DE112004001931T5

DE112004001931T5 - Dämpfer mit magnetorheologischem Fluid

Info

Publication number: DE112004001931T5
Application number: DE112004001931T
Authority: DE
Inventors: Chandra Sekhar Troy Namuduri; Alan Lampe Grosse Pointe Browne; Nancy L. Northville Johnson
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-08-24
Also published as: US20050087408A1; WO2005045272A1; CN1871447A; CN100504100C; US7225905B2

Abstract

Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp, umfassend:
eine Axialwelle, die eine Außengewindefläche in Gewindeverbindung mit einem abgedichteten Gehäuse umfasst, wobei sich mindestens ein Ende der Axialwelle von dem Gehäuse erstreckt;
mindestens einen Rotor, der in dem Gehäuse angeordnet ist und eine planare Fläche mit einer zentral angeordneten Öffnung umfasst, die mit der Gewindefläche der Axialwelle drehbar in Eingriff steht;
mindestens einen Stator, der von dem mindestens einen Rotor beabstandet ist und benachbart zu diesem liegt, wobei der Stator fest an dem Gehäuse angebracht ist und eine zentral angeordnete Öffnung, die dimensioniert ist, um eine vertikale Bewegung der Axialwelle zu ermöglichen, und eine planare Fläche im Wesentlichen parallel zu der planaren Fläche des mindestens einen Rotors umfasst;
ein magnetorheologisches Fluid, das in einem Raum angeordnet ist, der durch den mindestens einen Rotor und den mindestens einen Stator definiert ist; und
ein Mittel zum Anlegen eines im Wesentlichen senkrechten...

Description

Hintergrund
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen einen Dämpfer mit magnetorheologischem Fluid und im Besonderen einen Dämpfer mit magnetorheologischem Fluid, der eine erhöhte Schergrenzfläche pro Volumeneinheit der Vorrichtung bereitstellt.
Magnetorheologische Fluide (MR-Fluide) gehören zu einer Klasse von steuerbaren Fluiden. Die wesentliche Eigenschaft dieser Fluide ist ihre Fähigkeit, sich in Millisekunden reversibel von einer frei fließenden, linearen, viskosen Flüssigkeit zu einem Halb-Festkörper mit steuerbarer Dehnfestigkeit zu verändern, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Bei Fehlen eines angelegten Feldes sind MR-Fluide praktisch näherungsweise Newtonsche Flüssigkeiten.
Ein typisches MR-Fluid weist etwa 20 bis etwa 40 Volumenprozent relativ reine Weicheisenpartikel auf, typischerweise etwa 3 bis etwa 5 Mikron, die in einer Trägerflüssigkeit, wie etwa Mineralöl, synthetischem Öl, Wasser oder Glykol suspendiert sind. Eine Vielfalt von proprietären Additiven ähnlich denen, die in handelsüblichen Schmiermitteln zu finden sind, wird üblicherweise hinzugefügt, um ein Absetzen durch Schwerkraft zu verhindern und die Partikelsuspension zu fördern, die Schmierfähigkeit zu verbessern, die Viskosität zu modifizieren und Verschleiß zu vermeiden. Die Reißfestigkeit des MR-Fluids hängt von dem Quadrat der Sättigungsmagnetisierung der suspendierten Partikel ab.
MR-Fluide, die aus Eisenpartikeln hergestellt sind, zeigen typischerweise maximale Dehnfestigkeiten von 30 bis 90 kPa für angelegte Magnetfelder von 150–250 kA/m (1 Oe·80 A/m). MR-Fluide sind gegenüber Feuchtigkeit oder anderen Verunreinigungen, auf die man während der Herstellung und im Gebrauch treffen könnte, nicht sehr empfindlich. Da der magnetische Polarisationsmechanismus durch die Oberflächenchemie von grenzflächenaktiven Stoffen und Additiven nicht beeinflusst wird, ist es darüber hinaus eine relativ unkomplizierte Sache, MR-Fluide trotz der großen Unausgeglichenheit der Dichte gegen Partikel-Flüssigkeits-Trennung zu stabilisieren.
Die meisten Vorrichtungen wenden MR-Fluide in einem Ventilmodus, einem Modus direkter Scherung oder einer Kombination aus diesen zwei Modi an. Beispiele von Vorrichtungen mit Ventilmodus umfassen Servoventile, Dämpfer und Stoßabsorber. Beispiele von Vorrichtungen mit Modus direkter Scherung umfassen Bremsen und Dämpfer mit variabler Reibung. Die maximale Hubkraft, die ein MR-Dämpfer bereitstellen kann, hängt im Allgemeinen von den Eigenschaften des MR-Fluides, dem Strömungsmuster und der Größe des Dämpfers ab.
