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TU Berlin

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Aktoren auf Basis magnetorheologischer Flüssigkeiten (MRF)

Partikel der MRF mit und ohne Magnetfeld
Lupe

Magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) sind Suspensionen aus feinen, magnetisch polarisierbaren Partikeln (Carbonyl-Eisenpulver mit Partikeldurchmesser von einigen µm) in einer ölbasierten Trägerflüssigkeit. Unter Einwirkung eines magnetischen Feldes bilden die Partikel Ketten in Richtung der Feldlinien aus, wodurch der Fließwiderstand der MRF hochdynamisch und weitgehend linear verändert werden kann. Dieser Effekt kann technologisch ausgenutzt werden vor allem in:

  • steuerbaren Dämpfern oder in
  • Kupplungen und Bremsen.

Im Rahmen des durch das BMBF geförderten Projektes „MRF-Bremse“ werden grundlegende Aspekte zur Entwicklung von MRF-Aktoren im Bereich der Antriebstechnik erforscht. Ziel des Forschungsvorhabens ist die gesamtheitliche Modellierung und Konzipierung der neuartigen Aktoren zur funktionssicheren Gestaltung. In einem weiteren vom BMBF geförderten Projekt „HLD-Fluidbrake“ wird an Lösungen für Bremsen mit hohem Leistungsumsatz geforscht. Die Vorteile des Einsatzes magnetorheologischer Flüssigkeiten liegen speziell in der höheren Lebensdauer und besseren thermischen Beständigkeit. Ein Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Untersuchung magnetorheologischer Flüssigkeiten unter der Einwirkung hoher Drehzahlen, um mit den gewonnenen Erkenntnissen für die Anwendung optimierte Aktorgeometrien zu entwickeln, die eine gezielte Steuerung des Fluides für verschiedene Betriebszustände ermöglichen.
Die im Rahmen der beiden Förderprojekte entwickelten Aktoren stellen ein erhebliches Verbesserungspotential speziell für Anwendungen in der Automatisierungs- und Automobiltechnik dar. Wesentliche Vorteile von MRF-Aktoren gegenüber konventionellen, reibbelagbasierten Bremsen und Kupplungen sind

  • ein reproduzierbares, gut einstellbares Bremsmoment,
  • eine geräuscharme Betriebsweise sowie
  • eine weitgehende Verschleiß- und Wartungsarmut.

Diesbezüglich werden neben den geförderten Projekten begleitend Forschungsprojekte bearbeitet, die sich mit der Entwicklung von MRF-Aktoren für automatisierungstechnische und automotive Anwendungen beschäftigen. Eine potentielle  Anwendung von MRF-Aktoren ist die Bewegungssteuerung von Kraftfahrzeugtüren. Neben der Einhaltung von hohen Anforderungen hinsichtlich Bauraum, Gewicht und Drehmoment ist vor allem die Darstellung eines stromlosen Haltemomentes zwingend erforderlich, wofür neuartige Aktortopologien entwickelt wurden.
Darüber hinaus wird an funktionsintegrierten Aktorsystemen geforscht, die  MRF-basierte Bremsen und Kupplungen mit Elektromotoren in einer integrativen Komponente kombinieren und die trotz eines innenliegenden magnetischen Erregungssystems keine nachteiligen Schleifkontakte zur Energieübertragung erfordern. Durch eine spezielle Ausführung der leistungselektronischen Speisung in Verbindung mit den Erregungssystemen wird beispielsweise ermöglicht, ein motorisches Drehmoment neben der Kupplungsfunktion zu erzeugen. Daher eignen sich diese hybriden Aktoren für Anwendungen, die über die eigentliche Kupplungsfunktion hinaus noch ein zuschaltbares Drehmoment erfordern, wie z.B. für zuschaltbare Nebenverbraucher oder im Antriebsstrang von Hybrid-Fahrzeugen.

Für den energieeffizienten Betrieb der MRF-Aktoren im Antriebsstrang von Fahrzeugen wie auch in schnellrotierenden Anwendungen der Industrie sind Maßnahmen zur Vermeidung von Schleppmomenten aufgrund der viskosen Fluideigenschaften erforderlich. Hierfür wurde eine Fluidbewegungssteuerung entwickelt, die die MRF im Leerlauffall durch ein räumlich transientes Magnetfeld in einen sogenannten inaktiven Bereich verdrängt und dort stationär verharren lässt. Hierdurch steht eine der scherenden Flächen nicht mehr im Eingriff mit dem MRF-Fluid, wodurch die viskosen Verluste vollständig eliminiert werden können.    
Die oben geschilderten Forschungsfortschritte bei den MRF-Aktoren bilden im BMWi-Verbundprojekt PHEVplus die Grundlage bei der Entwicklung energieeffizienter Multimode-Getriebe für den Einsatz in Elektro-Hybridfahrzeugen. Hierfür sollen zur Effizienzsteigerung des hybriden Antriebstrangs MRF-Kupplungselemente erforscht werden, die unter anderem durch die Fluidbewegungssteuerung keine bleibenden Schleppmomente im geöffneten Zustand aufweisen und somit zur Reichweitensteigerung der Plug-in-Hybride im elektrischen Betriebsmode beitragen.

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