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WO2010015647A1 - Magnetorheologisches ventil - Google Patents

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Publication number
WO2010015647A1
WO2010015647A1 PCT/EP2009/060138 EP2009060138W WO2010015647A1 WO 2010015647 A1 WO2010015647 A1 WO 2010015647A1 EP 2009060138 W EP2009060138 W EP 2009060138W WO 2010015647 A1 WO2010015647 A1 WO 2010015647A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
valve
sectional area
channel
cross
piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/060138
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoffer Kieburg
Claus Gabriel
Günter OETTER
Jürgen PFISTER
Martin Laun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of WO2010015647A1 publication Critical patent/WO2010015647A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F9/00—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
    • F16F9/32—Details
    • F16F9/53—Means for adjusting damping characteristics by varying fluid viscosity, e.g. electromagnetically
    • F16F9/535—Magnetorheological [MR] fluid dampers
    • F16F9/537—Magnetorheological [MR] fluid dampers specially adapted valves therefor

Definitions

  • the invention relates to a valve which can be traversed by a magnetorheological fluid, comprising a channel, which can be traversed by a magnetic field, wherein at least one magnet with at least one yoke is included for generating the magnetic field, and opposite surfaces of a gap in a split yoke or form opposite surfaces of two yokes opposite walls of the channel.
  • Magnetorheological valves that is to say valves which can be flowed through by a magnetorheological fluid, are used, for example, in dampers, such as those used, for example, for suspension damping in motor vehicles.
  • Such a magnetorheological valve conventionally comprises an equidistant channel formed between two opposed surfaces of a split yoke gap or between two yokes of a permanent magnet or electromagnet, or the combination of both.
  • the magnet is used to generate a homogeneous magnetic field perpendicular to the yoke wall. Under the action of the magnetic field, a high yield point is built up in the magnetorheological fluid, so that when the throughput is set, there is an increased pressure drop along the magnetized channel.
  • the ratio of pressure drop with and without magnetic field is called stroke.
  • a magnetorheological valve used in a damper is known, for example, from US-B 7,051,849.
  • the magnetorheological valve is formed in a piston of a damper.
  • the piston contains a plurality of channels, which can be flowed through by a magnetorheological fluid from a first chamber of the damper in a second chamber of the damper.
  • a coil is arranged to form a magnetic field in the channels.
  • Magnetorheological dampers in which channels with equidistant walls are formed in the piston and in the piston a coil for generating a magnetic field are also known, for example from US-B 6,786.31 1, US 6,158,470, US-B 6,874,603 or US-B 6,311,810.
  • a damper for receiving an internal combustion engine in a vehicle is described in US 5,176,368.
  • This comprises an inner and an outer cylinder, which are arranged concentrically. Inside an axially displaceable hub is arranged. Between the hub and the housing, a chamber is formed in which a magnetorheological fluid is contained.
  • a second electromagnetic unit is attached to the outer cylinder. Between the cylinders and the electromagnetic units, a gap with a constant cross-sectional area is formed in each case.
  • coils are arranged, each of which abuts against the surface of the electromagnetic unit, but whose axis is rotated by 90 ° to the hub axle se.
  • a damper having an annular gap containing a magnetorheological fluid is disclosed in US 5,344,129. Furthermore, an oscillating plate is included, which is located away from the chamber containing the magnetorheological fluid. The unit is used as a vibration damper, for example for mounting a motor.
  • the object of the present invention is to provide a valve, which can be traversed by a magnetorheological fluid, in which a smaller force is required to move the magnetorheological fluid through the channel when no magnetic field is applied.
  • the object is achieved by a valve which can be traversed by a magnetorheological fluid, wherein the valve comprises a channel, which can be traversed by a magnetic field and for generating the magnetic field comprises at least one magnet with at least one yoke, and opposite surfaces of a gap in a split yoke or opposite surfaces of two yokes form opposite walls of the canal.
  • the channel has a change in the cross-sectional area in the direction of flow of the magnetorheological fluid, the ratio of the maximum cross-sectional area of the channel to the minimum cross-sectional area being in the range of 1.5 to 200.
  • valve geometries according to the invention under a magnetic field even give a higher pressure drop than the conventional geometry with a constant channel cross section with the same valve length, the same minimum channel cross section and the same current of the field generator.
  • the field generator remains unchanged except for the flow channel.
  • the cross-sectional expansion of the channel according to the invention also leads to a reduction of the magnetic flux in the valve. Both effects make it possible to achieve high damping forces under magnetic field with a smaller field generator.
  • the valve according to the invention allows a high pressure drop at a given magnetic field combined with a large stroke at a comparatively small weight of the field generator.
  • the small weight of the field generator can be achieved by a small volume of magnetic yoke and coil.
  • the stroke is the ratio of the pressure drop with and without magnetic field.
  • a valve is used, which can be traversed by a magnetorheological fluid, for example, for magnetically controllable flow control, pressure drop control or damping control.
  • the maximum cross-sectional area of the channel preferably corresponds to the cross-sectional area necessary to apply a predetermined minimum force to move the magnetorheological fluid through the channel.
  • the minimum cross-section preferably corresponds to the cross-section of a parallel-walled channel, as known in the art, and is used for a corresponding application.
  • the sections of the constant cross-section channel - Each surface have a maximum length of 40% of the total length of the channel.
  • the channel can have sections with a continuously changing cross-sectional area and sections with a constant cross-sectional area or the channel has a plurality of sections with a constant cross-sectional area, wherein the cross-sectional area changes from section to section, for example in steps.
  • the maximum length of each section with constant cross-sectional area is no more than 40% of the total length of the channel.