Jedoch ist der Bereich von Hubkräften, die mit gegenwärtigen MR-Materialien, Strömungsmustern und Dämpfergeometrien erzielbar sind, für diese Vorrichtungen nicht ausreichend, um für manche Anwendungen, beispielsweise für Unfallmanagementanwendungen, praktisch geeignet zu sein. Für diese Arten von Anwendungen ist eine erhöhte Schergrenzfläche pro Volumeneinheit erwünscht, da sie direkt die verfügbare Hubkraft erhöht.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Hierin ist ein magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp offenbart, umfassend eine Axialwelle mit einer Außengewindefläche in Gewindeverbindung mit einem abgedichteten Gehäuse, wobei sich mindestens ein Ende der Axialwelle von dem Gehäuse erstreckt; mindestens einen Rotor, der in dem Gehäuse angeordnet ist und eine planare Fläche mit einer zentral angeordneten Öffnung umfasst, die drehbar mit der Gewindefläche der Axialwelle in Eingriff steht; mindestens einen Stator, der von dem mindestens einen Rotor beabstandet ist und benachbart zu diesem liegt, wobei der Stator fest an dem Gehäuse angebracht ist und eine zentral angeordnete Öffnung, die dimensioniert ist, um eine vertikale Bewegung der Axialwelle zu ermöglichen, und eine planare Fläche im Wesentlichen parallel zu der planaren Fläche des mindestens einen Rotors umfasst; magnetorheologisches Fluid, das in einem Raum angeordnet ist, der durch den mindestens einen Rotor und den mindestens einen Stator definiert ist; und ein Mittel zum Anlegen eines im Wesentlichen senkrechten Magnetfeldes an das magnetorheologische Fluid relativ zu der planaren Fläche des mindestens einen Stators.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der magnetorheologische Dämpfer vom Schraubentyp ein Axialwelle, die eine Außengewindefläche in Gewindeverbindung mit einem abgedichteten Gehäuse umfasst, wobei sich mindestens ein Ende der Axialwelle von dem Gehäuse erstreckt; mehrere Rotoren und Statoren, die abwechselnd in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei die mehreren Rotoren eine planare Fläche mit einer zentral angeordneten Öffnung umfassen, die drehbar mit der Gewindefläche der Axialwelle in Eingriff steht, wobei die mehreren Statoren fest an dem Gehäuse angebracht sind und eine zentral angeordnete Öffnung, die dimensioniert ist, um eine vertikale Bewegung der Axialwelle zu ermöglichen, und eine planare Fläche im Wesentlichen parallel zu der planaren Fläche des mindestens einen Rotors umfassen, und wobei abwechselnde Statoren einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten umfassen; und ein magnetorheologisches Fluid, das in einem Raum angeordnet ist, der durch die mehreren Rotoren und Statoren definiert ist.
Ein Verfahren zum Betreiben eines magnetorheologischen Dämpfers vom Schraubentyp zum variablen Umwandeln einer linearen Kraft in eine rotatorische Kraft umfasst, dass eine Kraft axial auf eine Axialwelle eines magnetorheologischen Dämpfers vom Schraubentyp aufgebracht wird, wobei der magnetorheologische Dämpfer vom Schraubentyp umfasst: die Axialwelle, die eine Außengewindefläche in Gewindeverbindung mit einem abgedichteten Gehäuse aufweist, mindestens einen Rotor, der in dem abgedichteten Gehäuse angeordnet ist und eine planare Fläche mit einer zentral angeordneten Öffnung umfasst, die drehbar mit der Gewindefläche der Axialwelle in Eingriff steht, mindestens einen Stator, der von dem mindestens einen Rotor beabstandet ist und benachbart zu diesem liegt, wobei der Stator fest an dem Gehäuse angebracht ist und eine zentrale angeordnete Öffnung, die dimensioniert ist, um eine vertikale Bewegung der Axialwelle zu ermöglichen, und eine planare Fläche im Wesentlichen parallel zu der planaren Fläche des mindestens einen Rotors umfasst, und ein magnetorheologisches Fluid, das in einem Raum angeordnet ist, der durch den mindestens einen Rotor und den mindestens einen Stator definiert ist; und dass ein im Wesentlichen senkrechtes Magnetfeld an das magnetorheologische Fluid relativ zu der planaren Fläche des mindestens einen Stators variabel angelegt wird, um die lineare Kraft, die auf die Axialwelle aufgebracht wird, variabel in die rotatorische Kraft umzuwandeln.
Ein magnetorheologischer Dämpfer, wobei der Dämpfer umfasst ein zylindrisch geformtes Gehäuse; ein magnetorheologisches Fluid, das in dem zylindrisch geformten Gehäuse angeordnet ist; eine Kolbenanordnung, die in dem zylindrisch geformten Gehäuse in Gleiteingriff angeordnet ist, wobei das zylindrisch geformte Gehäuse eine erste Kammer und eine zweite Kammer definiert, wobei die Kolbenanordnung einen kreisring- und sternförmigen Strömungskanal, der sich von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer erstreckt, und einen Elektromagneten umfasst, der zentral in der Kolbenanordnung angeordnet ist; und eine Energieversorgung in elektrischer Verbindung mit dem Elektromagneten.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der magnetorheologische Dämpfer ein zylindrisch geformtes Gehäuse; ein magnetorheologisches Fluid, das in dem zylindrisch geformten Gehäuse angeordnet ist; eine Kolbenanordnung, die in dem zylindrisch geformten Gehäuse in Gleiteingriff angeordnet ist, wobei das zylindrisch geformte Gehäuse eine erste Kammer und eine zweite Kammer definiert, wobei die Kolbenanordnung mehrere spiralförmige Durchbrechungen, die sich von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer erstrecken, und einen Elektromagneten umfasst, der zentral in der Kolbenanordnung angeordnet ist; und eine Energieversorgung in elektrischer Verbindung mit dem Elektromagneten.
