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Als magnetorheologische Flüssigkeit MRF bezeichnet man eine Suspension von magnetisch polarisierbaren Partikeln Carbonyl
Magnetorheologische Flüssigkeit
Als magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) bezeichnet man eine Suspension von magnetisch polarisierbaren Partikeln (Carbonyleisenpulver), die in einer Trägerflüssigkeit fein verteilt sind.
Die Partikel magnetorheologischer Flüssigkeiten sind um ca. ein bis drei Zehnerpotenzen größer als die der Ferrofluide, so dass sich eine MRF – anders als ein Ferrofluid – beim Anlegen eines Magnetfelds verfestigt. Mechanismus: die Partikel werden polarisiert und bilden Ketten in Richtung der Feldlinien. Durch die Ausrichtung der Partikel wird die Suspension mit steigender Feldstärke dickflüssiger. So kann eine MRF in einem Magnetfeld drastisch, schnell und reversibel verändert werden.
Magnetorheologische Flüssigkeiten sind seit den 1940er Jahren bekannt. Erst in den letzten Jahren konnten negative Eigenschaften wie Abrasion, Sedimentation und Alterung durch spezielle Additive und polymere Oberflächenbeschichtung der Partikel vermieden werden, so dass der Einsatz in Serienprodukten nun möglich ist.
Zusammensetzung
In magnetorheologischen Flüssigkeiten werden kugelförmige Partikel mit einem Durchmesser von 1 bis 10 Mikrometer und einem hohen Reinheitsgrad (über Synthese hergestellt, > 99 % reines Eisen) verwendet. Die Partikel selbst sind deshalb ungiftig und werden aufgrund ihrer hohen Reinheit beispielsweise auch als Nahrungsergänzung in Eisentabletten verwendet. Bei der Anwendung in magnetorheologischen Flüssigkeiten sind die ausgezeichneten elektromagnetischen und mechanischen Eigenschaften entscheidend. Als Trägerflüssigkeiten werden Mineralöl und synthetische Öle, Ethylenglycol und Wasser eingesetzt. Als Hilfsstoffe werden Additive wie Stabilisatoren und Viskositätsverbesserer beigesetzt. Diese verhindern unter anderem auch Sedimentation und Agglomeration. Der Anteil des Eisenpulvers beträgt 70–90 % des Gewichts und 20–40 % des Volumens. Die Flüssigkeit hat eine dunkelgraue Färbung, ihre Dichte liegt ungefähr zwischen 2,2 und 4 g·cm−3.
Mechanische und magnetische Eigenschaften
Die Viskosität der Flüssigkeit beträgt 0,07 Pa·s bis 14 Pa·s bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s−1.
Die Temperatur beeinflusst die Viskosität der MRF abhängig von der Basisflüssigkeit; die Einsatztemperatur liegt zwischen −40 °C und 150 °C.
Beim anliegenden Magnetfeld überwiegt der magnetorheologische Effekt; Viskositätsänderungen erfolgen dann unter einer Millisekunde, da nur die Partikel ausgerichtet werden müssen. Somit sind Kraftänderungen abhängig vom Design innerhalb weniger Millisekunden realisierbar, siehe Messung (3000 N/ms). Die Schubspannung verhält sich im magnetfeldfreien Raum wie bei einem newtonschen Fluid und im Magnetfeld wie bei einem Bingham-Fluid.
- BH-Kurve einer typischen magnetorheologischen Flüssigkeit
- Schubspannung über B-Feld einer typischen magnetorheologischen Flüssigkeit
- Messung Ansprechverhalten MRF-Dämpfer
Alle Werte sind abhängig vom Mischungsverhältnis und der Trägerflüssigkeit.
Betriebsmodi
Die Stärke der Kraftübertragung im Fluid hängt neben anderen Parametern auch von der Beanspruchung des Fluids ab. Dabei sind drei relevante Betriebsmodi bekannt:
- Im Ventil-Modus (valve mode) bewegt sich das Fluid durch einen Kanal, der senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fluids von einem Magnetfeld durchflutet wird. MRF-Dämpfer verwenden dieses Verfahren.
- Bei direkter Scherbeanspruchung (direct shear mode) bewegen sich zwei Platten, zwischen denen sich das Fluid befindet. Das Magnetfeld durchflutet das Fluid senkrecht zur Bewegungsrichtung der Platten. Diese Verwendung findet sich in Kupplungen und Bremsen.