  • the portion or the portions of the channel with minimum cross-sectional area each have a maximum of 20% of the total length of the channel. 2 to 8% of the total length of the channel is preferred. It has shown, that even such a small length of the section with minimum cross-sectional area is sufficient to achieve a sufficiently large pressure drop for the operation of the valve.
  • the magnetic field that is applied acts in particular in the section of the channel with a minimum cross-sectional area. As a result, the required field generator used to generate the magnetic field can be reduced to the extent that the magnetic field is generated predominantly in the region of the section of the channel with a minimum cross-sectional area.
  • the channel has a continuous transition from the minimum cross-sectional area to the maximum cross-sectional area.
  • the transition can be configured linear, parabolic, hyperbolic, circular or in any other geometric shape.
  • the transition from the maximum cross-sectional area to the minimum cross-sectional area is linear.
  • the transition from the maximum cross-sectional area to the minimum cross-sectional area of the channel has at least one step. However, it is preferred if the transition has at least two stages.
  • the channel may have a substantially conical profile, wherein the cross-sectional area of the channel decreases or increases in the flow direction, so that either the inlet or the outlet have the maximum cross-sectional area and correspondingly at an inlet with maximum cross-sectional area, the outlet has the minimum cross-sectional area at a minimum cross-sectional area entrance, the exit has the maximum cross-sectional area.
  • the transition from the minimum to the maximum cross-sectional area can, as already described above, be either continuous or step-shaped.
  • the channel has at least one region with decreasing cross-sectional area and a region with increasing cross-sectional area in the flow direction.
  • the channel is symmetrical with respect to the average sectional plane transverse to the flow direction.
  • the channel it is also possible for the channel to initially have a decreasing cross-sectional area in the flow direction until the minimum cross-sectional area has been reached, and the cross-sectional area to increase again in the flow direction after the minimum cross-sectional area has been reached. Besides only one area each with decreasing and one area with increasing Furthermore, it is also possible for the channel to have a plurality of regions in each of which the cross-sectional area increases or decreases. Thus, the wall of the channel in the flow direction, for example, zigzag or wave-shaped.
  • the magnetic flux density changes such that maxima of the flux density occur in areas of minimum cross-sectional area.
  • the average flux density of the magnetic field in the geometry according to the invention is lower for the same current of the field coil.
  • the maxima of the flux density in the areas of minimum cross-sectional area are also partially lower than the mean flux density of the parallel-walled channel, high pressure drops are achieved.
  • the coil turned off despite possible residual remanence of the yoke, which is usually on the order of less than 0.1 Tesla for soft magnetic steel, for example steel 1.0037, smaller pressure drops are obtained in the channel than in a channel with parallel walls.
  • the inventive design of the valve allows a substantial increase in the stroke at the same channel length.
  • a further advantage is that the field generator can be downsized since, on the one hand, the flux density is reduced overall and, on the other hand, high flux densities are required only in areas of minimum cross-sectional area of the channel compared to a valve with a parallel wall known from the prior art.
  • the possible reduction of the field generator is advantageous in reducing the weight of the valve and the magnetic energy stored when the coil is turned on.
  • switching times for flux density changes can be shortened and switching energies reduced.
  • a wall of the channel of the inventively constructed valve is movable relative to the opposite wall in the flow direction or against the flow direction of the magnetorheological fluid.
  • a valve is used, for example, in a damper in which the valve is formed by a gap between the damper piston and the outer wall of the damper.
  • the length of the wall, which is not moved, preferably corresponds to the movement distance of the damper piston.
  • a wall is movable relative to the opposite wall, it is preferred that at least the wegbare wall has at least one recess or a projection through which the change in the cross-sectional area of the channel is realized.
  • the non-moving wall of the channel can be designed flat. However, it is particularly advantageous if the non-moving wall has at least one recess or at least one projection.
  • the channel in which a wall is movable relative to the opposite wall is formed as a gap between a cylinder wall and a displaceable in the cylinder in the axial direction piston.
  • the magnet which is used to build up the magnetic field in the gap is preferably a switchable electromagnet.
  • a magnetic steel such as steel 1.0037 can be used.
  • Further suitable materials for the yoke are, for example, iron, soft-magnetic iron alloys, for example permalloy, cobalt alloys, nickel alloys and other alloys known to the person skilled in the art.
  • the design of the valve according to the invention makes it possible, for example, to use magnetorheological fluids having a higher intrinsic viscosity, without an increased pressure drop when the magnet is switched off compared with a conventional valve operated with a low-viscosity magnetorheological fluid.
  • magnetorheological fluids with a higher intrinsic viscosity allows the use of a higher pigmentation of magnetizable particles and thus a higher yield point or the use of higher-viscosity base oils, in particular in the range of low temperatures.
  • the valve according to the invention is used, for example, in a damper which encloses a cylinder with a piston movable in the cylinder in the axial direction.
  • two chambers are generally formed, which are separated by the piston.
  • the chambers contain a magnetorheological fluid.
  • the magnetorheological fluid can flow from one chamber to the other.
  • a flow through the piston is required to move the piston in the cylinder, since the total volume of the cylinder remains constant and the volume of the chambers separated by the piston during a movement of the piston bens changes.
  • the force needed to move the piston increases when a magnetic field is applied and thus the pressure drop in the channel greatly increases.
  • a part of the yoke preferably a part of the yoke not lying directly on the channel, is made of a permanent magnet, for example of neodymium-iron-boron (NdFeB), or a magnetizable material with high remanence, for example hard magnetic Iron-nickel alloys or amorphous ferromagnetic materials such as Metglas 2605 (Fe80B20).