Die oben beschriebenen und weiteren Merkmale werden beispielhaft durch die folgenden Figuren und die ausführliche Beschreibung ausgeführt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun Bezug auf die Figuren genommen, die beispielhafte Ausführungsformen sind, und in denen gleiche Elemente gleich nummeriert sind:
1 ist eine Querschnittsansicht eines magnetorheologischen Dämpfers;
2 ist eine Querschnittsansicht eines magnetorheologischen Dämpfers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 ist eine Stirnansicht der Kolbenanordnung des MR-Dämpfers von 2 gemäß einer Ausführungsform; und
4 ist eine Perspektivansicht der Kolbenanordnung des MR-Dämpfers von 2 gemäß einer anderen Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin ist ein Dämpfer mit magnetorheologischem Fluid offenbart, der hierin auch als MR-Dämpfer bezeichnet wird. Der MR-Dämpfer ist besonders für die Verwendung in Anwendungen geeignet, die eine Dämpfungssteuerung wünschen, und wendet in einer bevorzugten Ausführungsform eine Konstruktion an, die eine Zunahme der Schergrenzfläche pro Volumeneinheit der Vorrichtung bereitstellt, was die Axialhubkraft erhöht, wodurch einige der aus dem Stand der Technik bekannten Probleme überwunden werden. Es ist bekannt, dass ein großes Verstärkungsverhältnis [engl.: turn-up ratio] mit einer Verringerung der Kraft im Aus-Zustand und/oder durch Verbessern/Erhöhen der Anfangskraft im Ein-Zustand erhalten werden kann. Die Anfangskraft im Ein-Zustand hängt von der Dehnfestigkeit des MR-Fluids ab, die vorwiegend von der magnetischen Flussdichte in den Fluidströmungsspalten abhängt. Es ist entdeckt worden, dass durch Erhöhen der Schergrenzfläche pro Volumeneinheit der Vorrichtung, die durch die Fluidkanäle bereitgestellt wird, ein großes Verstärkungsverhältnis erhalten werden kann.
1 veranschaulicht einen Querschnitt eines Dämpfers 10 mit magnetorheologischem Fluid (MR) vom Schraubentyp, der eine erhöhte Schergrenzfläche von Fluidkanälen pro Volumeneinheit der Vorrichtung aufweist. Der Dämpfer 10 mit MR-Fluid umfasst eine Gewindewelle 12, die mit einem zylindrisch geformten Gehäuse 14 drehbar in Eingriff steht, um eine lineare Bewegung in eine rotatorische Bewegung umzuwandeln. Die Steigung der Welle 12 hängt von der vorgesehenen Anwendung ab. Im Allgemeinen ist der hierin beschriebene Dämpfer mit MR-Fluid vom Schraubentyp für vertikale Lasten, die einen hohen Widerstand erfordern, erwünscht. Das zylindrisch geformte Gehäuse 14 ist an beiden Enden mit Endkappen 16, 18 abgedichtet, wobei die Gewindewelle vorzugsweise zentral im Gehäuse 14 angeordnet ist.
Es sind mehrere Platten in dem Gehäuse 14 angeordnet, wobei abwechselnde Platten 20, 22 mit der Welle 12 in Gewindeeingriff stehen bzw. fest an dem Gehäuse 14 angebracht sind. Diejenigen Platten, die mit der Welle 12 in Gewindeeingriff stehen, werden hierin als Rotoren 20 bezeichnet, wohingegen diejenigen Platten, die fest an dem Gehäuse 14 angebracht sind, als Statoren 22 bezeichnet werden. Jeder Rotor 20 ist von einem benachbarten Stator 22 beabstandet und im Wesentlichen parallel zu diesem angeordnet. Ausrichtungslager 24 sind an dem freien Ende 26 des Rotors 20 angeordnet, um während einer Drehung der Rotoren 20 eine horizontale Ausrichtung um eine feste Ebene aufrechtzuerhalten. Wahlweise sind zusätzliche Ausrichtungslager um den Rotor herum angeordnet, um Axiallasten zu tragen und Zwischenräume zwischen dem benachbarten Stator und dem mindestens einen Rotor aufrechtzuerhalten. Es kann beispielsweise erwünscht sein, Lager in enger Nähe zu der Welle 12 zu haben, um das Ausmaß an Drehmoment- und Spannungsermüdung zu vermindern, das während seiner Drehung auftreten kann. Gleichermaßen kann ein Ausrichtungslager im mittleren Bereich des Rotors angeordnet sein, um einen Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem benachbarten Stator aufrechtzuerhalten.
Der Abstand zwischen gegenüberliegenden Rotoren und Statoren kann variieren oder durchgehend gleichförmig sein. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen und benachbart zu dem Rotor und Stator etwa 0,1 bis etwa 2 mm, wobei etwa 0,5 bis etwa 1,5 mm stärker bevorzugt ist, etwa 0,75 bis etwa 1,25 noch stärker bevorzugt ist und weniger als etwa 1 mm besonders bevorzugt ist. Ein magnetorheologisches Fluid 28 ist in dem Raum angeordnet, der durch die abwechselnden Rotoren 20 und Statoren 22 gebildet ist. Es ist herausgefunden worden, dass die bevorzugten Abstände während der gesamten Scherung in dem Ein-Zustand eine relativ große Kraft bereitstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jeder zweite Stator 22 einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten, die in der Lage sind, senkrecht orientierte Magnetfelder 30 in Bezug auf den Stator 22 bereitzustellen, wobei die Magnetfelder 30 ausreichen, um die Dehnfestigkeitseigenschaften des MR-Fluids in den Räumen um den benachbarten Rotor 20 herum zu verändern. Auf diese Weise kann die Dehnfestigkeit des MR-Fluids 28 fest sein, wie im Fall eines Permanentmagneten, oder veränderlich, wie im Fall eines Elektromagneten. Der elektromagnetische Stator 22 umfasst im Allgemeinen eine Spule aus Draht, der um den Stator gewickelt ist, wobei ein Magnetfeld 30 erzeugt wird, indem ein Strom durch den Draht fließen gelassen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spule um einen zentralen Abschnitt des Stators gewickelt, wie es gezeigt ist. Der Strom kann ein Wechselstrom oder ein Gleichstrom sein. Darüber hinaus können verschiedene elektromagnetische Statoren abhängig von der gewünschten Konfiguration oder Anwendung in Reihe oder parallel geschaltet sein.
