DE112006002023T5

DE112006002023T5 - Magnetorheologische Druckfluiddämpfer

Info

Publication number: DE112006002023T5
Application number: DE112006002023T
Authority: DE
Inventors: Yiu Kee Lau; Wei Hsin Liao
Original assignee: Chinese University of Hong Kong CUHK
Current assignee: Chinese University of Hong Kong CUHK
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-06-12
Also published as: CN101218450A; JP4959699B2; WO2007012283A8; HK1118593A1; CN101218450B; WO2007012283A1; JP2009503378A; KR20080038189A; KR101024124B1; US20070023245A1

Abstract

Magnetorheologische Fluidvorrichtung, die aufweist:
a) ein Gehäuse mit einem Hohlraum;
b) einen Bewegungsmechanismus im Hohlraum, wobei das Gehäuse und der Bewegungsmechanismus so positioniert sind, daß sie mindestens einen Arbeitsabschnitt und mindestens eine Kammer im Hohlraum bilden;
c) ein magnetorheologisches Fluid (MR-Fluid) in dem mindestens einen Arbeitsabschnitt und der Kammer, wobei das MR-Fluid einen Druck von mindestens 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) hat; und
d) einen Magnetfeldgenerator, der ein Magnetfeld erzeugt, um auf das MR-Fluid im Arbeitsabschnitt zu wirken und eine Rheologieänderung darin zu verursachen.

Description

Diese Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/703428 , eingereicht am 29. Juli 2005, die durch Verweis insgesamt ausdrücklich eingefügt ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine magnetorheologische (MR-)Fluidvorrichtung und insbesondere einen magnetorheologischen (MR-)Fluidddämpfer mit einem MR-Druckfluid.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Magnetorheologische Fluidvorrichtungen, die ein MR-Fluid als Arbeitsmedium verwenden, um steuerbare Kräfte zur viskosen Dämpfung zu erzeugen, sind für Anwendungen zur Schwingungsdämpfung recht vielversprechend. Verglichen mit der herkömmlichen halbaktiven Vorrichtung, z. B. Dämpfer mit variabler Blende, sprechen MR-Fluiddämpfer schnell an und haben weniger bewegliche Teile (nur die Kolbenanordnung), was sie einfach und zuverlässig macht.
Die gute Anpaßbarkeit von MR-Vorrichtungen schafft auch neue Anwendungen in vielversprechender Flexibilität für sie. Entwickelt wurden vielfältige MR-Vorrichtungen für unterschiedliche Anwendungen, z. B. MR-Drehvorrichtungen, die in Trainingsgeräten, Kupplungen und Bremsen zum Einsatz kommen; und lineare MR-Vorrichtungen, die in Aufhängungssystemen von Automobilen oder Schienenfahrzeugen bzw. Eisenbahnfahrzeugen verwendet werden.
In einer MR-Vorrichtung gewöhnlich gebrauchte MR-Fluide sind eine Art von steuerbaren Fluiden, die eine reversible Änderung von einer viskosen Flüssigkeit zu einer halbfesten (rheologische Änderung) mit einer steuerbaren Zähigkeit bzw. Fließfestigkeit bzw. Zähflüssigkeit in Millisekunden vollführen können, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Ein verbreitetes MR-Fluid weist drei Hauptkomponenten auf: dispergierte ferromagnetische Teilchen, eine Trägerflüssigkeit und einen Stabilisator. Ist kein Magnetfeld angelegt (Aus-Zustand), fließt das MR-Fluid frei wie eine gewöhnliche Flüssigkeit. Liegt ein Magnetfeld mit ausreichender Stärke an (Ein-Zustand), erhalten die ferromagnetischen Teilchen Dipolmomente, die in Richtung des Magnetfelds ausgerichtet sind, um lineare Ketten parallel zum angelegten Feld zu bilden. Somit verfestigt diese Erscheinung das MR-Fluid, was zu einer Zunahme der Fließfestigkeit bzw. Zähflüssigkeit des MR-Fluids führt und die Bewegung des MR-Fluids einschränkt. Die Zähflüssigkeit des Fluids steigt mit zunehmender Stärke des angelegten Magnetfelds. Sobald das angelegte Magnetfeld wegfällt, wird innerhalb von Millisekunden aus dem MR-Fluid wieder die frei fließende Flüssigkeit.
