Reibungsmomentes herangezogen werden.

Beispiel 3

Ein Gemisch aus 42,2 Gew.% 4'-Hexyloxy-biphenyl-4-carbo- nitril und 57,8 Gew.% 4-(trans-4-Octylcyclohexyl)-l-(2- cyanoethenyl)benzol durchläuft beim Abkühlen die Phasen- folge N-S..-N. In einem mechanischen Bauelement nach Bei¬ spiel 1 wird unterhalb von 19 °C ein kleineres Reibungs¬ moment gemessen als oberhalb dieser Temperatur.

Beispiel 4 -----

Ein hydraulischer Dämpfer, bestehend aus einem oben und unten in der in Fig. 2 gezeigten Weise begrenzten Zylin¬ der (1) mit einem lichten Durchmesser von 10 mm und einem in der aufgeschraubten kreisringförmigen Abdeckung (2) sowie an der Zylinderwand geführten 8 mm langen Kolben (3), der zwei die beiden Zylinderräume verbindende Boh- rungen (4) von je 0,5 mm Durchmesser hat, wird fast voll¬ ständig mit der Verbindung

4-N-[4-Pentyloxy-benzylidenamin]-benzoesäure- [2-methyl-phenylester] ,

die eine Übergangstemperatur von der S _A - zur isotropen Phase von 53,5 °C hat, gefüllt und in ein Wasserbad ge¬ stellt, das den Zylinder mit Inhalt auf einer Temperatur von 51 °C hält. In der Stellung des oberen Anschlages wird der Kolben mit einer das Gewicht des Kolbens und der FührungsStange einschließenden Gesamtkraft von 2,0 N bewegt. Für den 30 mm langen Kolbenweg wird eine Zeit von 175 s benötigt. Wird die Temperatur der Anordnung auf 56 °C gesteigert, werden 4,2 s gemessen.

Die Dämpfungskonstanten der Vorrichtung haben demnach folgende Werte:

bei 51 °C 1,2-10 ⁴ Ns/m bei 56 °C 2,8-10 ² Ns/m.

Beispiel 5

Eine Kegelschliffhülse (1) und ein dazu passender Schliff- kern (2), beide aus Duranglas (Normbezeichnung NS 29/32, DIN 12 249), sind die wesentlichen Teile einer erfindungs¬ mäßigen Kupplung (Fig. 3). Die Hülse ist fest mit einer ^' Hebevorrichtung (3) (in Fig. 3 nicht näher ausgeführt) verbunden, deren rotierende Teile ein Trägheitsmoment von 2,5-10 -4 kgm2 haben und deren zu überwindendes Drehmoment

0,32 Nm beträgt. Der Kern ist Teil einer waagerecht lie¬ genden, einseitig verschlossenen hohlen Welle (4) aus 2 mm starkem Duranglas, die in zwei Lagern (5) geführt und über ein Transmissionsband (6) durch einen Motor (6) ausreichender Leistung angetrieben werden kann. Vor Inbe¬ triebnahme werden die getrennten Schliffelemente mit hei¬ ßer Luft auf etwa 80 °C erwärmt und über die Fläche des Kerns 0,10 g der Verbindung

4-Butyl-N-[4-pentylbenzyliden]anilin

mit einem Phasenübergang von smektisch B nach nematisch bei 24 °C gleichmäßig verteilt, so daß sich beim Schieben in die Hülse unter Anwendung einer geringen Andrückkraft (0,5 bis 1 N) eine luftblasenfreie Schicht der organi¬ schen Verbindung bildet. Hierauf wird der Motor einge¬ schaltet und die Welle mit 10 Hz gedreht. Der Phasenüber¬ gang von nematisch nach smektisch wird dadurch herbeige- führt, daß durch eine in Fig. 3 skizzierte seitliche Zu-

führung (8) kurzzeitig Kühlwasser aus einem Reservoir (9) mit einer Temperatur, die im Sinne einer schnellen Wärme¬ abführung wenigstens 6 °C unterhalb der Übergangstempera¬ tur liegt, mit einer ausreichenden Strömungsgeschwindig- keit eingespeist wird. Die Drehbewegung der Hebevorrich¬ tung mit einer Frequenz von 10 Hz erfolgt nach einer Tot¬ zeit von weniger als 10 s innerhalb einer Beschleunigs- zeit von weniger als 5 s. Eine Entkuppelung erfolgt durch Einspeisen von Wasser aus einem Reservoir (10) mit einer Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur über einen Dreiwegehahn (11). (12) ist eine Auffangrinne.

Beispiel 6

Die Anordnung des Beispiels 5 wird in der dort beschrie¬ benen Weise mit der Verbindung

4-Octyl-N-[4-butyloxybenzyliden]anilin

betrieben, die eine Übergangstemperatur von smektisch B nach smektisch A von 49 °C hat. Auch hier kann durch Änderung der fluiden Schicht und einem damit verbundenen Phasenübergang zwischen einer Kupplung und einem Fehllauf gewählt werden.