Die Anzahl von Rotoren und Platten wird von der gewünschten Anwendung abhängen. Im Allgemeinen nimmt die Grenzflächen-Scherfläche zu, wenn die Anzahl von Rotoren und Statoren erhöht wird. Vorzugsweise ist die Anzahl von Statoren gleich (n) und die Anzahl von Rotoren ist gleich (n + 1), wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist. Auf diese Weise sind vorzugsweise Rotoren 20 an jedem Ende der Welle 12 angeordnet, um das maximale Ausmaß an Grenzflächenscherung während des Ein-Zustandes bereitzustellen.
Während des Betriebes bewirkt eine angelegte axiale Kraft auf die Gewindewelle, dass die Rotoren rotieren und somit eine Scherung des MR-Fluids in den Räumen bewirken, die durch den Rotor 20 und einen benachbarten stationären Stator 22 definiert sind. Auf diese Weise kann die Hubkraft variabel gesteuert werden, wie im Fall eines Elektromagneten, indem der Strom verändert wird. In dem Ein-Zustand resultiert ein erhöhtes Verstärkungsverhältnis und es werden auch vorteilhaft bessere Dämpfungsfähigkeiten bereitgestellt.
2 stellt eine Querschnittsansicht eines magnetorheologischen Dämpfers gemäß einer zweiten Ausführungsform dar. Der Dämpfer 50 mit MR-Fluid umfasst eine Kolbenanordnung, die allgemein mit 52 bezeichnet ist, welche in einem zylindrisch geformten Gehäuse 54 verschiebbar in Eingriff steht. Das zylindrisch geformte Gehäuse 54 ist an beiden Enden mit Endkappen 56, 58 abgedichtet. Auf diese Weise definiert die Kolbenanordnung 52 eine erste Kammer 62 und eine zweite Kammer 64, die beide mit einem MR-Fluid gefüllt sind. Ein schwimmender Kolben 60 ist in dem Gehäuse 54 in der Nähe der Endkappe 58 angeordnet. Eine dritte Kammer 65, die durch den schwimmenden Kolben 60 und das Gehäuseende 58 definiert ist, ist mit einem inerten Gas gefüllt. Als solche ist die dritte Kammer 65 von dem MR-Fluid getrennt. Der schwimmende Kolben 60 und das inerte Gas darin gleichen das variierende Stangenvolumen während der Bewegung der Kolbenanordnung 52 aus.
Die Kolbenanordnung 52 ist an einer hohlen Stange 66 angebracht, die in einem abgedichteten Lager 68 gleitet, das benachbart zu der Endkappe 56 angeordnet ist. Ein Draht 60 ist in einem inneren Bereich, der durch die hohle Stange 66 bereitgestellt wird, angeordnet. Ein Ende des Drahtes 70 steht mit einer Spule 72 in der Kolbenanordnung 52 in elektrischer Verbindung. Die Spule 72 ist in der Lage, einen variablen Strom zu transportieren, um ein Magnetfeld mit einer variablen und steuerbaren magnetischen Flussdichte abhängig von der Größe des Stromes zu erzeugen. Auf diese Weise können die Viskositäts- und Schereigenschaften des in der Kolbenanordnung 52 angeordneten MR-Fluids gesteuert werden. Alternativ kann ein Permanentmagnet für MR-Dämpfer angewandt werden, wenn ein festes Magnetfeld erwünscht ist. Das andere Ende des Drahtes steht mit einer Energieversorgung (nicht gezeigt) in elektrischer Verbindung, um der Spule 72 Strom zuzuführen, welcher abhängig von der gewünschten Anwendung ein Wechselstrom oder ein Gleichstrom sein kann.