Ein verbreiteter MR-Dämpfer kann eine Kolbenanordnung mit einer Kolbenstange aufweisen, die in einem Innenabschnitt eines geschlossenen Dämpferkörpers gleitet, der mit MR-Fluiden vollständig gefüllt ist. Die Kolbenstange hat mindestens ein Ende, das an der Kolbenanordnung im Dämpferkörper angebracht ist, und hat mindestens ein Ende außerhalb des Dämpferkörpers.
Der Dämpferkörper und mindestens ein Ende der Kolbenstange sind an separaten Aufbauten angebracht, um für eine Dämpfungskraft in Richtung der Kolbenstange gemäß der Relativbewegung zwischen diesen beiden separaten Aufbauten zu sorgen. Bei Verschiebung des Kolbens werden die MR-Fluide gezwungen, sich aus einer Kompressionskammer in eine Expansi onskammer im MR-Dämpfer über eine Blende zu bewegen. Danach werden die MR-Fluide innerhalb der Blende einem angelegten Magnetfeld mit unterschiedlichen Größen bei Anlegungsvorgängen ausgesetzt. Erzeugt wird das Magnetfeld durch einen elektromagnetischen Kreis, der gewöhnlich in einem Bereitstellungsraum des Kolbenkerns liegt.
Die US-A-5277281 und 5878851 (Carlson et al.) sowie die US-A-6427813 (Carlson) offenbaren unterschiedliche MR-Dämpfergestaltungen.
Allerdings leidet der MR-Fluiddämpfer unter einer Kraftverzögerungserscheinung. Erstens ist die Kraftverzögerungserscheinung Folge von Lufttaschen, die innerhalb des MR-Dämpfers während des Einfüllvorgangs von MR-Fluid eingeschlossen werden. Zweitens ist sie Folge der relativ hohen Viskosität der MR-Fluide. Durch diese beiden Faktoren kommt es zu Kavitation im Dämpferbetrieb und zu Leistungsbeeinträchtigung des MR-Dämpfers. Daher wäre es von Vorteil, einen MR-Fluiddämpfer mit minimaler Kavitation bereitzustellen.
Die US-A-6427813 (Carlson) offenbart einen MR-Dämpfer mit einem Akkumulator, der eine externe Kompensatorkammer zur Expansion und Extraktion einer MR-Flüssigkeit sowie eine Gasaufgabekammer aufweist. Obwohl das Patent erwähnt, daß der Akkumulator die MR-Flüssigkeit so unter Druck setzen kann, daß jegliche Kavitation minimiert ist, erläutert sie nicht, wie Kavitation zu minimieren ist.
Die hierin zitierten Literaturangaben sind durch Verweis insgesamt ausdrücklich eingefügt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zur Überwindung der o. g. Probleme im Stand der Technik stellt die Erfindung eine magnetorheologische Fluidvorrichtung bereit, die eine MR-Druckflüssigkeit mit mindestens 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) aufweist.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, eine magnetorheologische Fluidvorrichtung bereitzustellen, die aufweist:

a) ein Gehäuse mit einem Hohlraum;
b) einen Bewegungsmechanismus im Hohlraum, wobei das Gehäuse und der Bewegungsmechanismus so positioniert sind, daß sie mindestens einen Arbeitsabschnitt und mindestens eine Kammer im Hohlraum bilden;
c) ein magnetorheologisches Fluid in dem mindestens einen Arbeitsabschnitt und der mindestens einen Kammer, das einen Druck von mindestens 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) hat; und
d) eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, um auf das MR-Fluid im Arbeitsabschnitt zu wirken und eine Rheologieänderung darin zu verursachen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Minimieren von Kavitation einer magnetorheologischen Vorrichtung, das aufweist: Bereitstellen eines MR-Fluids in der Vorrichtung mit einem Druck von mindestens 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi).