  • a permanent magnet for example of neodymium-iron-boron (NdFeB)
  • a magnetizable material with high remanence for example hard magnetic Iron-nickel alloys or amorphous ferromagnetic materials such as Metglas 2605 (Fe80B20).
  • the field generated by the electromagnet overlaps in the yoke and, depending on the polarity, can either amplify or partially or completely compensate the flux density generated by the permanent magnet. For materials with high remanence, it is also possible to reverse the polarity of the remanent field.
  • the damper is configured such that the valve comprises at least one channel formed in the piston.
  • the valve comprises a channel formed as a gap between the cylinder wall and the piston.
  • the channel of the valve which can be acted upon by the magnetic flux density field generator, has a changing cross-sectional area.
  • the channel of the valve designed according to the invention preferably has a slit-shaped cross section.
  • the channel has a circular or elliptical cross section.
  • the shape of the cross-sectional area along the valve channel may also change, for example, from a rectangular cross-sectional area to a square cross-sectional area or a cross-sectional area having a round shape. It is preferred if the channel has a rectangular cross-section or is formed as an annular gap. In a design as an annular gap forms a yoke of the magnet, the inner wall of the annular gap and a second yoke, the outer wall of the annular gap.
  • the opposing surfaces of the gap in a split yoke or the first and second yokes it is preferable for the opposing surfaces of the gap in a split yoke or the first and second yokes to form the opposite longer sides of the rectangle.
  • the opposite surfaces of the gap in a split yoke or the yokes form the opposite shorter sides of the rectangle.
  • FIG. 1 shows a section parallel to the median plane of the channel through a valve designed according to the invention in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a section perpendicular to the median plane of the channel through a valve according to the invention designed according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 shows a double-piston measuring arrangement
  • FIG. 4.1 shows a piston which can be moved in a cylinder and has valves designed according to the invention in a first embodiment
  • FIG. 4.2 shows a piston according to FIG. 4.1, wherein a part of the yoke is replaced by an annular permanent magnet
  • FIG. 5 shows a piston which can be moved in a cylinder and has valves designed according to the invention in a second embodiment
  • FIG. 6 shows a piston which can be moved in a cylinder and has valves designed according to the invention in a third embodiment
  • FIGS. 8.1 to 8.8 different channel geometries for the valve
  • Figure 9.1 9.2 valves with a central yoke in the valve channel.
  • a valve 1 designed according to the invention comprises a first yoke 3 and a second yoke 5.
  • the first yoke 3 and the second yoke 5 delimit a channel 7, wherein a first surface 9 of the first yoke 3 and a second surface 11 of the second yoke 5 respectively form opposite walls of the channel 7.
  • the first surface 9 and the second surface 11 may also be opposite surfaces of a gap in a split yoke.
  • the valve 1 may for example be accommodated in a channel 13 through which a magnetorheological fluid flows.
  • the direction of flow of the magnetorheological fluid is shown by an arrow 15.
  • the valve 1 is also flowed through in the opposite direction by the magnetorheological fluid.
  • the channel 7 of the valve 1 is formed on a liquid inlet 17 and on a liquid outlet 19, each with a minimal cross-sectional area 21.
  • the minimum cross-sectional area results from the distance between the first yoke 3 and the second yoke 5 at the liquid inlet 17 and the width of the channel 7.
  • the distance between the first yoke 3 and the second yoke 5 increases linearly in the embodiment shown in FIG. 1 until a maximum distance 23 and thus a constant cross-sectional area of the channel 7 are achieved. After reaching the maximum cross-sectional area, the distance between the first yoke 3 and the second yoke 5 again decreases linearly until the minimum cross-sectional area at the liquid outlet 19 is reached.
  • the increase or decrease in the distance between the first yoke 3 and the second yoke 5 is achieved in the embodiment shown in Figure 1 in that the first yoke 3 and the second yoke 5 each at its the channel 7 bounding surface 9, 11 a have triangular groove.
  • the yokes 3, 5 each protrude into the channel 13. As a result, the flow cross-section of the channel 13 is reduced to the minimum cross-sectional area 21.
  • the average flux density of the magnetic field 25 at a geometry of the valve channel 7, as shown here, is lower. Nevertheless, when the magnetic field 25 is applied, higher pressure drops are obtained compared to a parallel-walled valve port. If no magnetic field is applied, however, despite any residual remanence of the yoke 3, 5, which is usually of the order of less than 0.1 Tesla, substantially smaller pressure drops than on a parallel-walled valve passage are obtained. This results in a inventively designed valve 1, a substantial increase in the stroke compared to a valve with parallel walls of the valve channel.
  • FIG. 2 shows a section perpendicular to the flow direction through a valve according to FIG. 1 with a complete yoke.
  • the first yoke 3 and the second yoke 5 are connected to each other outside the valve 1 to a split yoke and enclosed by a coil 27. By applying a voltage to the coil 27, a magnetic field is generated in the valve channel 7.
  • the lateral boundary 29 of the valve channel 7 is made of a non-magnetizable material.
  • a material for the lateral boundary 29 are, for example, non-metallic materials and non-magnetic steel such as 1.4571, brass, aluminum or titanium as metallic materials.
  • FIG. 3 shows a section of a channel with a valve embodied therein in accordance with the invention.
  • the pressure drop at the valve 1 can be determined.
  • the valve 1, which is constructed according to the valve shown in Figures 1 and 2, is positioned in a channel 13.
  • the channel 13 is bounded on one side by a first pressure chamber 31 and at its other end by a second pressure chamber 33.
  • the first pressure chamber 31 is closed by a first piston 35 and the second pressure chamber 33 by a second piston 37.
