print Seite drucken

Hochdynamische elektrorheologische Servoantriebe

Kontext

Elektrorheologische Flüssigkeiten (kurz ERF) besitzen die aussergewöhnliche Eigenschaft, ihre rheologischen Eigenschaften in Abhängigkeit eines starken elektrischen Feldes zu verändern. Die Flüssigkeit kann somit in einem hydraulischen Kreislauf neben ihrer Funktion als Druckübertragungsmedium gleichzeitig die Funktion eines Steuermediums übernehmen. Es lassen sich mit elektrorheologischen Strömungswiderständen Ventile realisieren, die ohne bewegte Bauteile auskommen und somit nahezu verschleissfrei arbeiten. Weiterhin wird eine Systemdynamik ermöglicht, die mit konventioneller Ventiltechnik nicht erreicht wird.

ER-Effekte

Das Wirkprinzip einer ERF basiert auf der Polarisierbarkeit von Partikeln, die in einer nichtleitenden Basisflüssigkeit dispergiert sind. Unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes findet eine Polarisation dieser Partikel statt, die sich in einer Änderung des rheologischen Verhaltens der Flüssigkeit widerspiegelt. Die ERF verhält sich ohne Feldeinfluss wie eine newtonsche Flüssigkeit. Unter Feldeinfluss verändert sich das Fließverhalten hin zu einem plastischen Körper. Dies bedeutet, dass sich die Flüssigkeit unterhalb einer kritischen Schubspannung wie ein Festkörper verhält und bei Überschreiten dieser kritischen Schubspannung Flüssigkeitscharakter aufweist. Diese kritische Schubspannung kann in Abhängigkeit des elektrischen Feldes nahezu proportional eingestellt werden. Die Änderung der Schubspannung in der ERF bewirkt somit die gleiche Funktion wie die Änderung der Strömungsquerschnitte in einem Wegeventil.

ER-Ventile

Elektrorheologische Ventile stellen die eigentlichen Energiewandler dar, die aus einem elektrischen Ansteuersignal eine hierzu proportionale Druckdifferenz hervorrufen. In der Darstellung in Bild 1 ist die typische Gestalt eines solchen Ventils zu erkennen. Die Hochspannungselektrode ist aus fertigungstechnischen Gründen sowie aus Gründen der homogenen Feldverteilung häufig rotationssymmetrisch. Sie wird in der kreisrunden Bohrung des geerdeten Gehäuses gelagert. Im Falle einer Durchströmung dieses Ventils mit ERF kann neben der Differenz der beiden Drücke p1 und p2 durch Flüssigkeitsreibung (Newtonsche Reibung) auch eine Druckdifferenz gemessen werden, die proportional zum elektrischen Feld ist, welches sich durch die Spannung U1 zwischen Elektrode und Gehäuse einstellt.

Ringspaltmodell
Bild 1: Ringspaltmodell

Der beschriebe Effekt bildet sich extrem schnell aus. In Bild 2 ist das Sprungantwortverhalten eines ER-Ventils zu erkennen. Die steuerbare Druckdifferenz, die Dynamik dieser Druckdifferenz sowie die elektrische Leistungsaufnahme unterliegen zahlreichen Einflüssen. Am IFAS werden diese Einflüsse untersucht und Richtlinien zur Auslegung solcher Ventile entwickelt /WOL1/, /ZAU1/, /ZAU2/.

Sprungantwort
Bild 2: Sprungantwort

Zylinderantriebe

Auf Basis dieses ER-Effekts sind bereits zahlreiche Applikationen entwickelt worden. Kupplungen, Bremsen, Dämpfer und Aktoren jeglicher Art sind einige Beispiele solcher Anwendungen. Am IFAS werden schwerpunktmäßig Zylinderantriebe entwickelt, die die Dynamik des Effekts für eine hochdynamische Regelung nutzen. Hierbei werden die konventionellen Proportionalventile, die üblicherweise für eine solche Regelung genutzt vollständig durch ER-Ventile ersetzt, die im Bedarfsfall auch komplett in den Zylinderantrieb integriert werden können /FEE1/. Die Animation in Bild 3 zeigt eine A+A Verschaltung eines Zylinderantriebs, wie sie häufig bei Nutzung des ER-Effekts eingesetzt wird.

a+a Verschaltung
Bild 3: A+A Verschaltung

In Zusammenarbeit mit der FLUDICON GmbH/Darmstadt ( www.fludicon.com) ist ein hochdynamischer Zylinderantrieb mit einer Nennkraft von 400N entstanden. Die Kolbenstange des sogenannte RheAct400 konnte in einem Prüfaufbau Frequenzen von über 1000 Hz übertragen. In einer Testmaschine zur Prüfung von Elastomeren wurde eine Anwendung für diesen Aktor gefunden /FEE2/.

Konstruktion von Zylinderantrieben auf Basis von ERF

Neben zahlreichen anderen Arbeiten auf dem Gebiet der ERF, wie z.B. der Prüfung neuer ERF oder der Vermessung neuartiger Ventile, wird am IFAS die strukturierte Entwicklung von Zylinderantrieben auf Basis von ERF untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Simulationsmodell für ER-Ventile entstanden, welches in das Softwaretool DSHplus integriert wird. Dieses Modell basiert auf einem mathematischen Modell, das bereits in einem früheren Projekt entwickelt und für diese Zwecke überarbeitet wurde. Mit dem zur Verfügung stehenden Modell können nun Hydrauliksysteme simuliert werden, die ER-Ventile enthalten. Innerhalb der laufenden Arbeiten konnte ein Design Konzept entwickelt werden, welches in Bild 4 dargestellt ist. Dieses beinhaltet modularisierte Gestaltempfehlungen nach prüf-, fertigungs- und montagegerechten Gesichtspunkten /ZAU3/. In Bild 5 ist ein digitales Modell des unter Zuhilfenahme dieses Design Konzepts entstandenen Zylinderantriebs gezeigt. Dieser Zylinderantrieb wird zur Zeit vermessen.

Design-Konzept
Bild 4: Design-Konzept

Explosionsdarstellung RheAct 1000
Bild 5: Explosionsdarstellung RheAct 1000
/FEE1/ Fees, G.:
Study of the static an dynamic properties of a highly dynamic ER servo drive, O+P Ölhydraulik und Pneumatik, 45 (2001) Nr.1
/FEE2/ Fees, G.:
Hochdynamischer elektrorheologischer Servoantrieb für hydraulische Anlagen, Dissertation, IFAS der RWTH-Aachen, Shaker Verlag, Aachen 1997
/FEE3/ Fees, G. & Wolff-Jesse, C.:
Examination of flow behaviour of electrorheological fluids in the flow mode, Porc Inst Mech Engrs, Vol 212 Part I, 1998
/WOL1/ Wolff-Jesse, C.:
Untersuchung des Einsatzes elektrorheologischer Flüssigkeiten in der Hydraulik, Dissertation, IFAS der RWTH-Aachen, Shaker Verlag, Aachen 1997
/ZAU1/ Zaun, M.:
Trends in Electrorheological Valve Developement, 4th International Fluidpower Conference Dresden, Proceedings pp 533-544, 2004
/ZAU2/ Zaun, M.:
Measurements and Simulation of Electrorheological Valves, O+P Ölhydraulik und Pneumatik, 48 (2004) Nr. 7
/ZAU3/ Zaun, M.:
Design Concept for the development of cylinder drives based on electrorheological fluids, Submitted to 9th Conference on ER-fluids and MR-Suspensions, Beijing 2004
Seite drucken print