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, ein Aufhängungssystem eines Schienenfahrzeugs bzw. Eisenbahnfahrzeugs bereitzustellen, das mindestens einen erfindungsgemäß festgelegten magnetorheologischen Dämpfer zwischen einem Untergestell (Radsatz) und einem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs bzw. Eisenbahnfahrzeugs aufweist.
In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung hat das MR-Fluid einen Druck zwischen 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) und 2,75 × 10⁶ Pa (400 psi). In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform hat das MR-Fluid einen Druck zwischen 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) und 1,37 × 10⁶ Pa (200 psi).
Die in der Erfindung bereitgestellte MR-Vorrichtung hat eine verbesserte Leistung, da sie verglichen mit denen des Stands der Technik Kavitation erheblich minimieren kann. Während sie auf ein Schienenfahrzeugsystem bzw. ein Eisenbahnfahrzeugsystem angewendet ist, kann sie die Dämpfungskraft im unteren Pendelbewegungsmodus erhöhen, ohne die Leistung des Eisenbahnfahrzeugs im höherfrequenten oberen Pendelbewegungs modus zu beeinträchtigen. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung verschiedenen Schwingungsbewegungen in unterschiedlichen Situationen Rechnung tragen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorgenannten Merkmale und andere Vorteile der Erfindung gehen aus den beigefügten Zeichnungen zusammen mit einer nachstehenden Beschreibung derselben besser hervor, die zur Veranschaulichung exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung dienen. Es zeigen:
1 eine Teilquerschnittansicht eines erfindungsgemäßen MR-Dämpfers;
2 ein Diagramm der Wirkung der Kraftverzögerungserscheinung bei unterschiedlichen MR-Druckfluiden; und
3 bis 5 eine Untersicht, eine Seitenansicht bzw. eine Vorderansicht eines schematischen Schienenfahrzeugs, das MR-Fluiddämpfer der Erfindung nutzt.
NÄHERE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen durchweg gleiche Elemente darstellen, einige exemplarische Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.
In 1 ist eine MR-Vorrichtung 10, insbesondere ein MR-Dämpfer, gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Der MR-Dämpfer 10 weist ein Gehäuse oder einen Körper 14 auf, der normalerweise aus einem solchen weichmagnetischen Material wie kohlenstoffarmer Stahl hergestellt ist. In dieser Ausführungsform bildet das Gehäuse 14 einen zylindrischen Hohlraum 140.
An seinen beiden Enden ist das Gehäuse 14 durch zwei Abdeckungen 16 und 16' verschlossen, die durch Zugstangenmuttern 18, 18', 18'' und 18''' an Zugstangen 20 und 20' verspannt sind (in dieser Ausführungsform sind insgesamt 8 Stangenmut tern und 4 Zugstangen vorhanden, die in 1 nicht vollständig gezeigt sind). Sie sind so zusammengebaut, daß sie einen teilweise geschlossenen Raum bilden.
Zwei kreisförmige Öffnungen 24 und 24' sind in der Mitte der Stangenabdeckungen 16 bzw. 16' gebildet. Die Öffnungen 24 und 24' nehmen zwei Kolbenstangen 30 bzw. 30' auf, die axial gleitfähig sind. Vorzugsweise verfügen die Öffnungen 24 und 24' über zwei Lager und Dichtungen 44 und 44', durch die sich die Kolbenstangen axial bewegen und die den Austritt von Fluiden im Inneren aus dem Raum 22 verhindern können.
Vorgesehen ist eine Kolbenanordnung 12, um die beiden Kolbenstangen zu umfassen und synchron mit den Kolbenstangen im Gehäuse 14 axial zu gleiten. Die Kolbenanordnung 12 weist eine Kolbenkopfhülse 26 auf, die an den beiden Kolbenstangen 30 und 30' mittels Schrauben oder Schweißen angebracht ist.
In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung haben die Kolbenstangen 30 und 30' den gleichen Durchmesser und erstrecken sich axial aus dem Gehäuse 14.