Beispiel 7

Ein Radiallager besteht aus einer polierten Messingwelle (Durchmesser 15 mm) und einer thermostatisierbaren, un- geteilten Lagerschale aus Messing (tragende Lagerbreite 100 mm). Das Lagerspiel beträgt 0,01 mm, die Belastung des Lagers während des Betriebs beträgt 5,0 N. Auf die

Gleitflächen wird etwas Lecithin gegeben, das mit Wolle zu einer dünnen gleichmäßigen Schicht verrieben wird. Daraufhin wird das erwärmte Lager in eine zusammenhän¬ gende Schicht der Verbindung

4-0ctyloxy-4 ^f -nonyl-azoxybenzol

mit einem Übergang von einer smektischen A Phase zu einer nematischen Phase bei 78 °C eingebettet. Bei einer Dreh¬ frequenz von 10 Hz und einer Temperatur des Lagers von 73 °C ergibt sich eine Reibungszahl μ von 0,15, bei 81 °C und gleicher Drehfrequenz wird ein μ von 0,007 gemessen, μ wird in allgemein bekannter Weise durch das Drehmoment bestimmt, das aufgewendet werden muß, um die Bewegung mit einer bestimmten Drehfrequenz aufrechtzuerhalten.

Beispiel 8

Die Anordnung des Beispiels 5 wird in der dort beschrie¬ benen Weise mit der Verbindung

R = -0 _Cll H ₂₃

2,3,6,7,10,11-Hexa-undecyloxy-triphenylen

betrieben, die einen Übergang von einer discoid-colum- naren zu einer isotropen Phasen bei 66 °C hat. Auch hier kann durch Änderung der Temperatur der fluiden Schicht und einem damit verbundenen Phasenübergang zwischen Kupp- lung und Freilauf gewählt werden.

Beispiel 9

Ein mechanisches Bauelement (Fig. 1) mit veränderbarem Reibungsmoment besteht aus einer ummantelten und tempe¬ rierbaren Schliffhülse (1) aus Duranglas und einer auf einer Länge von 70 mm geführten Welle (2) mit einem Durch¬ messer von 10 mm, ebenfalls aus Duranglas (Hersteller Schott Glaswerke, Mainz). Die Welle wird über ein Stück dickwandigen Gummischlauch (3) mit einem Antriebsaggregat verbunden (in Fig. 1 nicht aufgeführt), das mit einer Meßvorrichtung ausgestatttet ist, die die auf das Maschi¬ nenelement entfallene Verlustleistung in Abhängigkeit von der Drehfrequenz der Welle zu messen gestattet. Vor Inbe¬ triebnahme werden die getrennten Schliffelemente mit hei¬ ßer Luft erwärmt und mit einer ausreichenden Menge von 2,3,7,8,12,13-Hexakis[decanoyloxy]truxen mit einem Über¬ gang von discoid-nematiεch nach columnar-discotisch bei 84 °C bestrichen, so daß sich beim Zusammenführen ein luftblasenfreier Film auf der gesamten Reibungsfläche bildet. Durch den Mantel wird Paraffinöl mit einer Tempe- ratur von 82 °C geleitet und die Welle mit 1 Hz gedreht. Daε Reibungsmoment der Gleitvorrichtung ergibt sich zu

3-10 —3 N*m. Nun wird Paraffinöl mit einer Temperatur von 95 °C mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 ml-s eingespeiεt. Nach 10 s wird ein Reibungsmoment von 9-10 N-m gemessen. Nach Absenken der Oltemperatur auf 82 °C stellt sich der ursprüngliche Wert des Reibungs- momenteε wieder ein.

Beiεpiel 10

Ein hydraulischer Dämpfer (Fig. 4) zur Aufnahme von Kräf¬ ten aus zwei sich in ihrer Größenordnung sehr unterschei¬ denden Belastungsbereichen besteht aus einem Stahlzylin- der (1) mit einem lichten Durchmesser von 28 mm, einem darin beweglichen Hydraulikkolben (2) mit einem skizzier¬ ten - allgemein bekannten - Dichtungssyεtem und einer Rohrleitung (3) von insgesamt 250 mm Länge und 2,0 mm lichtem Durchmesser, die vom Kolbenraum in einen offenen Behälter (4) reicht. In Kolbenraum, Rohrleitung und Vor¬ ratsgefäß befindet sich ein zusammenhängendeε, luftbla¬ senfreies, von der Verbindung

^H17C8 -<2>-(Ξ>- ^CN

4'-Octyl-biphenyl-4-carbonitril

ausgefüllteε Volumen. Diese Verbindung hat eine Übergangs- temperatur zwischen der smektiεchen A zur nematiεchen Phaεe von 32,5 °C. Dem bei 35 °C befindlichen System wird nun eine Last von 12 000 N (Newton) aufgegeben. Der Kol¬ ben benötigt für die Zurücklegung einer Strecke von 65 mm 3,0 s. Bei Aufgabe einer Last von nur 185 N und sonεt gleichen Auεgangsbedingungen beträgt diese Zeit 3,5 ε.

Beiεpiel 11

trans,trans-4-Methoxy-4'-pentyl-bicyclohexyl hat bei Normaldruck (1 bar) eine Übergangstemperatur von S _ß nach I von 29 °C. In der in Beispiel 10 gegebenen Anordnung unter den gleichen Bedingungen läßt sich mit dieser Ver¬ bindung bei hohen Drücken eine wesentlich höhere Dämp- fungεkonεtante alε bei Normaldruck erzielen.