Magnetorheologische Flüssigkeiten in Kupplungen

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Fraunhofer IWM: Simulation der Ausbildung von Partikelketten im externen Magnetfeld. a) Ohne Magnetfeld. b) Mit Magnetfeld
Simulation der Ausbildung von Partikelketten im externen Magnetfeld.
a) Ohne Magnetfeld. b) Mit Magnetfeld.

Magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) bestehen aus magnetisierbaren Feststoffpartikeln (meistens Eisen) in einer Trägerflüssigkeit. Bei Anlegen eines externen Magnetfeldes werden die Partikel magnetisiert und bilden Ketten entlang der Feldlinien aus (siehe Abbildung). Dadurch gehen die MRF innerhalb von Millisekunden vom flüssigen in einen festen Zustand über. Dies macht sie interessant für zahlreiche industrielle Anwendungen.

Zu den Vorteilen der MRF zählen:

- Schnelle Reaktionszeit

- Geringer Verschleiß

- Einfaches Design (wenig oder gar keine beweglichen Teile)

- Geringe Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen

- Exakte Steuerbarkeit der Kraftübertragung (in Kupplungen)

- Das externe Feld ist ggf. stromlos durch einen Permanentmagneten erzeugbar; dadurch wird eine hohe Energieeffizienz erreicht.

MRF finden unter anderem in Kupplungen, Stoßdämpfern und Bremsen Einsatz.

Mit dem Simulationspaket SimPARTIX® wird die magnetorheologische Flüssigkeit unter Einsatzbedingungen auf Partikelebene modelliert. Dadurch wird der Einfluss relevanter Parameter auf die Eigenschaften der MRF gezielt untersucht, um die Zusammensetzung der MRF anhand der Ergebnisse im Hinblick auf die betreffende Anwendung zu optimieren.

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Problemstellung

Je nach Einsatzgebiet werden an die MRF unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Fließfähigkeit, Magnetisierbarkeit, etc. gestellt. Im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität wurde der Einsatz von MRF in Kupplungen untersucht. Hier interessierte uns, unter welchen Bedingungen eine möglichst große Drehmomentübertragung erreicht wird. Das Verhalten der MRF wird unter anderem durch den Volumenanteil der Feststoffpartikel in der Flüssigkeit, durch die Partikelgröße und durch die Viskosität des Trägerfluids beeinflusst. Auch das Material der Partikel und die Struktur der Bewandung können eine Rolle spielen.

Mit SimPARTIX® wurde ein numerisches Modell der magnetorheologischen Kupplung erstellt und gezielt die relevanten Parameter (Füllgrad, Bewandung, externes magnetisches Feld, etc.) variiert, um deren Einfluss auf das übertragbare Drehmoment zu untersuchen.

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Ergebnisse

Es stellte sich heraus, dass eine adäquate Berücksichtigung der Partikel-Wand-Wechselwirkung für die Vorhersagekraft des Modells entscheidend ist. Mit einem Modell, welches die Partikel-Wand-Wechselwirkung mittels physikalisch motivierter Kraftgesetze beschreibt, konnte erstmals das experimentell gemessene Schubspannungsverhalten in Abhängigkeit des magnetischen Feldes, der Scherrate, der Fluidviskosität und des Füllgrades reproduziert werden.
Weitere Einflussfaktoren für die Schubspannungsübertragung sind Wandeigenschaften wie Rauheit und Magnetismus, sowie die Beschichtung der suspendierten Partikel. Basierend auf gezielten numerischen Untersuchungen wurden Möglichkeiten zur Erhöhung der Schubspannungsübertragung aufgezeigt.

Neben dem makroskopischen Schubspannungsverhalten konnte auch die mikroskopische Strukturbildung der Partikel durch das Modell gut wiedergegeben werden. Die Simulationen bieten Einblick in die Abläufe innerhalb der Kupplung auf Partikelebene und tragen dadurch zu einem vertieften Verständnis der Mechanismen der Drehmomentübertragung bei.

Fraunhofer IWM: Partikelkette in einem rotierenden Magnetfeld zu verschiedenen Zeitpunkten
Partikelkette in einem rotierenden Magnetfeld zu verschiedenen Zeitpunkten.
Oben: Experiment (aus Melle et al., Physical Review E, 68(4):041503, 2003). Unten: Simulation.

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