Da keine Volumenänderung im geschlossenen Innenraum 22 vorliegt, wenn sich die Kolbenstangen bewegen, hat diese Anordnung einen Vorteil, daß kein Stangenvolumenkompensator, Akkumulator oder keine anderen ähnlichen Vorrichtungen in den Dämpfer eingebaut zu werden brauchen.
Vorzugsweise ist die Kolbenkopfhülse 26 durch ein weichmagnetisches Material mit mindestens einer Spule und drei Spulen 28, 28' und 28'' in dieser Ausführungsform hergestellt. Durch eine separate Kolbenkopfhülse 26, die an den Kolbenstangen 30 und 30' angebracht ist, um die Kolbenanordnung 12 zu bilden, kann eine teurere Kolbenanordnung in einem Stück ersetzt werden. Ferner kann dadurch ein herkömmlicher Kolbendämpfer zu einem MR-Dämpfer einfach und kostengünstig abgewandelt werden, während die Komplexität und Probleme der Mittenausrichtung verringert werden, was später näher beschrieben wird. Zudem hat sie eine besonders einfache Geometrie, bei der das Außenzylindergehäuse ein Teil des magnetischen Kreises ist.
Die Kolbenanordnung 12 unterteilt den Raum 22 in eine erste Fluidkammer 32 und eine zweite Fluidkammer 34.
In der Erfindung sind Pufferringe 36 und 36' vorgesehen, die an den beiden Kolbenstangen 30 und 30' angebracht sind und sich jeweils entlang den Kolbenstangen von der Kolbenkopfhülse 26 erstrecken. Die Pufferringe sind in einer solchen Form konfiguriert, die hydrodynamisch für eine reibungslosere Bewegung sorgt und den Widerstand zwischen der Kolbenanordnung 12 und dem MR-Fluid 48 reduziert, der durch die relativ hohe Viskosität des Fluids im Dämpferbetrieb verursacht wird.
Ein Spalt zwischen der Innenwand (Durchmesser) 38 des zylindrischen Gehäuses und dem Außendurchmesser 40 der Kolbenhülse 26 bildet einen Arbeitsabschnitt, eine Fluidblende 42.
Jede Kolbenstange 30 oder 30' hat ein Gewindestangenende 46 bzw. 46'. Ein erster Aufbau, der einer Schwingungsdämpfung bedarf, ist an mindestens einem Ende der Kolbenstangen 30 und 30' mittels Verschweißen oder Befestigen mindestens eines Gewindestangenendes 46 und 46' angebracht. Ein zweiter Aufbau, der mit dem ersten Aufbau in Beziehung steht, ist am MR-Dämpfergehäuse oder -körper 14 mittels Verschweißen der Abdeckungen 16 und 16' oder Befestigen der Zugstange 20 oder 20' angebracht.
Bei Verschiebung der Kolbenstangen 30 und 30' (z. B. von rechts nach links in 1) infolge einer schwingungsinduzierten Bewegung vom Aufbau, der am MR-Dämpferkörper 14 befestigt ist, wird das MR-Fluid 48 gezwungen, aus einer Kompressionskammer (erste Fluidkammer 32) in eine Expansionskammer (zweite Fluidkammer 34) durch die ringförmige Fluidblende 42 zu fließen.
Ein Magnetfeld wird erzeugt, wenn ein elektrischer Strom an den vorzugsweise drei Spulen mit Wicklungen 50, 50' und 50'' angelegt wird, wonach eine Zähflüssigkeit des MR-Fluids 48 als Reaktion auf das erzeugte Magnetfeld zunimmt. Der Fluß des MR-Fluids 48 zwischen den Fluidkammern 32 und 34 kann durch die Größe des induzierten Magnetfelds über Modulation des an den Wicklungen 50, 50' und 50'' angelegten elektrischen Stroms gesteuert werden. Dadurch wird die gewünschte Dämpfungsrate des MR-Dämpfers 10 moduliert, um die Schwingung der befestigten Aufbauten zu reduzieren.