  • the first piston 35 and the second piston 37 can each be displaced in the axial direction in the first pressure chamber 31 and the second pressure chamber 33, respectively.
  • a first pressure sensor 39 is positioned on one side of the valve 1 and a second pressure sensor 41 is positioned in the channel 13 on the other side of the valve 1.
  • the pressure in the channel 13 in front of and behind the valve 1 can be detected.
  • the first piston 35 is moved into the first pressure chamber 31.
  • the pressure in the first pressure chamber 31 increases and the magnetorheological fluid moves in the direction of the second pressure chamber 33.
  • the piston 37 moves out of the pressure chamber 33 and the volume in the second Pressure chamber 33 is increased. Accordingly, the flow direction of the magnetorheological fluid can be reversed by moving the second piston 37 into the second pressure chamber 33.
  • the pressure drop at the valve 1 results from the difference between the pressure measured at the first pressure sensor 39 and at the second pressure sensor 41.
  • FIG. 4.1 shows a piston movably received in a cylinder, wherein a fluid passage with a valve according to the invention received therein is formed in the piston.
  • a piston as shown in Figure 4.1, is used, for example, in a damper.
  • a piston 43 is movably received in a cylinder 45. So that the piston 43 can be moved in the cylinder 45, a sliding gap 47 is formed between the piston 43 and the cylinder 45.
  • a passage 49 is formed in the piston 43.
  • the passage 49 may be designed, for example, as an annular gap. Alternatively, it is also possible that, for example, at least one channel with a circular, triangular, rectangular or any other cross section is formed in the piston 43.
  • two respective valves 1 designed according to the invention which are designed in accordance with the valve shown in FIG. 1, are positioned.
  • a coil 51 is received in the piston 43.
  • a magnetic field is generated.
  • the yoke 53 bounds each of the valves 1 on one side of the valve channel 7.
  • the opposite boundary of the valve channel 7 forms, for example, a magnet 55.
  • the magnet 55 may be, for example, a second yoke made of a magnetizable material or a permanent magnet.
  • FIG. 4.2 shows a piston according to FIG. 4.1, in which a part of the inner yoke is replaced by an annular permanent magnet 56.
  • a magnetizable material with a high remanence can also be used. In this way, even without energization of the coil 51, a remanent flux density in the valve channel 7 can be generated. When the coil 51 is energized, the remanent flux density in the valve channel 7 can either be boosted or compensated to zero, depending on the polarity and the voltage.
  • valve geometry according to the invention with a larger stroke is particularly advantageous in the combination of electromagnet and permanent magnet if, despite active field compensation in the yoke, the flux density zero is not achieved over the entire gap of the valve.
  • magnetorheological fluid is moved from a first chamber 57 above the piston 43 into a second chamber 59.
  • the liquid flows through the passage 49 from the second chamber 59 into the first chamber 57.
  • the coil 51 is not energized and thus in purely soft magnetic yokes without permanent magnet no magnetic field is applied to the valves 1 , the pressure drop at the valve 1 is low and the piston can be moved with only a small force in the cylinder 45.
  • FIG. 5 shows a piston movable in a cylinder in a second embodiment.
  • movable in a cylinder 45 piston 43 differs from that shown in Figure 4.1 in that the passage 49 is not formed in the piston 43 but as a gap 61 between the piston and the cylinder 45.
  • the wall 63 of the cylinder 45 or at least the inner part of the wall 63 made of a magnetic material is generated in the embodiment shown in FIG. 5 on one side by the yoke 53 and on the other side by the wall 63 of the cylinder 45.
  • the cross-sectional profile may be zigzag-shaped analogously to the inner yoke or else wave-shaped or provided with periodic tips.
  • the profiling in the form of HeNx with a slope of L s / 2 ⁇ R R or a multiple thereof shape.
  • L s stands for the distance of the tips 65 and R R for the inner radius of the cylinder.
  • a corresponding profiling for example, has the form of an internal thread.
  • FIGS. 7.1 and 7.2 Another design of a valve 1 designed according to the invention is shown in FIGS. 7.1 and 7.2.
  • the width of the valve channel 7 initially decreases until the maximum distance 23 of the first yoke 3 and the second yoke 5 has been reached and after reaching the maximum Distance 23 to the liquid outlet 19 again.
  • valve channel 7 it is also possible, for example, for the valve channel 7 to have a minimum cross-sectional area at the liquid inlet 17 and a maximum cross-sectional area at the liquid outlet 19. Alternatively, it is also possible that the cross-sectional area at the liquid inlet is maximum and at the liquid outlet is minimal.
  • the cross-sectional area at the liquid inlet and at the liquid outlet is in each case at a maximum and minimal between the liquid inlet and the liquid outlet.
  • the cross-sectional area of the liquid inlet initially decreases until the minimum cross-sectional area is reached and from reaching the minimum cross-sectional area to the liquid outlet again to.
  • more than one or two bottlenecks in which the minimum cross-sectional area is achieved may be provided.
  • a zigzag or wavy design of the channel walls with at least three minimal cross-sectional areas is also conceivable.
  • the first yoke 3 and the second yoke 5 at the liquid inlet 17 or liquid outlet 19 by a wedge of a non-magnetisable material.
  • the tip of the wedge lies on the side facing the liquid inlet 17 or liquid outlet 19.
  • the tips that are formed in the embodiments shown here may be rounded.
  • the region of the valve channel 7 with minimum cross-sectional area to comprise a section with walls running parallel, this section occupying a maximum of 20% of the total length of the valve channel 7.
  • FIGS. 8.1 to 8.8 Other suitable geometries for the channel are shown, for example, in FIGS. 8.1 to 8.8.