- Im Quetsch-Modus (squeeze mode) werden die höchsten Kräfte erreicht. Dabei wirkt die Kraft auf das Fluid in Richtung des magnetischen Flusses.
Möglichkeiten der Magnetfelderzeugung
Je nach Einsatzgebiet und Anwendung ist es zweckmäßig, das Magnetfeld unterschiedlich zu erzeugen:
| Magnetfelderzeugung | Bemerkung | Charakteristik (Beispiel MRF-Ventil) |
|---|---|---|
| Permanentmagnet (Dauermagnet) | Das System funktioniert unabhängig von elektrischer Energie, wobei die Magnetfeldstärke z. B. vom Abstand des Magneten von der magnetorheologischen Flüssigkeit abhängt und über diesen stufenlos eingestellt werden kann. Bei elektrorheologischen Flüssigkeiten ist dies nicht möglich. | |
| Elektrische Spule | Das Magnetfeld ist proportional zum Spulenstrom und kann beliebig und schnell eingestellt werden. Somit ist auch eine automatische Einstellung z. B. abhängig von Sensorwerten möglich. Bei großen geforderten Verstellbereichen ist der Energieverbrauch auch größer. | |
| Kombination von Permanentmagnet und elektrischer Spule | Bei diesem System wird das Magnetfeld eines Permanentmagneten durch ein Magnetfeld einer elektrischen Spule abgeschwächt oder verstärkt. Dies ist z. B. sinnvoll, wenn eine Fail-Safe-Funktion benötigt wird oder ein Schaltzustand vorherrschend ist und somit Energie gespart werden kann. | |
| Remanenz | Vereinfacht beschrieben wird bei diesem System zur Erzeugung des Magnetfelds ein einstellbarer Permanentmagnet verwendet. Dabei wird ein hartmagnetischer Werkstoff durch einen elektromagnetischen Impuls auf den gewünschten Wert magnetisiert. Dadurch benötigt so ein System nur bei einer Zustandsänderung elektrische Energie und ist auch bedingt Fail-Safe. |
Bei richtiger, effizienter und EMV-gerechter Auslegung eines Systems mit magnetorheologischer Flüssigkeit verursacht dieses keine Störungen von anderen Systemen.
Anwendungsgebiete
Variable Dämpfung zur Anpassung an geänderte Beladung/Belastung, d. h. dynamische Regelung der Viskosität durch Verwendung von Sensoren und Elektromagneten
- Fahrzeuganwendungen: Fahrwerks-Stoßdämpfer (beispielsweise Audi TT, R8, Acura MDX, Chevrolet Corvette, Ferrari 599 GTB), Dämpfer in Sitzen, Motorlager (beispielsweise bei Porsche) und Allradantrieb-Kupplungen
- Bauwesen: Dämpfer in Brücken und Hochhäusern
- Medizintechnik: Prothesen
- Haushaltsgeräte: Waschmaschine mit MRF-Dämpfer (beispielsweise Zaboon von Toshiba) zur Reduktion der Waschzeit, für mehr Waschkraft, weniger Vibrationen, geringere Geräuschentwicklung und einen kompakten, einfachen Aufbau.
- Technische Optik: Bearbeitung von Oberflächen mittels magnetorheologischem Polieren
Siehe auch
- Magnetorheologische Elastomere
- Ferromagnetismus
- Magnetohydrodynamik
- Elektrorheologische Flüssigkeit
Weblinks
- Dissertation Florian Zschunke: Aktoren auf Basis des magnetorheologischen Effekts (PDF 6 MB)
- Patentanmeldung DE102004040782A1: Oxidationsbeständige magnetorheologische Flüssigkeit. Angemeldet am 23. August 2004, veröffentlicht am 31. März 2005, Anmelder: General Motors Corp, Erfinder: John C. Ulicny, Yang T. Cheng.
Einzelnachweise
- Artur Grunwald: Design and Optimization of Magnetostrictive Actuator. Dissertation. Hrsg.: Dublin City University, Ireland. August 2007 (dcu.ie [PDF; 84,5 MB]).