Räume zwischen Polstücken 52, 52', 52'' und 52''' und dem Innendurchmesser 38 des zylindrischen Körpers 14 bilden einen aktiven Fluidbereich, in dem das MR-Fluid 48 polarisiert wird. In dieser exemplarischen Ausführungsform der Erfindung sind die Wicklungen 50, 50' und 50'' alternierend gewickelt, um Induktivität zu minimieren und ein additives Magnetfeld an den Polstücken 52' und 52'' zu ermöglichen. Elektrische Leitungen 54, die mit den Wicklungen 50, 50' und 50'' verbunden sind, sind vorzugsweise durch eine hermetische Dichtung 56 abgedichtet, die in einem Führungsloch 58 plaziert ist. Dann treten die elektrischen Leitungen 54 aus der Kolbenkopfhülse 26 über einen Leitungstunnel 60 zum Gewindestangenende 46' aus. Der Außendurchmesser der Wicklungen 50, 50' und 50'' ist mit Epoxidharzpasten 62, 62' und 62'' beschichtet, um den direkten Kontakt der Wicklungen 50, 50' und 50'' mit dem MR-Fluid 48 zu vermeiden sowie Abrieb und Kurzschluß an ihnen zu verhindern.
Gemäß 1 sind ein oder mehrere Sensoren 74 am o. g. Aufbau angeordnet, um Signale zu erfassen, die zu einer Steuerung 72 gesendet werden, die einen an den Leitungen 54 anzulegenden Strom steuert. Die Steuerung 72 kann jede des Stands der Technik sein.
Gemäß 1 wird im Ein-Zustand des MR-Fluiddämpfers 10 das MR-Fluid 48 auf einen hohen Zähflüssigkeitsgrad durch das hohe Magnetfeld polarisiert, das über den elektromagnetischen Kreis induziert wird, so daß es wie ein Stopfen an der Fluidblende 42 zwischen den beiden Fluidkammern 32 und 34 wirkt, die durch die Kolbenanordnung 12 getrennt sind. Als Ergebnis wirkt das MR-Fluid in der ringförmigen Fluidblende 42 wie eine O-Ringdichtung und gleitet mit der Kolbenanordnung 12 in Richtung des Innendurchmessers des zylindrischen Gehäuses 14, wobei kein Fluid aus der Kompressionskammer in die Expansionskammer durch die Fluidblende 42 während des Dämpferbetriebszyklus und umgekehrt passieren kann. Diese Situation bewirkt Kavitation in der Expansionskammer und initiiert dann die Kraftverzögerungserscheinung des MR-Dämpfers.
Wegen der relativ hohen Viskosität des MR-Fluids ist es sehr schwierig, alle Lufteinschlüsse und aufgelöste Luft darin zu beseitigen, auch wenn im Stand der Technik besondere Sorgfalt darauf verwendet wird.
Im Rahmen der Erfindung wurden ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine ebensolche Vorrichtung unter Verwendung eines geeigneten Drucks der MR-Flüssigkeit entwickelt, um die o. g. Nachteile zu überwinden.
Bestimmt wurde im Rahmen der Erfindung, daß eine erfolgreiche Lösung darin besteht, den Druck des MR-Fluids im geschlossenen Innenraum 22 zu erhöhen, um die Wirkung der eingeschlossenen Luft zu reduzieren und den Dichtungsstopfeneffekt infolge der relativ hohen Zähflüssigkeit des MR-Fluids 48 zu überwinden.
Im Rahmen der Erfindung wurden Experimente durchgeführt, um die Wirkung der Kraftverzögerungserscheinung anhand von Drücken des MR-Fluids in der Vorrichtung zu identifizieren. Ein erfindungsgemäßer MR-Dämpfer mit unterschiedlichen Druckfluiden wird bei einer Dreieck-Verschiebungsanregung von 20 mm und 0,1 Hz mit 1,5 A Betriebsstrom geprüft. In 2 ist das Ergebnis dargestellt.