Ein Kolbenlager 74 ist an einer kreisringförmigen Fläche der Kolbenanordnung 52 montiert, um einen glatten Gleitkontakt entlang einer Wand des zylindrisch geformten Gehäuses 54 zuzulassen, während eine fluidische Dichtung zwischen der ersten Kammer 62 und der zweiten Kammer 64 geschaffen wird. Die Kolbenanordnung 52 umfasst darüber hinaus einen kreisring- und sternförmigen Strömungskanal 76, der sich durch die Kolbenanordnung 52 erstreckt, um eine Fluidverbindung des MR-Fluids zwischen der ersten und der zweiten Kammer 62 bzw. 64 zuzulassen. Wie es deutlich in 3 gezeigt ist, weist der kreisring- und sternförmige Strömungskanal 76 einen im Allgemeinen gezackt geformten Querschnitt auf, wodurch die Fähigkeit einer wesentlich größeren Querschnittsfläche als in früheren Konstruktionen bereitgestellt wird. Die durch den kreisring- und sternförmigen Strömungskanal 76 bereitgestellte Querschnittsfläche hängt im Allgemeinen von der gewünschten Anwendung ab. Um das Verstärkungsverhältnis zu maximieren, ist es bevorzugt, dass die Querschnittsfläche, die durch den kreisring- und sternförmigen Strömungskanal 76 bereitgestellt wird, mindestens etwa 30 Prozent der verfügbaren Querschnittsfläche der Kolbenanordnung 52 darstellt, wobei größer als etwa 40 Prozent stärker bevorzugt ist und größer als 50 Prozent noch stärker bevorzugt ist (die theoretische obere Grenze beträgt etwa 78 Prozent). Im praktischen Gebrauch kann dies wahrscheinlich nicht mehr als 60 Prozent sein, da die Zellenwände eine ausreichende Dicke, d.h. Dehnfestigkeit, erfordern, um aufgebrachten Lasten standzuhalten. Die Zunahme des Volumens, die durch den kreisring- und sternförmigen Strömungskanal 76 bereitgestellt wird, erhöht den Schergrenzflächenwert, wodurch die Hubkraft gesteigert wird.
Der kreisring- und sternförmige Strömungskanal 76 kann mit Kreisringen gebildet sein, wobei jeder Ring gestapelt angeordnet und ausgerichtet ist, um den kreisring- und sternförmigen Strömungskanal 76 zu bilden. Die Ringe können an ihrer Stelle mittels der Endkappen verriegelt sein. Der Querschnittsdurchmesser der zylindrisch geformten Bohrungen 76 kann gleich oder unterschiedlich sein. Vorzugsweise bestehen die Kreisringe, die den sternförmigen Strömungskanal 76 definieren, aus steifem, nicht magnetischem Material, wie etwa Kunststoff, rostfreiem Stahl, Aluminium, Nickel und dergleichen.
Die Kolbenanordnung 52 kann ferner Endplatten 80 an jedem Ende umfassen, die vorzugsweise derart bemessen sind, dass sie die jeweilige Stirnfläche des Kolbenkerns 72 bedecken, ohne eine Fluidströmung durch den kreisring- und sternförmigen Strömungskanal 76 zu behindern. Die Endplatten 80 fungieren auch, um das Magnetfeld in dem kreisring- und sternförmigen Strömungskanal 76 zu maximieren, indem eine Flussleckage minimiert und dadurch die Anfangskraft im Ein-Zustand erhöht wird, dadurch dass sie als magnetische Isolationsbarriere zwischen dem Kolbenkern 72 und sowohl der Stange 66 als auch dem Zylinder 54 fungieren. Als solche sind die Endplatten 80 vorzugsweise aus steifem, nicht magnetischem Material gebildet.
4 veranschaulicht die Kolbenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform. In dieser Ausführungsform umfasst die Kolbenanordnung mehrere spiralförmige Öffnungen 100, d.h. wendelförmige Öffnungen, von denen eine durch die gepunktete Linienstruktur gezeigt ist. Wie zuvor erhöhen die mehreren spiralförmigen Öffnungen 100 vorteilhafterweise die offene Querschnittsfläche, um das Verstärkungsverhältnis zu maximieren. Durch die Verwendung einer spiralförmigen Öffnung können größere Mengen an magnetorheologischem Fluid einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Andere geeignete Schlitzgeometrien, die die Fläche von geschertem Fluid noch weiter erhöhen würden, würden sich tiefer in die Welle in Richtung ihrer Mitte erstrecken und Querschnitte in der horizontalen Ebene aufweisen, die in verschiedener Weise mehr wie halbe Ellipsen, Parabeln, Rechtecke oder Rhomben geformt wären.
Geeignete Materialien für MR-Fluide umfassen ferromagnetische oder paramagnetische Partikel oder Feststoffe, die in einem Trägerfluid dispergiert sind, wobei man aber nicht darauf beschränkt ist. Geeignete paramagnetische Partikel oder Feststoffe umfassen Verbindungen, die Oxide, Chlori de, Sulfate, Sulfide, Hydrate umfassen, und andere organische oder anorganische Verbindungen aus Cer, Chrom, Cobalt, Dysprosium, Erbium, Europium, Gadolinium, Holmium, Eisen, Mangan, Neodym, Nickel, Praseodym, Samarium, Terbium, Titan, Uran, Vanadium und Yttrium. Bevorzugte Feststoffe umfassen Legierungen aus Eisen, Nickel, Mangan und Cobalt mit oder ohne andere nichtmagnetische Elemente; Legierungen aus Eisen, Nickel, Mangan und Cobalt mit Gadolinium; und dergleichen, wie etwa jene, die Aluminium, Silizium, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molbydän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen; Eisenoxide, die Fe₂O₃ und Fe₃O₄ einschließen; Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel und Nickellegierungen; Cobalt und Cobaltlegierungen; Chromdioxid; rostfreier Stahl; Siliziumstahl; und dergleichen. Beispiele von geeigneten Feststoffen umfassen Reineisenpulver, Reduktioneisenpulver, Eisenoxidpulver/Reineisenpulver-Gemische und Eisenoxidpulver/Reduktionseisenpulver-Gemische. Ein bevorzugter magnetisch ansprechender Feststoff ist Carbonyleisen, vorzugsweise reduziertes Carbonyleisen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das magnetorheologische Fluid ein Gemisch aus Carbonyleisen und Zinkoxid, Siliziumdioxid, Molybdänsulfid oder Bornitid oder eine Kombination, die mindestens eines vorstehenden anorganischen Materialien mit Carbonyleisen umfasst.