- MRF-Fahrwerksdämpfer im neuen Acura MDX 2010 ( des vom 9. September 2010 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
- Motorlager: Dynamisches Motorlager von Porsche für die Modelle 911 Turbo und 911 GT3 ( des vom 2. Januar 2010 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
- Erstes Großserienprodukt außerhalb der Automobilindustrie auf dem Markt: Toshiba Waschmaschine mit MRF-Damper (Zaboon) – seit Oktober 2010 in Japan erhältlich ( des vom 15. August 2010 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Als magnetorheologische Flussigkeit MRF bezeichnet man eine Suspension von magnetisch polarisierbaren Partikeln Carbonyleisenpulver die in einer Tragerflussigkeit fein verteilt sind MRF auf einer Petrischale reagiert auf einen stabformigen Permanentmagneten Igelformige Struktur einer MRF zwischen zwei PermanentmagnetenTurm einer MRF der sich durch einen Permanentmagnet verfestigtKettenbildung der MRF PartikelMRF Effekt im Fliessmodus Die Partikel magnetorheologischer Flussigkeiten sind um ca ein bis drei Zehnerpotenzen grosser als die der Ferrofluide so dass sich eine MRF anders als ein Ferrofluid beim Anlegen eines Magnetfelds verfestigt Mechanismus die Partikel werden polarisiert und bilden Ketten in Richtung der Feldlinien Durch die Ausrichtung der Partikel wird die Suspension mit steigender Feldstarke dickflussiger So kann eine MRF in einem Magnetfeld drastisch schnell und reversibel verandert werden Magnetorheologische Flussigkeiten sind seit den 1940er Jahren bekannt Erst in den letzten Jahren konnten negative Eigenschaften wie Abrasion Sedimentation und Alterung durch spezielle Additive und polymere Oberflachenbeschichtung der Partikel vermieden werden so dass der Einsatz in Serienprodukten nun moglich ist ZusammensetzungIn magnetorheologischen Flussigkeiten werden kugelformige Partikel mit einem Durchmesser von 1 bis 10 Mikrometer und einem hohen Reinheitsgrad uber Synthese hergestellt gt 99 reines Eisen verwendet Die Partikel selbst sind deshalb ungiftig und werden aufgrund ihrer hohen Reinheit beispielsweise auch als Nahrungserganzung in Eisentabletten verwendet Bei der Anwendung in magnetorheologischen Flussigkeiten sind die ausgezeichneten elektromagnetischen und mechanischen Eigenschaften entscheidend Als Tragerflussigkeiten werden Mineralol und synthetische Ole Ethylenglycol und Wasser eingesetzt Als Hilfsstoffe werden Additive wie Stabilisatoren und Viskositatsverbesserer beigesetzt Diese verhindern unter anderem auch Sedimentation und Agglomeration Der Anteil des Eisenpulvers betragt 70 90 des Gewichts und 20 40 des Volumens Die Flussigkeit hat eine dunkelgraue Farbung ihre Dichte liegt ungefahr zwischen 2 2 und 4 g cm 3 Mechanische und magnetische EigenschaftenDie Viskositat der Flussigkeit betragt 0 07 Pa s bis 14 Pa s bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s 1 Die Temperatur beeinflusst die Viskositat der MRF abhangig von der Basisflussigkeit die Einsatztemperatur liegt zwischen 40 C und 150 C Beim anliegenden Magnetfeld uberwiegt der magnetorheologische Effekt Viskositatsanderungen erfolgen dann unter einer Millisekunde da nur die Partikel ausgerichtet werden mussen Somit sind Kraftanderungen abhangig vom Design innerhalb weniger Millisekunden realisierbar siehe Messung 3000 N ms Die Schubspannung verhalt sich im magnetfeldfreien Raum wie bei einem newtonschen Fluid und im Magnetfeld wie bei einem Bingham Fluid BH Kurve einer typischen magnetorheologischen Flussigkeit Schubspannung uber B Feld einer typischen magnetorheologischen Flussigkeit Messung Ansprechverhalten MRF Dampfer Alle Werte sind abhangig vom Mischungsverhaltnis und der Tragerflussigkeit Betriebsmodi Die Starke der Kraftubertragung im Fluid hangt neben anderen Parametern auch von der Beanspruchung