Aus 2, die den Effekt von MR-Druckfluiden mit 0, 1,72 × 10⁵, 3,44 × 10⁵, 5,17 × 10⁵ und 6,89 × 10⁵ Pa (0, 25, 50, 75 und 100 psi) auf die Kraftverzögerungserscheinung zeigt, wird deutlich, daß sich die Kraftverzögerungserscheinung reduzieren läßt, wenn der MR-Fluiddruck erhöht wird. Wird der Druck des MR-Fluids im Dämpfer auf 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) gesteigert, ist die Kraftverzögerungserscheinung nahezu eliminiert.
Erwartungsgemäß ist die Leistung des MR-Dämpfers gut, wenn das MR-Fluid einen Druck von 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) bis 2,75 × 10⁶ Pa (400 psi), vorzugsweise 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) bis 1,37 × 10⁶ Pa (200 psi) beibehält.
Ferner wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß zum Verhindern der Kraftverzögerungserscheinung des MR-Dämpfers 10 besondere Sorgfalt beim Einfüllen des MR-Fluids notwendig ist, um die eingeschlossenen Lufttaschen zu minimieren. In dieser exemplarischen Ausführungsform gemäß 1 sind ein Einlaß 64 und ein Auslaß 64' an den Abdeckungen 16 bzw. 16' vorgesehen, um das in die Vorrichtung eingefüllte Fluid in einer Richtung zu halten, was zur Lösung dieses Problems beiträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Einlaß so konfiguriert, daß er mit einem Wegeventil verbunden ist. In einer weiteren Ausführungsform ist ein Wegeventil an das Gehäuse 14 als Einlaß angebaut, was dem Fachmann leicht verständlich sein wird.
Das Wegeventil, das in der Erfindung zum Einsatz kommt, kann jedes dem Fachmann bekannte sein.
Ein exemplarischer Einfüllaufbau für MR-Fluid mit einer Handpumpe (z. B. ENERPAC^® P-142), zwei Druckmessern, zwei Schnellkupplungen (z. B. FASTER^® ANV 14 GAS) usw. wird in der Erfindung zur Druckbeaufschlagung der Fluidkammer verwendet, um die Kraftverzögerungserscheinung des MR-Dämpfers zu verhindern. Das MR-Fluid wird mit Hilfe der Handpumpe in den MR- Dämpfer gepumpt. Ein Druckmesser dient zum Überwachen des Auslaßdrucks der Handpumpe, und der andere Druckmesser kommt zum Überwachen des Innendrucks des MR-Dämpfers zum Einsatz. Die Schnellkupplungen werden in einer Hydraulikanlage verwendet, um Leitungen ohne Verlust von Fluiden oder Fluiddruck schnell anzuschließen. Die Schnellkupplung besteht aus zwei sich ergänzenden Hälften: der Steck-(männlichen)Hälfte und der Kupplungs-(weiblichen)Hälfte. Die weibliche Kupplung selbst wirkt als Wegeventil, das einem hohen Arbeitsdruck von 3,45 × 10⁷ Pa (5000) psi widerstehen kann.
Zunächst wird ein MR-Fluid 48 in den MR-Dämpfer 10 über den Einlaß/Auslaß 64 oder 64' durch einen Durchgang 66 oder 66' in den Raum 22 eingeleitet. Ist der Raum 22 mit dem MR-Fluid 48 vollständig gefüllt, werden ein hydraulisches Wegeventil 68 und eine hydraulische Befestigung 70 am Einlaß/Auslaß 64 bzw. 64' oder umgekehrt befestigt. Zum Minimieren der eingeschlossenen Lufttaschen innerhalb des MR-Dämpfers 10 wird der MR-Dämpfer 10 in mehreren Vorlaufzyklen betrieben und mehrere Stunden stabil gehalten. Danach wird der Einfüllvorgang des MR-Fluids wie zuvor erwähnt wiederholt, bis kein weiteres Nachfüllen mehr erfolgen kann. Damit kann dazu beigetragen werden, die Lufttasche innerhalb des MR-Dämpfers zu minimieren. Abschließend wird der Raum 22 des MR-Dämpfers 10 unter Druck gesetzt, um den Kraftverzögerungseffekt zu verhindern, indem das MR-Fluid im MR-Dämpfer 10 über das Wegeventil 68 druckbeaufschlagt wird. Der Gebrauch des Wegeventils 68 sorgt für eine kompakte und alternative Lösung gegenüber dem Einsatz eines Akkumulators zur Überwindung des Kraftverzögerungseffekts.
