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INHALTE

Feldsteuerbare Flüssigkeiten - Magneto- und elektrorheologische Fluide

Kurzbeschreibung

Feldsteuerbare Fluide sind Flüssigkeiten, die eine Suspension aus Partikeln und einer Trägerflüssigkeit darstellen. Bei magnetorheologischen Fluiden (MRF) sind die Partikel magnetisierbar, bei elektrorheologischen Fluiden (ERF) sind sie elektrisch polarisierbar.

Abb. 1: Materialverhalten mit und ohne Feld

Das Besondere an diesen Fluiden ist, dass sie unter Einwirkung eines magnetischen bzw. elektrischen Feldes ihre fluidischen Eigenschaften ändern, siehe Abb. 1. Die Partikel richten sich entlang der Feldlinien aus und bilden Ketten, die mechanisch belastbar sind, siehe Abb. 2. Das Fluid verfestigt sich. Die Änderung der Eigenschaften ist reversibel und erfolgt innerhalb weniger Millisekunden.

Abb. 2: Kettenbildung unter Einwirkung eines Feldes

Anwendungen solcher steuerbarer Flüssigkeiten sind beispielsweise einstellbare Dämpfer, die derzeit bereits in der Automobilbranche Einzug halten, oder Kupplungen mit minimalem Verschleiß, deren Rutschmoment einstellbar ist.

Ziel und Lösungsansatz

Die Forschungsaktivitäten im Fachgebiet Mechatronik haben das Ziel, diese Fluide, die eine Variation der dissipativen Eigenschaften zulassen, mit nachgiebigen Elementen zu kombinieren, sodass ein steifigkeits- und dämpfungsvariables System entsteht.
Ein Vorschlag eines steifigkeits- und dämpfungsvariablen Systems ist das Fluidsystem in Abb. 3. Es besteht aus drei miteinander verbundenen Kammern, die mit einem magnetorheologischen Fluid gefüllt sind. Eine Kammer ist mit einem Kolben verbunden, der die Kraft einleitet. Die beiden anderen Kammern sind mit Federn verbunden, die unterschiedliche Steifigkeit haben. Wirkt nun eine Kraft auf den Kolben fließt das Fluid innerhalb der Kammern und verformt die Federn. Die Variation dieses Verhalten erfolgt durch Einwirkung eines Magnetfeldes am Übergang der Kammern. Wird das Feld aktiviert, verfestigt sich das Fluid. Das Ergebnis ist, dass die Eingangskraft nun nur noch gegen eine der beiden Federn wirkt. Somit ist die effektive Steifigkeit höher als ohne Feld. Innerhalb des Kanals, der nicht gesperrt ist kann nun durch kleine Feldstärken zusätzlich eine Dämpfungsvariation erreicht werden.

Abb. 3: Aufbau des steifigkeits- und dämpfungsvariablen Systems

Abb. 3 zeigt den Laboraufbau zum zuvor beschriebenen Konzept, mit dem die Funktionsweise nachgewiesen werden konnte.

Publikationen

  • Greiner-Petter, C.; Sattel, T.; Mock, R.
    A Novel Control Approach for Semi-Active Vibration Isolation of Multi-Degree-of-Freedom Rotor Systems Utilizing Magneto- or Electrorheological Dampers. Actuator 2012
  • Greiner-Petter, C.; Tan, A. S.; Sattel, T.
    A semi-active magnetorheological fluid mechanism with variable stiffness and damping. Smart Materials and Structures 23 (2014).
    http://dx.doi.org/10.1088/0964-1726/23/11/115008
  • Silge, M.; Sattel, T.; Greiner-Petter, C.
    A Concept for Vehicle Suspension Systems with Variable Mechanical Impedance Based on Magneto- and Electrorheological Fluid Actuators. Actuator 2014

Patente

  • Greiner-Petter, C.; Mock, R.; Sattel, T.
    Verfahren zur Minderung der Resonanzschwingungen eines Rotoraggregats, 2012, WO/2013/113688 A1
  • Greiner-Petter, C.; Mock, R.; Sattel, T.
    Steuereinrichtung, Maschine mit Rotoraggregat und Verfahren zur Steuervorschriftsermittlung, 2012, DE 102012210039 A1