Elektrorheologische Flüssigkeiten

Projektschwerpunkte

• Kontinuumsmechanische Modellierung von elektrorheologischen Flüssigkeiten
• Entwicklung und Regelung von elektrorheologischen Ventilen
• Entwicklung, Modellierung und Regelung von semi-aktiven elektrorheologischen Radaufhängungssystemen
• Umsetzung und Test an Prüfstanden bzw. an Testfahrzeugen

Beschreibung

In der klassischen Hydraulik werden Ventile verwendet um den Volumenstrom in einem hydraulischen System zu steuern. Das Grundprinzip beruht auf der Veränderung des Strömungsquerschnitts durch die Bewegung eines mechanischen Bauteils, z.B. des Ventilschiebers. Im Vergleich dazu erlauben elektrorheologische Flüssigkeiten eine direkte Änderung der rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit (im Wesentlichen der scheinbaren Viskosität) durch Anlegen eines hinreichend großen elektrischen Feldes. Dies ermöglicht die Beeinflussung des Volumenstroms in einem hydraulischen System ohne mechanische Bewegungen. Da dieser elektrorheologische (ER) Effekt sehr schnell ist (im Bereich weniger Millisekunden) erlaubt die Verwendung von ER-Flüssigkeiten (ERF) den Aufbau von sehr schnellen hydraulischen Aktoren. Weiterhin bietet die direkte Beeinflussung der Viskosität von ERF die Möglichkeit des Aufbaus von Ventilen ohne bewegliche Bauteile und somit sehr einfache Konstruktionen.

Im Rahmen der Forschungsarbeiten am Gebiet der ERF wurden mehrere mögliche Anwendungen im Bereich der Ventiltechnik, in elektrorheologischen Linearaktoren bzw. in Fahrzeugdämpfern bis hin zu Schockabsorbern für den maritimen Bereich untersucht. Die Basis lag dabei auf einer kontinuumsmechanischen Beschreibung der Eigenschaften der ERF (Spannung) als Funktion des angelegten elektrischen Feldes und der Scherrate. Ein typischer Verlauf der Schubspannung als Funktion der elektrischen Feldstärke einer ERF ist in Abb. 1 dargestellt.

Schubspannung einer ERF als Funktion der elektrischen Feldstärke

Die zentrale elektrorheologische Komponente ist ein ER-Ventil, welches im Wesentlichen aus zwei (parallelen) Elektroden besteht zwischen denen die ERF fließt, siehe Abb. 2. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden kann der Fließwiderstand erhöht werden. Bei hinreichend hoher elektrischer Spannung kann das Ventil sogar vollständig gesperrt werden.

Grundaufbau eines ER-Ventils

Diese Beeinflussung der Strömung erfolgt, wie bereits erwähnt, sehr schnell. In Abb. 3 ist der typische Verlauf der Fließgeschwindigkeit \(u_1\) der ERF in einem Ventil nach Abb. 2 für eine sprungförmige Änderung der Spannung bzw. des Drucks am Ventil dargestellt.

Änderung der Strömungsgeschwindigkeit in einem ER-Ventil für sprungförmige Änderung der Spannung bzw. des Drucks

Ein mögliches Anwendungsgebiet von ERF und ER-Ventilen sind Fahrzeugdämpfer. In semi-aktiven Radaufhängungssystemen werden verstellbare Dämpfer verwendet um einen bestmöglichen Kompromiss zwischen Fahrkomfort und Fahrsicherheit zu erreichen. Dies wird durch eine Anpassung der Dämpfung an die Fahrsituation bzw. die Fahrbahnbeschaffenheit erreicht. Die Abb. 4 zeigt einen in Kooperation mit der Firma Fludicon entwickelten semi-aktiven Fahrzeugdämpfer, der für den Einsatz in Nutzfahrzeugen gedacht ist. Im Rahmen einer Forschungskooperation mit der Firma Fludicon erfolgte die Entwicklung von mathematischen Modellen sowie von Regelungsstrategien für Fahrzeuge, die mit diesen ER-Dämpfern ausgestattet sind. Anhand von Fahrversuchen mit einem Testfahrzeug konnte eine wesentliche Verbesserung des Verhaltens des Fahrzeuges im Vgl. zu einem passiven Fahrwerk gezeigt werden.