Breite Anwendung findet der erfindungsgemäße MR-Dämpfer auf das Schwingungsdämpfungssystem, insbesondere ein Aufhängungssystem für Schienenfahrzeuge bzw. Eisenbahnfahrzeuge. Der MR-Dämpfer 10 kann zum Einsatz kommen, um herkömmliche Dämpfer zu ersetzen und für eine ausgezeichnete Leistung im Eisenbahnaufhängungssystem zu sorgen. In der Praxis wird der MR-Dämpferkörper an einem ersten Aufbau des Eisenbahnfahrzeugs (z. B. dem Untergestell) über die Abdeckungen 16 und 16' oder die Zugstange 20 oder 20' angebracht. Danach wird das mindestens eine Ende der Kolbenstangen 30 und 30' an einem zweiten Aufbau des Eisenbahnfahrzeugs (z. B. dem Wagenkasten) über das mindestens eine Ende der Gewindestangenenden 46 und 46' angebracht. Die Steuerung 72 kann verwendet werden, um den MR-Dämpfer 10 über Steuern eines Eingangsstroms gemäß den Informationen vom Sensor 74 zu steuern.
3, 4 und 5 veranschaulichen ein Eisenbahnfahrzeug 76, das MR-Dämpfer 78, 78', 78'' und 78''' nutzt, gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung.
MR-Dämpfer 78 und 78' sind in einem sekundären Aufhängungssystem zwischen dem Wagenkasten 80 und dem vorderen Untergestell 82 angebracht. MR-Dämpfer 78'' und 78''' sind im sekundären Aufhängungssystem zwischen dem Wagenkasten 80 und dem hinteren Untergestell 84 angebracht. Bezugszahlen 86, 86' und 86'' stellen die Längs- (x), Quer- (y) bzw. senkrechte (z) Richtung des Eisenbahnfahrzeugs dar; und Bezugszahlen 88, 88' und 88'' repräsentieren die Gier-, Wank- bzw. Nickrichtung des Eisenbahnfahrzeugs.
Eine Steuerstrategie, die auf der Grundlage der Messung der absoluten Quergeschwindigkeit des Wagenkastens angewendet und mit einem vorbestimmten Geschwindigkeitsschwellwert verglichen wird, findet sich in "Semi-Active Suspension Improves Rail Vehicle Ride" (O'Neill und Wale). In dieser Ausführungsform der Erfindung werden die absoluten Quergeschwindigkeiten einer Wagenkastenmitte 90 über dem vorderen Untergestell 82 und einer Wagenkastenmitte 92 über dem hinteren Untergestell 84 durch unterschiedliche Sensoren einzeln gemessen. Danach werden die Dämpfungskräfte dieser beiden Sätze von MR-Dämpfern 78, 78' und 78'', 78''' gemäß dem Vergleich der Messung jedes Sensors mit dem vorbestimmten Geschwindigkeitsschwellwert einzeln gesteuert.
Obwohl die vorstehenden exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung hierin zur Veranschaulichung beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, daß verschiedene Abwandlungen, Zusätze und Austauschmaßnahmen ohne Abweichung vom Grundgedanken der Erfindung möglich sind, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Zusammenfassung
Magnetorheologische Druckfluiddämpfer
Bereitgestellt wird eine magnetorheologische (MR-)Fluidvorrichtung mit einer MR-Druckflüssigkeit mit verbesserter Leistung. Bereitgestellt wird ferner ein Verfahren zum Minimieren von Kavitation einer gewöhnlichen magnetorheologischen Vorrichtung mit Bereitstellen eines MR-Fluids in der Vorrichtung mit einem Druck von mindestens 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi). Die bereitgestellte Vorrichtung minimiert Kavitation in der Vorrichtung und kann im Aufhängungssystem für Schienenfahrzeuge mit ausgezeichneter Leistung breite Anwendung finden.