  • FIGS. 8.1 to 8.3 channel geometries are shown in which the cross-sectional area at the liquid inlet is at its maximum and at the liquid outlet is minimal or at the liquid inlet is minimal and at the liquid outlet is maximum.
  • the increase or decrease in the cross-sectional area can be carried out with decreasing, constant or increasing pitch.
  • a channel is shown with a decreasing slope.
  • the pitch to the minimum cross-sectional area closely approximates to a parallel gap.
  • the wall runs parabolic from the maximum cross section to the minimum cross section. Alternatively, however, for example, a course in the form of a quarter circle is conceivable.
  • Figure 8.2 shows a channel constriction with constant slope.
  • Figure 8.3 shows a channel with an increasing slope of the channel constriction.
  • the channel has a substantially parabolic narrowing.
  • the channel has a substantially semicircular constriction with an opening in the semicircle.
  • FIG. 8.4 shows an alternative course with minimal cross-sectional area at the liquid inlet and liquid outlet and maximum cross-sectional area in the plane of symmetry.
  • the widening or narrowing of the channel is essentially circular. Alternatively, for example, an elliptical shape is possible.
  • FIGS. 8.5 to 8.8 channel shapes are shown with maximum cross-sectional area at the liquid inlet and liquid outlet and minimum cross-sectional area in the plane of symmetry.
  • the channel walls may be circular or triangular, for example as shown in FIGS. 8.5 and 8.6.
  • a course with increasing slope of maximum cross-sectional area to minimum cross-sectional area is possible, as shown in Figure 8.7.
  • a simple diaphragm as shown in FIG. 8.8, can also be accommodated in the channel. This is a step-shaped narrowing of the channel.
  • valve channel 7 In addition to the lateral constriction of a rectangular valve channel 7 shown in FIG. 7.2, it is alternatively also possible to position any other non-magnetic obstacles in the valve channel 7. By installing the non-magnetic obstacles, the cross-sectional area of the valve channel 7 is reduced.
  • any non-magnetic obstacle in the valve channel 7 it is alternatively also possible, as shown in FIG. 9.1, to position a central yoke in the middle of the channel, for example in the case of a channel with a circular cross-section.
  • the channel cross section changes from a circular cross section to an annular cross section.
  • the coil 69 is enclosed by a rotationally symmetrical yoke 71 with a U-shape.
  • at least one mandrel holder is required, with which this is held in position.
  • more than one mandrel holder for example at least two mandrel holders, is preferred in order to obtain a stable attachment of the central yoke 67.
  • the cross section of the channel can be designed either elliptical, rectangular or with any other shape.
  • the central yoke is then to be equipped, for example, in the shape of its cross section, similar to the channel.
  • a cross-section of the central yoke 67 which generates a constant flux density at the valve inlet and valve outlet along the circumference, is advantageous.
  • the cross section of the central yoke 67 may also change along its length. In this way, for example, sharper transitions ge between the annular channel around the central yoke 67 and the channels at the entrance and exit of the valve can be achieved. With a small minimum cross section of the central yoke 67, this must be made of a magnetically highly permeable material to avoid saturation confinement of the flux density. It is also advantageous to make the opposing tips of the yoke 71 enclosing the channel wedge-shaped as in FIG. 9.2. This also allows a larger cross-section of the channels facing away from the valve, so that in the de-energized case, the flow resistance of the arrangement can be kept small. As an alternative to the linear taper of the tip, this can be done with increasing or decreasing slope. The same applies to the central yoke.
  • a central yoke 67 in the valve channel 7 which is surrounded by all sides, for example in a cylindrical central yoke 67 in a circular channel, so that an annular gap is formed around the central yoke 67, there is a first valve 1 on the The upstream side of the central yoke 67 and a second valve 1 at the downstream end of the central yoke 67, at which the annular gap ends and generally merges back into the original cross section.
  • the central yoke 67 is connected, for example, on two opposite sides to the wall of the channel.
  • each of the gaps forms a valve 1 both on the upstream side of the central yoke 67 and on the downstream side of the central yoke 67.
  • the embodiment with a central yoke 67 connected to the wall of the duct is suitable, for example, for a duct with a rectangular Cross-section.
  • a valve designed according to the invention with a geometry, as shown in Figure 1 installed.
  • the valve channel is delimited by a field-guiding yoke made of steel 1.0037.
  • the width of the valve channel is also 10 mm, the distance between the walls formed by the yoke is at the liquid inlet and liquid outlet in each case 1 mm, the maximum distance of the walls is 5 mm.
  • the magnetic field is generated by a coil with impressed current. As long as no magnetorheological fluid is contained in the valve channel, the resulting magnetic flux density B perpendicular to the flow direction in the middle of the valve channel using a 1 mm-thick Hall probe to be detected.
  • pressure sensors are positioned in the rectangular flow channel. These allow both the detection of the pressure drop across the valve and of the hydrostatic pressure.
  • the pressure drop is the difference between the pressure measured at the pressure transducers and the hydrostatic pressure is the average of the pressure measured at the pressure transducers.
  • the rectangular flow channel opens at both Ends respectively in pressure chambers of circular cross-section containing hydraulically driven pistons.
  • the pistons are to be controlled independently of each other. In this way, on the one hand, the volume flow rate of the magnetorheological fluid through the valve and the hydrostatic pressure in the magnetorheological fluid can be specified.
  • the hydrostatic pressure is set so that, when the magnetic field is applied, both pressure transducers always display positive pressures, regardless of the impressed flow direction.
  • the magnetorheological fluid used contains 87% by weight of carbonyl iron powder dispersed in mineral oil.
  • the magnetorheological fluid is further added 0.3 wt .-% of a thixotropic additive to prevent the sedimentation of the carbonyl iron powder.