Schnittbild eines ER-Dämpfers

Die direkte Änderung der Eigenschaften der ERF durch ein elektrisches Feld erlaubt die gezielte Beeinflussung der Strömung durch geeignete Gestaltung der Elektrodengeometrie. Z.B. wurden im Rahmen eines weiteren Forschungsprojektes in Kooperation mit der Firma Fludicon digitale ER-Ventile entwickelt. Die Grundidee besteht dabei darin, den Strömungswiderstand durch geeignetes geschaltetes Ansteuern von mehreren seriell geschalteten ER-Ventilen stufenförmig zu verstellen. Dies erlaubt den Einsatz von günstigeren Hochspannungsquellen mit konstanter Spannung. Durch die Anpassung der Elektrodengeometrie, z.B. entsprechend einer binären Kodierung, können sehr geringe Stufenhöhen bereits mit einer geringen Anzahl von Einzelventilen erreicht werden, siehe Abb. 5. Mögliche Einsatzgebiete sind wiederum semi-aktive Dämpfungssysteme im Fahrzeugbereich.

Serielles digitales ER-Ventil mit zugehöriger Charakteristik

Zur Überprüfung der Eigenschaften der ERF und der entwickelten ER-Ventile wurde ein Prüfstand aufgebaut. Durch den Einsatz von transparenten Elektroden erlaubt dieser Prüfstand eine direkte Beobachtung der Strömung im Ventil und damit Rückschlüsse auf die Strömungsformen, siehe Abb. 6.

ER-Prüfstand und Elektroden eines digitalen ER-Ventils

In den nachfolgenden Videos sind drei Messungen dieses Prüfstands dargestellt. Das erste Video zeigt das in Abb. 6 dargestellte digitale ER-Ventil und die Änderung der Strömung bei abwechselnder Aktivierung der einzelnen Teilventile. Die Videos 2 und 3 zeigen eine Möglichkeit zur Führung einer Strömung von ERF entsprechend eines gewünschten Pfades (sinusförmig). Insbesondere wird gezeigt, wie Gebiete abseits des Pfades durch Anlegen einer Spannung gesperrt werden können ohne einen mechanischen Eingriff durchzuführen. Die Ergebnisse dieser Experimente können die Basis z.B. für Ventile in Matrixbauweise darstellen, die eine frei konfigurierbare Verbindung von mehreren Zu- und Abflüssen ohne mechanische Komponenten erlauben.

Ausgewählte Publikationen

• W. Kemmetmüller, K. Holzmann, A. Kugi, and M. Stork, Electrorheological Semiactive Shock Isolation Platform for Naval Applications, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 18, iss. 5, p. 1437–1447, 2013.
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  @Article{Kemmetmuller13a,
  Title = {{{E}lectrorheological {S}emiactive {S}hock {I}solation {P}latform for {N}aval {A}pplications}},
  Author = {W. Kemmetm{\"u}ller and K. Holzmann and A. Kugi and M. Stork},
  Journal = {IEEE/ASME Transactions on Mechatronics},
  Pages = {1437--1447},
  Volume = {18},
  Year = {2013},
  Number = {5},
  Doi = {10.1109/TMECH.2012.2203456},
  }

• M. Kamelreiter, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Digitally controlled electrorheological valves and their application in vehicle dampers, Mechatronics, vol. 22, iss. 5, p. 629–638, 2012.
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  @Article{Kamelreiter12,
  Title = {{Digitally controlled electrorheological valves and their application in vehicle dampers}},
  Author = {M. Kamelreiter and W. Kemmetm\"uller and A. Kugi},
  Journal = {Mechatronics},
  Pages = {629--638},
  Volume = {22},
  Year = {2012},
  Number = {5},
  Doi = {10.1016/j.mechatronics.2012.02.002},
  }