Claims

Magnetorheologische Fluidvorrichtung, die aufweist: a) ein Gehäuse mit einem Hohlraum; b) einen Bewegungsmechanismus im Hohlraum, wobei das Gehäuse und der Bewegungsmechanismus so positioniert sind, daß sie mindestens einen Arbeitsabschnitt und mindestens eine Kammer im Hohlraum bilden; c) ein magnetorheologisches Fluid (MR-Fluid) in dem mindestens einen Arbeitsabschnitt und der Kammer, wobei das MR-Fluid einen Druck von mindestens 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) hat; und d) einen Magnetfeldgenerator, der ein Magnetfeld erzeugt, um auf das MR-Fluid im Arbeitsabschnitt zu wirken und eine Rheologieänderung darin zu verursachen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einem Fluideinlaß und einem Fluidauslaß.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Fluideinlaß ein Wegeventil aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung ein Dämpfer mit mindestens einer Kolbenstange ist, die sich aus dem Gehäuse erstreckt, und der Bewegungsmechanismus eine Kolbenanordnung ist, die aufweist: eine Kolbenkopfhülse, die um die Kolbenstange angebracht ist; und mindestens einen Pufferring, der an der Kolbenstange angebracht ist und sich entlang der Kolbenstange von der Kolbenkopfhülse axial erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Pufferring so konfiguriert ist, daß er den Widerstand zwischen der Kolbenanordnung und dem MR-Fluid reduziert, während der Dämpfer arbeitet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung zwei Kolbenstangen mit dem gleichen Durchmesser aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Druck im Bereich von 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) bis 2,75 × 10⁶ Pa (400 psi) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Druck im Bereich von 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) bis 2,75 × 10⁶ Pa (400 psi) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Druck im Bereich von 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) bis 1,37 × 10⁶ Pa (200 psi) liegt.
Verfahren zum Minimieren von Kavitation einer magnetorheologischen Vorrichtung, das aufweist: Druckbeaufschlagen eines magnetorheologischen Fluids (MR-Fluids) in der Vorrichtung mit einem Druck von mindestens 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Druck im Bereich von 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) bis 2,75 × 10⁶ Pa (400 psi) liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die magnetorheologische Vorrichtung ein magnetorheologischer Dämpfer ist, der einen Einlaß und einen Auslaß bereitstellt, und wobei das MR-Fluid durch ein Wegeventil bereitgestellt wird, das mit dem Einlaß verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren ferner aufweist: Betreiben des magnetorheologischen Dämpfers im Vorlauf, so daß kein weiteres Nachfüllen in den Dämpfer vorgenommen werden können, bevor die Druckbeaufschlagung durchgeführt wird.
Aufhängungssystem eines Schienenfahrzeugs mit mindestens einem magnetorheologischen Dämpfer, der zwischen einem Untergestell und einem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs angeordnet ist, wobei der magnetorheologische Dämpfer aufweist: a) ein Gehäuse mit einem Hohlraum; b) einen Bewegungsmechanismus im Hohlraum, wobei das Gehäuse und der Bewegungsmechanismus so positioniert sind, daß sie mindestens einen Arbeitsabschnitt und mindestens eine Kammer im Hohlraum bilden; c) ein magnetorheologisches Fluid (MR-Fluid) in dem mindestens einen Arbeitsabschnitt und der Kammer, wobei das MR-Fluid einen Druck von mindestens 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) hat; und d) einen Magnetfeldgenerator, der ein Magnetfeld erzeugt, um auf das MR-Fluid im Arbeitsabschnitt zu wirken und eine Rheologieänderung darin zu verursachen.
Aufhängungssystem nach Anspruch 14, ferner mit mindestens einem Sensor, der am Untergestell oder am Wagenkas ten angeordnet ist, und einer Steuerung, um ein Signal vom Sensor zu verarbeiten und dem Dämpferbetrieb demgemäß zu steuern.