  • 0.3% by weight of a dispersant is included.
  • a conventional valve with a parallel gap of constant width is used with a length of the valve channel of 5 mm and a 1 mm x 10 mm rectangular rectangular cross-section with otherwise identical construction of the test arrangement.
  • Table 1 shows the pressure drop and the stroke, ie the ratio of the pressure drop with applied magnetic field and without magnetic field, for the valve according to the invention and the reference valve. The measurement was carried out in each case with the same direction movement of the piston at a speed of 10 mm / s. That corresponds to one
  • double wedge respectively means the inventively designed valve and reference the reference valve with parallel walls.
  • the pressure drop across the valve designed according to the invention is smaller by a factor of 4 than at a valve, as is known from the prior art, with parallel walls. Furthermore, it is found that when applied magnetic field at currents of more than 0.75 A, the pressure drop across the inventively designed valve by about 35 to 60% higher than the reference valve. As a result, the valve designed according to the invention has a higher stroke by a factor of 6.6 to 7.8.
  • frequency and amplitude mean the frequency and amplitude with which the pistons were moved.
  • the inventively designed valve with the geometry of Figure 1 was replaced by a valve with a geometry according to Figure 8.7.
  • the minimum distance of the walls was also 1 mm, the maximum distance 5 mm, the length of the valve channel also 5 mm and the width of the channel 10 mm.
  • Table 3 shows the pressure drop and stroke for the valve as shown in Figure 8.7 and as a reference for a parallel gap valve with a 1 mm wall clearance.
  • tip means the valve designed according to the invention and reference the valve with parallel walls.
  • the pressure drop across the valve designed according to the invention is smaller by more than a factor of 5 than in the case of a valve with parallel walls.
  • the pressure drop at currents of more than 0.75 A when inventively designed valve reaches about 90% of the value of a valve with parallel walls.
  • the stroke is higher by at least a factor of 4.
  • frequencies and amplitude are respectively the frequency and the amplitude with which the pistons were moved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil, das von einer magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmbar ist, umfassend einen Ventilkanal (7) der von einem Magnetfeld (25) durchflossen werden kann, wobei zur Erzeugung des Magnetfelds (25) mindestens ein Magnet mit mindestens einem Joch umfasst ist, und gegenüberliegende Oberflächen eines Spalts in einem geteilten Joch oder gegenüberliegende Oberflächen von zwei Jochen (3, 5) gegenüberliegende Wandungen des Ventilkanals (7) bilden. Der Ventilkanal (7) weist in Strömungsrichtung (15) der magnetorheologischen Flüssigkeit eine Änderung der Querschnittsfläche auf, wobei das Verhältnis der maximalen Querschnittsfläche des Ventilkanals (7) zur minimalen Querschnittsfläche im Bereich von 1,5 bis 200 liegt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Dämpfer, umfassend einen Zylinder (45) mit einem in dem Zylinder (45) in axialer Richtung bewegbaren Kolben (43), wobei in dem Zylinder zwei Kammern (57, 59) ausgebildet sind, die durch den Kolben (43) voneinander getrennt sind. In den Kammern (57, 59) ist eine magnetorheologische Flüssigkeit enthalten. In dem Kolben (43) ist mindestens ein erfindungsgemäßes Ventil (1) aufgenommen, durch das die magnetorheologische Flüssigkeit von einer Kammer (57, 59) in die andere (57, 59) fließen kann.

Description

Magnetorheologisches Ventil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Ventil, das von einer magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmbar ist, umfassend einen Kanal, der von einem Magnetfeld durchflössen werden kann, wobei zur Erzeugung des Magnetfelds mindestens ein Magnet mit mindestens einem Joch umfasst ist, und gegenüberliegende Oberflächen eines Spalts in einem geteilten Joch oder gegenüberliegende Oberflächen von zwei Jochen gegenü- berliegende Wandungen des Kanals bilden.
Magnetorheologische Ventile, das heißt Ventile, die von einer magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmbar sind, finden zum Beispiel Einsatz in Dämpfern, wie sie beispielsweise zur Fahrwerksdämpfung in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
Ein solches magnetorheologisches Ventil umfasst herkömmlich einen äquidistanten Kanal, der zwischen zwei gegenüberliegenden Oberflächen eines Spalts eines geteilten Jochs oder zwischen zwei Jochen eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten bzw. der Kombination von beiden ausgebildet ist. Der Magnet wird zur Er- zeugung eines homogenen magnetischen Felds senkrecht zur Jochwand eingesetzt. Unter der Wirkung des Magnetfelds wird in der magnetorheologischen Flüssigkeit eine hohe Fließgrenze aufgebaut, so dass sich bei Vorgabe des Durchsatzes ein erhöhter Druckabfall längs des magnetisierten Kanals ergibt. Das Verhältnis des Druckabfalls mit und ohne Magnetfeld wird als Hub bezeichnet.
Für technische Anwendungen von magnetorheologischen Ventilen, zum Beispiel in regelbaren Dämpfern, wird ein hoher Druckabfall kombiniert mit großem Hub bei möglichst kleinem Gewicht des Felderzeugers angestrebt.
Ein magnetorheologisches Ventil, das in einem Dämpfer eingesetzt wird, ist zum Beispiel aus US-B 7,051 ,849 bekannt. Das magnetorheologische Ventil ist in einem Kolben eines Dämpfers ausgebildet. Der Kolben enthält mehrere Kanäle, die von einer magnetorheologischen Flüssigkeit von einer ersten Kammer des Dämpfers in eine zweite Kammer des Dämpfers durchströmt werden können. Im Kolben ist eine Spule angeordnet, um ein Magnetfeld in den Kanälen auszubilden. Als magnetorheologisches Ventil wirkt dabei jedoch nur ein Abschnitt des Kanals, der von dem von der Spule erzeugten Magnetfeld durchflössen wird.