Die Partikelgröße sollte derart gewählt sein, dass die Partikel Mehrdomäneneigenschaften zeigen, wenn sie dem Magnetfeld ausgesetzt werden. Durchmessergrößen für die Partikel können kleiner oder gleich etwa 1000 Mikrometer sein, wobei kleiner oder gleich etwa 500 Mikrometer bevorzugt ist und kleiner oder gleich etwa 100 Mikrometer stärker bevorzugt ist. Ebenso bevorzugt ist ein Partikeldurchmesser von größer oder gleich etwa 0,1 Mikrometer, wobei größer oder gleich etwa 0,5 stärker bevorzugt ist und größer oder gleich etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt ist. Die Partikel sind vorzugsweise in einer Menge von etwa 5 bis etwa 75 Vol.-% der Gesamtzusammensetzung vorhanden.
Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nicht polare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen Silikonöle; Mineralöle; Paraffinöle; Silikoncopolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatoröle; halogenierte organische Flüssigkeiten, wie etwa chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester; Polyoxyalkylene; fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische Kohlenwasserstofföle, die sowohl ungesättigte als auch gesättigte einschließen; und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Fluide umfassen, wobei man aber nicht darauf beschränkt ist.
Die Viskosität der Trägerkomponente ist bevorzugt kleiner oder gleich etwa 100 Pascalsekunde (100.000 Centipoise), wobei kleiner oder gleich etwa 10 Pascalsekunden (10.000 Centipoise) stärker bevorzugt ist und kleiner oder gleich etwa 1 Pascalsekunden (1000 Centipoise) noch stärker bevorzugt ist. Ebenso bevorzugt ist eine Viskosität von größer oder gleich etwa 0,001 Pascalsekunde (1 Centipoise), wobei größer oder gleich etwa 0,25 Pascalsekunde (250 Centipoise) stärker bevorzugt ist und größer oder gleich etwa 0,5 Pascalsekunde (500 Centipoise) besonders bevorzugt ist.
Es können auch wässrige Trägerfluide verwendet werden, insbesondere diejenigen, die hydrophile Mineraltone umfassen, wie etwa Bentonit und Hectorit. Das wässriger Trägerfluid kann Wasser oder Wasser mit einer kleinen Menge polarer, wassermischbarer organischer Lösungsmittel, wie etwa Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen umfassen. Die Men ge an polaren organischen Lösungsmitteln ist kleiner oder gleich etwa 5,0 Vol.-% des Gesamt-MR-Fluids und bevorzugt kleiner oder gleich etwa 3,0 %. Auch ist die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln vorzugsweise größer oder gleich etwa 0,1 %, und stärker bevorzugt größer oder gleich etwa 1,0 Vol.-% des Gesamt-MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist bevorzugt kleiner oder gleich etwa 13 und stärker bevorzugt kleiner oder gleich etwa 9,0. Auch ist der pH des wässrigen Trägerfluids größer oder gleich etwa 5,0 und bevorzugt größer oder gleich etwa 8,0.
Es kann natürliches oder synthetisches Bentonit oder Hectorit verwendet werden. Die Menge an Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist kleiner oder gleich etwa 10 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids, bevorzugt kleiner oder gleich etwa 8,0 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt kleiner oder gleich 6,0 Gewichtsprozent. Bevorzugt ist das Bentonit oder Hectorit mit mehr oder gleich etwa 0,1 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt mehr oder gleich etwa 1,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt mehr oder gleich etwa 2,0 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids vorhanden.
Optionale Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone, organische Tone, Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionsinhibitoren, Schmiermittel, Extremdruck-Verschleißschutzadditive, Antioxidans, thixotrope Mittel und herkömmliche Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennaphthenat, Eisenstearat, Aluminiumdi- und -tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat, und grenzflächenaktive Stoffe, wie etwa Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester und Titanat-, Aluminat- und Zirkonatkupplungsmittel und dergleichen. Polyalkylendiole, wie etwa Polyethylenglykol und partiell veresterte Polyole können ebenfalls enthalten sein.
Die bevorzugten Feststoffe sind Nanopartikel. Geeignete Durchmessergrößen für die Partikel können kleiner oder gleich etwa 500 Nanometer sein, wobei weniger oder gleich etwa 250 Nanometer bevorzugt sind und weniger oder gleich etwa 100 Nanometer am stärksten bevorzugt sind. Auch bevorzugt ist ein Partikeldurchmesser von größer oder gleich etwa 1,0 Nanometer, wobei größer oder gleich 10 Nanometer stärker bevorzugt ist und größer oder gleich etwa 50 Nanometer besonders bevorzugt ist. Die Feststoffe weisen vorzugsweise ein Querschnittsverhältnis von etwa 0,25 bis etwa 4 auf, wobei das Aspektverhältnis definiert ist als das Verhältnis der Länge zu dem äquivalenten Kreisdurchmesser. Die Feststoffe sind vorzugsweise in einer Menge zwischen etwa 5 bis etwa 50 Vol.-% der Gesamt-MR-Zusammensetzung vorhanden. Alternativ können die Partikel größer sein, z.B. Partikel in Mikrongröße, um beim Verändern der Moduleigenschaften des Materials in dem Magnetfeld wirksam zu sein. Jedoch sind Partikel im Nanometerbereich stärker bevorzugt, da die Moduleigenschaften einfacher durch die Wahl der Partikelgröße, der Partikelgrößenverteilung und der Partikelkonzentration zugeschnitten werden können, wenn Partikel im Nanometerbereich verwendet werden.