des Fluids ab Dabei sind drei relevante Betriebsmodi bekannt Im Ventil Modus valve mode bewegt sich das Fluid durch einen Kanal der senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fluids von einem Magnetfeld durchflutet wird MRF Dampfer verwenden dieses Verfahren Bei direkter Scherbeanspruchung direct shear mode bewegen sich zwei Platten zwischen denen sich das Fluid befindet Das Magnetfeld durchflutet das Fluid senkrecht zur Bewegungsrichtung der Platten Diese Verwendung findet sich in Kupplungen und Bremsen Im Quetsch Modus squeeze mode werden die hochsten Krafte erreicht Dabei wirkt die Kraft auf das Fluid in Richtung des magnetischen Flusses Moglichkeiten der Magnetfelderzeugung Je nach Einsatzgebiet und Anwendung ist es zweckmassig das Magnetfeld unterschiedlich zu erzeugen Magnetfelderzeugung Bemerkung Charakteristik Beispiel MRF Ventil Permanentmagnet Dauermagnet Das System funktioniert unabhangig von elektrischer Energie wobei die Magnetfeldstarke z B vom Abstand des Magneten von der magnetorheologischen Flussigkeit abhangt und uber diesen stufenlos eingestellt werden kann Bei elektrorheologischen Flussigkeiten ist dies nicht moglich Elektrische Spule Das Magnetfeld ist proportional zum Spulenstrom und kann beliebig und schnell eingestellt werden Somit ist auch eine automatische Einstellung z B abhangig von Sensorwerten moglich Bei grossen geforderten Verstellbereichen ist der Energieverbrauch auch grosser Kombination von Permanentmagnet und elektrischer Spule Bei diesem System wird das Magnetfeld eines Permanentmagneten durch ein Magnetfeld einer elektrischen Spule abgeschwacht oder verstarkt Dies ist z B sinnvoll wenn eine Fail Safe Funktion benotigt wird oder ein Schaltzustand vorherrschend ist und somit Energie gespart werden kann Remanenz Vereinfacht beschrieben wird bei diesem System zur Erzeugung des Magnetfelds ein einstellbarer Permanentmagnet verwendet Dabei wird ein hartmagnetischer Werkstoff durch einen elektromagnetischen Impuls auf den gewunschten Wert magnetisiert Dadurch benotigt so ein System nur bei einer Zustandsanderung elektrische Energie und ist auch bedingt Fail Safe Bei richtiger effizienter und EMV gerechter Auslegung eines Systems mit magnetorheologischer Flussigkeit verursacht dieses keine Storungen von anderen Systemen AnwendungsgebieteVariable Dampfung zur Anpassung an geanderte Beladung Belastung d h dynamische Regelung der Viskositat durch Verwendung von Sensoren und Elektromagneten Fahrzeuganwendungen Fahrwerks Stossdampfer beispielsweise Audi TT R8 Acura MDX Chevrolet Corvette Ferrari 599 GTB Dampfer in Sitzen Motorlager beispielsweise bei Porsche und Allradantrieb Kupplungen Bauwesen Dampfer in Brucken und Hochhausern Medizintechnik Prothesen Haushaltsgerate Waschmaschine mit MRF Dampfer beispielsweise Zaboon von Toshiba zur Reduktion der Waschzeit fur mehr Waschkraft weniger Vibrationen geringere Gerauschentwicklung und einen kompakten einfachen Aufbau Technische Optik Bearbeitung von Oberflachen mittels magnetorheologischem PolierenSiehe auchMagnetorheologische Elastomere Ferromagnetismus Magnetohydrodynamik Elektrorheologische FlussigkeitWeblinksDissertation Florian Zschunke Aktoren auf Basis des magnetorheologischen Effekts PDF 6 MB Patentanmeldung DE102004040782A1 Oxidationsbestandige magnetorheologische Flussigkeit Angemeldet am 23 August 2004 veroffentlicht am 31 Marz 2005 Anmelder General Motors Corp Erfinder John C Ulicny Yang T Cheng EinzelnachweiseArtur Grunwald Design and Optimization of Magnetostrictive Actuator Dissertation Hrsg Dublin City University Ireland August 2007 dcu ie PDF 84 5 MB MRF Fahrwerksdampfer im neuen Acura MDX 2010 Memento des Originals vom 9 September 2010 im Internet Archive Info Der 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