Magnetorheologische Dämpfer, bei denen im Kolben Kanäle mit äquidistanten Wan- düngen ausgebildet sind und im Kolben eine Spule zum Erzeugen eines Magnetfelds aufgenommen ist, sind zudem auch bekannt zum Beispiel aus US-B 6,786,31 1 , US 6,158,470, US-B 6,874,603 oder US-B 6,311 ,810.
Alternativ zu der Ausführungsform mit im Kolben ausgebildeten Kanälen ist es auch bekannt, zwischen Kolben und Zylinderwand einen Spalt auszubilden, der von der magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmt werden kann. Im Allgemeinen ist auch in diesem Fall im Kolben eine Spule aufgenommen, mit der im Spalt ein Magnetfeld erzeugt werden kann. Entsprechende Dämpfer sind zum Beispiel bekannt aus US 5,277,281 oder aus US 5,284,330.
Ein Dämpfer zur Aufnahme einer Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug ist in US 5,176,368 beschrieben. Dieser umfasst einen inneren und einen äußeren Zylinder, die konzentrisch angeordnet sind. Im Inneren ist eine axial verschiebbare Nabe angeordnet. Zwischen der Nabe und dem Gehäuse ist eine Kammer ausgebildet, in der eine magnetorheologische Flüssigkeit enthalten ist. Eine zweite elektromagnetische Einheit ist am äußeren Zylinder befestigt. Zwischen den Zylinder und den elektromagnetischen Einheiten ist jeweils ein Spalt mit konstanter Querschnittsfläche ausgebildet. In den elektromagnetischen Einheiten sind Spulen angeordnet, die jeweils an der Oberfläche der elektromagnetischen Einheit anliegen, deren Achse jedoch um 90° zur Nabenach- se gedreht ist.
Ebenfalls ein Dämpfer mit einem ringförmigen Spalt, in dem eine magnetorheologische Flüssigkeit enthalten ist, ist in US 5,344,129 offenbart. Weiterhin ist eine oszillierende Platte enthalten, die entfernt von der Kammer, die die magnetorheologische Flüssigkeit enthält, angeordnet ist. Die Einheit wird eingesetzt als Vibrationsdämpfer, beispielsweise zur Montage eines Motors.
Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Dämpfereinheiten ist, dass zum Verschieben des Kolbens der Dämpfer eine zu hohe Grundkraft ohne magnetisches Feld erforderlich ist. Um ein Verschieben des Kolbens auch mit geringer Kraft ohne angelegtes magnetisches Feld zu erzielen, werden zum Beispiel zusätzliche Spalte vorgesehen, die nicht von einem Magnetfeld durchflössen sind, sogenannte Bypässe. Solche Bypässe, in denen kein Magnetfeld wirkt oder in denen das Magnetfeld deutlich reduziert ist, dienen außerdem dazu, eine spezielle Kraft-Geschwindigkeit- Charakteristik zu generieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil, das von einer magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmbar ist, bereitzustellen, bei dem eine geringere Kraft erforderlich ist, um die magnetorheologische Flüssigkeit durch den Kanal zu verschieben, wenn kein Magnetfeld angelegt ist. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Ventil, das von einer magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmbar ist, wobei das Ventil einen Kanal umfasst, der von einem Magnetfeld durchflössen werden kann und zur Erzeugung des Magnetfelds mindestens ein Magnet mit mindestens einem Joch umfasst ist, und gegenüberliegende Oberflächen eines Spalts in einem geteilten Joch oder gegenüberliegende Oberflächen von zwei Jochen gegenüberliegende Wandungen des Kanals bilden. Der Kanal weist in Strömungsrichtung der magnetorheologischen Flüssigkeit eine Änderung der Querschnittsfläche auf, wobei das Verhältnis der maximalen Querschnittsfläche des Kanals zur mi- nimalen Querschnittsfläche im Bereich von 1 ,5 bis 200 liegt.
Aufgrund der im Allgemeinen hohen Grundviskositäten magnetorheologischer Flüssigkeiten ist es notwendig, einen Kanal mit großer Querschnittsfläche bereitzustellen, damit dieser mit einem geringen Druckabfall von der magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmt werden kann, wenn kein Magnetfeld angelegt ist. Ein großer Kanalquerschnitt bei konstanter Querschnittsfläche des Kanals hat jedoch den Nachteil, dass wesentlich höhere Magnetfelder im Spalt erzeugt werden müssen und gegebenenfalls auch eine erhöhte Kanallänge erforderlich ist, um den geforderten Druckabfall unter Magnetfeld und damit der notwendigen Kraft zum Durchschieben der magnetorheolo- gischen Flüssigkeit durch den Kanal zu erzeugen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine Änderung der Querschnittsfläche des Kanals, bei der das Verhältnis der maximalen Querschnittsfläche zur minimalen Querschnittsfläche im Bereich von 1 ,5 bis 200, bevorzugt im Bereich von 1 ,8 bis 200, weiter bevorzugt im Bereich von 2 bis 150 und insbesondere im Bereich von 3 bis 100 liegt, sowohl ein Durchströmen des Kanals mit geringem Druckabfall ohne Magnetfeld erlaubt als auch einen hohen Druckabfall bei angelegtem Magnetfeld ermöglicht. Entsprechend dem Druckabfall verhält sich die notwendige Kraft, die erforderlich ist, um die magnetorheologische Flüssigkeit durch den Kanal zu verschieben. Dies erlaubt es, im Vergleich zu Ventilen mit anderen, nicht erfindungsgemäßen Geometrien, ein kleineres Joch für eine ausreichende Magnetkraft, die ein Absperren des Kanals erlaubt, einzusetzen.