Geeignete Magnetfeldstärken, die von dem Elektromagneten oder alternativ dem Permanentmagneten erzeugt werden, können in einem Bereich von größer als etwa 0 bis etwa 1 Tesla (T) liegen.
Während die Offenbarung anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben worden ist, werden Fachleute auf dem Gebiet verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente substituiert werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein be sonderes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt wird, die als die beste Ausführungsart offenbart ist, die in Betracht gezogen wird, um diese Offenbarung auszuführen, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Zusammenfassung
Es ist eine magnetorheologische Dämpfervorrichtung vorgesehen, die eine erhöhte Schergrenzfläche pro Volumeneinheit der Vorrichtung aufweist, welche die Hubkraft des Dämpfers steigert. Der Dämpfer umfasst im Allgemeinen eine Axialwelle, umfassend eine Außengewindefläche in Gewindeverbindung mit einem abgedichteten Gehäuse, wobei sich mindestens ein Ende der Axialwelle von dem Gehäuse erstreckt; mehrere Rotoren und Statoren, die abwechselnd in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei die mehreren Rotoren eine planare Fläche mit einer zentral angeordneten Öffnung umfassen, die drehbar mit der Gewindefläche der Axialwelle in Eingriff steht, wobei die mehreren Statoren fest an dem Gehäuse angebracht sind und eine zentral angeordnete Öffnung, die dimensioniert ist, um eine vertikale Bewegung der Axialwelle zu ermöglichen, und eine planare Fläche im Wesentlichen parallel zu der planaren Fläche des mindestens einen Rotors umfassen, und wobei abwechselnde Statoren einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten umfassen; und ein magnetorheologisches Fluid, das in einem Raum angeordnet ist, der durch die mehreren Rotoren und Statoren definiert ist.

Claims

Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp, umfassend: eine Axialwelle, die eine Außengewindefläche in Gewindeverbindung mit einem abgedichteten Gehäuse umfasst, wobei sich mindestens ein Ende der Axialwelle von dem Gehäuse erstreckt; mindestens einen Rotor, der in dem Gehäuse angeordnet ist und eine planare Fläche mit einer zentral angeordneten Öffnung umfasst, die mit der Gewindefläche der Axialwelle drehbar in Eingriff steht; mindestens einen Stator, der von dem mindestens einen Rotor beabstandet ist und benachbart zu diesem liegt, wobei der Stator fest an dem Gehäuse angebracht ist und eine zentral angeordnete Öffnung, die dimensioniert ist, um eine vertikale Bewegung der Axialwelle zu ermöglichen, und eine planare Fläche im Wesentlichen parallel zu der planaren Fläche des mindestens einen Rotors umfasst; ein magnetorheologisches Fluid, das in einem Raum angeordnet ist, der durch den mindestens einen Rotor und den mindestens einen Stator definiert ist; und ein Mittel zum Anlegen eines im Wesentlichen senkrechten Magnetfeldes an das magnetorheologische Fluid relativ zu der planaren Fläche des mindestens einen Stators.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 1, der ferner mindestens eine Ausrichtungslager umfasst, das um den mindestens einen Rotor herum positioniert ist, um Axiallasten zu tragen und Zwischenräume zwischen dem benachbarten Stator und dem mindestens einen Rotor aufrechtzuerhalten.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Anlegen eines im Wesentlichen senkrechten Magnetfeldes eine Drahtspule um den mindestens einen Stator herum und eine Energiequelle in elektrischer Verbindung innerhalb der Spule umfasst.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Anlegen eines im Wesentlichen senkrechten Magnetfeldes einen in dem Stator ausgebildeten Permanentmagneten umfasst.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Rotor und der mindestens eine Stator abwechselnd in dem Gehäuse angeordnet sind.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 1, wobei das magnetorheologische Fluid Carbonyleisen und ein anorganisches Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zinkoxid, Siliziumdioxid, Molybdänsulfid und Bornitrid besteht.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 1, wobei das magnetorheologische Fluid ferromagnetische oder paramagnetische Partikel oder Feststoffe umfasst, die in einem Trägerfluid dispergiert sind.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Anlegen eines Magnetfeldes einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten umfasst.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 4, wobei die Partikel in einer Menge von etwa 5 bis etwa 75 Volumenprozent des magnetorheologischen Fluids vorliegen.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Stator von dem mindestens einen Rotor in einem Abstand von etwa 0,1 bis etwa 2 Millimeter beabstandet angeordnet ist und benachbart zu diesem liegt.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Stator von dem mindestens einen Rotor in einem Abstand von weniger als etwa 2 Millimeter beabstandet angeordnet ist und benachbart zu diesem liegt.