• M. Kamelreiter, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Digitale Ansteuerung elektrorheologischer Ventile und deren Anwendung in einem Fahrzeugdämpfer, in Tagungsband Mechatronik 2011 Dresden, Dresden, Germany, 2011, p. 37–42.
  [BibTex]

  @InProceedings{Kamelreiter11,
  author = {M. Kamelreiter and W. Kemmetm\"uller and A. Kugi},
  title = {{D}igitale {A}nsteuerung elektrorheologischer {V}entile und deren {A}nwendung in einem {F}ahrzeugd\"ampfer},
  booktitle = {Tagungsband Mechatronik 2011 Dresden},
  year = {2011},
  month = {3},
  pages = {37--42},
  address = {Dresden, Germany},
  }

• M. Kamelreiter, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Digital Control of Electrorheological Valves, in Proceedings of the 5th IFAC Symposium on Mechatronic Systems, Boston, USA, 2010, p. 640–645.
  [BibTex] [Download]

  @InProceedings{Kamelreiter10,
  author = {M. Kamelreiter and W. Kemmetm{\"u}ller and A. Kugi},
  title = {Digital Control of Electrorheological Valves},
  booktitle = {Proceedings of the 5th IFAC Symposium on Mechatronic Systems},
  year = {2010},
  month = {9},
  pages = {640--645},
  doi = {10.3182/20100913-3-US-2015.00075},
  address = {Boston, USA},
  }

• K. Holzmann, W. Kemmetmüller, A. Kugi, M. Stork, H. Rosenfeldt, and S. Schneider, Modeling and control of an off-road truck using electrorheological dampers, Journal of Physics: Conference Series, vol. 149, 012011, 2009.
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  @Article{Holzmann09,
  Title = {Modeling and control of an off-road truck using electrorheological dampers},
  Author = {K. Holzmann and W. Kemmetm{\"u}ller and A. Kugi and M. Stork and H. Rosenfeldt and S. Schneider},
  Journal = {Journal of Physics: Conference Series},
  Volume = {149, 012011},
  Year = {2009},
  Doi = {10.1088/1742-6596/149/1/012011},
  }

• M. Kamelreiter, W. Kemmetmüller, A. Kugi, K. Holzmann, and M. Stork, Modellierung und Regelung eines Kleintransporters mit semi-aktiver Radaufhängung basierend auf elektrorheo-logischen Dämpfern, in Mechatronik 2009, Wiesloch, Germany, 2009, p. 413–420.
  [BibTex]

  @InProceedings{Kamelreiter09,
  author = {M. Kamelreiter and W. Kemmetm{\"u}ller and A. Kugi and K. Holzmann and M. Stork},
  title = {Modellierung und {R}egelung eines {K}leintransporters mit semi-aktiver {R}adaufh{\"a}ngung basierend auf elektrorheo-logischen {D}{\"a}mpfern},
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  pages = {413--420},
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• K. Holzmann, W. Kemmetmüller, A. Kugi, M. Stork, H. Rosenfeldt, and S. Schneider, Modeling and control of an off-road truck using electrorheological dampers, in Proceedings 11th Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Dresden, Germany, 2008.
  [BibTex]

  @InProceedings{Holzmann08,
  author = {K. Holzmann and W. Kemmetm{\"u}ller and A. Kugi and M. Stork and H. Rosenfeldt and S. Schneider},
  title = {Modeling and control of an off-road truck using electrorheological dampers},
  booktitle = {Proceedings 11th Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions},
  year = {2008},
  month = {8},
  doi = {10.1088/1742-6596/149/1/012011},
  address = {Dresden, Germany},
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Projektpartner

• Fludicon GmbH