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp, umfassend: eine Axialwelle, die eine Außengewindefläche in Gewindeverbindung mit einem abgedichteten Gehäuse umfasst, wobei sich mindestens ein Ende der Axialwelle von dem Gehäuse erstreckt; mehrere Rotoren und Statoren, die abwechselnd in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei die mehreren Rotoren eine planare Fläche mit einer zentral angeordneten Öffnung umfassen, die drehbar mit der Gewindefläche der Axialwelle in Eingriff steht, wobei die mehreren Statoren fest an dem Gehäuse angebracht sind und eine zentral angeordnete Öffnung, die dimensioniert ist, um eine vertikale Bewegung der Axialwelle zu ermöglichen, und eine planare Fläche im Wesentlichen parallel zu der planaren Fläche des mindestens einen Rotors umfassen, und wobei abwechselnde Statoren einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten umfassen; und ein magnetorheologisches Fluid, das in einem Raum angeordnet ist, der durch die mehreren Rotoren und Statoren definiert ist.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 12, wobei die mehreren Rotoren und Statoren (n) Statoren und (n + 1) Rotoren umfassen, wobei n eine ganze Zahl ist.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 12, der ferner mindestens ein Ausrichtungslager umfasst, das um den mindestens einen Rotor herum positioniert ist, um Axiallasten zu tragen und Zwischenräume zwischen dem benachbarten Stator und dem mindestens einen Rotor aufrechtzuerhalten.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 12, wobei das magnetorheologische Fluid Carbonyleisen und ein anorganisches Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zinkoxid, Siliziumdioxid, Molybdänsulfid und Bornitrid besteht.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 12, wobei das magnetorheologische Fluid ferromagnetische oder paramagnetische Partikel oder Feststoffe umfasst, die in einem Trägerfluid dispergiert sind.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 12, wobei das Mittel zum Anlegen eines Magnetfeldes einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten umfasst.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 12, wobei die Partikel in einer Menge von etwa 5 bis etwa 75 Volumenprozent des magnetorheologischen Fluids vorliegen.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 12, wobei die mehreren Rotoren und Statoren, die abwechselnd in dem Gehäuse angeordnet sind, in einem Abstand von etwa 0,1 bis etwa 2 Millimeter beabstandet angeordnet sind.
Magnetorheologischer Dämpfer vom Schraubentyp nach Anspruch 12, wobei die mehreren Rotoren und Statoren, die abwechselnd in dem Gehäuse angeordnet sind, in einem Abstand von weniger als etwa 2 Millimeter angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines magnetorheologischen Dämpfers vom Schraubentyp zum variablen Umwandeln einer linearen Kraft in eine rotatorische Kraft, das umfasst, dass: eine Kraft axial auf eine Axialwelle eines magnetorheologischen Dämpfers vom Schraubentyp aufgebracht wird, wobei der magnetorheologische Dämpfer vom Schraubentyp umfasst die Axialwelle, die eine Außengewindefläche in Gewindeverbindung mit einem abgedichteten Gehäuse aufweist, mindestens einen Rotor, der in dem abgedichteten Gehäuse angeordnet ist und eine planare Fläche mit einer zentral angeordneten Öffnung umfasst, die drehbar mit der Gewindefläche der Axialwelle in Eingriff steht, mindestens einen Stator, der von dem mindestens einen Rotor beabstandet angeordnet ist und benachbart zu diesem liegt, wobei der Stator fest an dem Gehäuse angebracht ist und eine zentral angeordnete Öffnung, die dimensioniert ist, um eine vertikale Bewegung der Axialwelle zu ermöglichen, und eine planare Fläche im Wesentlichen parallel zu der planaren Fläche des mindestens einen Rotors umfasst, und ein magnetorheologisches Fluid, das in einem Raum angeordnet ist, der durch den mindestens einen Rotor und den mindestens einen Stator definiert ist; und ein im Wesentlichen senkrechtes Magnetfeld variabel an das magnetorheologische Fluid relativ zu der planaren Fläche des mindestens einen Stators angelegt wird, um die lineare Kraft, die auf die Axialwelle aufgebracht wird, variabel in die rotatorische Kraft umzuwandeln.
Magnetorheologischer Dämpfer, wobei der Dämpfer umfasst: ein zylindrisch geformtes Gehäuse; ein magnetorheologisches Fluid, das in dem zylindrisch geformten Gehäuse angeordnet ist; eine Kolbenanordnung, die in dem zylindrisch geformten Gehäuse in Gleiteingriff angeordnet ist, wobei das zylindrisch geformte Gehäuse eine erste Kammer und eine zweite Kammer definiert, wobei die Kolbenanordnung einen kreisring- und sternförmigen Strömungskanal, der sich von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer erstreckt, und einen Elektromagneten umfasst, der zentral in der Kolbenanordnung angeordnet ist; und eine Energieversorgung in elektrischer Verbindung mit dem Elektromagneten.
Magnetorheologischer Dämpfer, wobei der Dämpfer umfasst: ein zylindrisch geformtes Gehäuse; ein magnetorheologisches Fluid, das in dem zylindrisch geformten Gehäuse angeordnet ist; eine Kolbenanordnung, die in dem zylindrisch geformten Gehäuse in Gleiteingriff angeordnet ist, wobei das zylindrisch geformte Gehäuse eine erste Kammer und eine zweite Kammer definiert, wobei die Kolbenanordnung mehrere spiralförmige Durchbrechungen, die sich von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer erstrecken, und einen Elektromagneten umfasst, der zentral in der Kolbenanordnung angeordnet ist; und eine Energieversorgung in elektrischer Verbindung mit dem Elektromagneten.