Überraschenderweise ergeben ausgewählte erfindungsgemäße Ventilgeometrien unter einem Magnetfeld sogar einen höheren Druckabfall als die konventionelle Geometrie mit einem konstanten Kanalquerschnitt bei gleicher Ventillänge, gleichem minimalem Kanalquerschnitt und gleichem Strom des Felderzeugers. Der Felderzeuger bleibt dabei abgesehen vom Strömungskanal ebenfalls unverändert. Die Querschnittsaufweitung des erfindungsgemäßen Kanals führt darüber hinaus zu einer Erniedrigung des magnetischen Flusses im Ventil. Beide Effekte erlauben es, hohe Dämpferkräfte unter Magnetfeld mit einem kleineren Felderzeuger zu erreichen.
Das erfindungsgemäße Ventil ermöglicht einen hohen Druckabfall bei vorgegebenem magnetischem Feld kombiniert mit einem großen Hub bei einem vergleichsweise kleinen Gewicht des Felderzeugers. Das kleine Gewicht des Felderzeugers lässt sich durch ein kleines Volumen von Magnetjoch und Spule erzielen.
Als Hub wird das Verhältnis des Druckabfalls mit und ohne Magnetfeld bezeichnet. Eingesetzt wird ein solches Ventil, das von einer magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmbar ist, zum Beispiel zur magnetisch steuerbaren Durchflussregelung, Druckabfallregelung oder Dämpfungsregelung.
Im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Ventil mit vorwiegend parallelem bzw. gleichmäßig konischem Spalt, der jedoch lediglich eine geringe Querschnittsänderung aufweist, lässt sich mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Ventil ein größerer Hub bei einem kleineren Volumen von Magnetjoch und Spule erzielen.
Die maximale Querschnittsfläche des Kanals entspricht vorzugsweise der Quer- schnittsfläche, die notwendig ist, um eine vorgegebene minimale Kraft aufzuwenden, um die magnetorheologische Flüssigkeit durch den Kanal zu bewegen. Der minimale Querschnitt entspricht vorzugsweise dem Querschnitt eines Kanals mit parallelen Wänden, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, und für eine entsprechende Anwendung eingesetzt wird.
Da die erforderliche Kraft, die benötigt wird, um die magnetorheologische Flüssigkeit durch den Kanal zu bewegen, mit zunehmender Länge des Kanals und insbesondere mit zunehmender Länge von Abschnitten des Kanals mit konstanter Querschnittsfläche zunimmt, ist es bevorzugt, dass die Abschnitte des Kanals mit konstanter Querschnitts- fläche jeweils eine maximale Länge von 40 % der Gesamtlänge des Kanals aufweisen. Hierbei kann der Kanal Abschnitte mit einer sich stetig ändernden Querschnittsfläche und Abschnitte mit einer konstanten Querschnittfläche aufweisen oder der Kanal weist mehrere Abschnitte mit einer konstanten Querschnittsfläche auf, wobei sich die Querschnittsfläche von Abschnitt zu Abschnitt beispielsweise stufenförmig ändert. In diesem Fall beträgt die maximale Länge eines jeden Abschnitts mit konstanter Querschnittsfläche maximal 40 % der Gesamtlänge des Kanals.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Abschnitt oder die Abschnitte des Kanals mit minimaler Querschnittsfläche jeweils maximal 20 % der Gesamtlänge des Kanals auf- weisen. Bevorzugt sind 2 bis 8 % der Gesamtlänge des Kanals. Es hat sich gezeigt, dass bereits eine solch geringe Länge des Abschnitts mit minimaler Querschnittsfläche ausreichend ist, um einen ausreichend großen Druckabfall für den Betrieb des Ventils zu erzielen. Das Magnetfeld, das angelegt wird, wirkt dabei insbesondere im Abschnitt des Kanals mit minimaler Querschnittsfläche. Hierdurch lässt sich der erforderliche Felderzeuger, der zur Erzeugung des Magnetfelds eingesetzt wird, soweit verkleinern, dass das Magnetfeld vorwiegend im Bereich des Abschnitts des Kanals mit minimaler Querschnittsfläche erzeugt wird.
In einer ersten Ausführungsform weist der Kanal einen stetigen Übergang von der mi- nimalen Querschnittsfläche zur maximalen Querschnittsfläche auf. Der Übergang kann dabei linear, parabolisch, hyperbolisch, kreisförmig oder in jeder beliebigen anderen geometrischen Form ausgestaltet sein. Bevorzugt ist der Übergang von der maximalen Querschnittsfläche zur minimalen Querschnittsfläche jedoch linear ausgebildet.
In einer alternativen Ausführungsform weist der Übergang von der maximalen Querschnittsfläche zur minimalen Querschnittsfläche des Kanals mindestens eine Stufe auf. Bevorzugt ist es jedoch, wenn der Übergang mindestens zwei Stufen aufweist.
Der Kanal kann einen im Wesentlichen konischen Verlauf aufweisen, wobei die Quer- schnittsfläche des Kanals in Strömungsrichtung abnimmt oder zunimmt, so dass entweder der Eintritt oder der Austritt die maximale Querschnittsfläche aufweisen und entsprechend bei einem Eintritt mit maximaler Querschnittsfläche der Austritt die minimale Querschnittsfläche aufweist oder bei einem Eintritt mit minimaler Querschnittsfläche der Austritt die maximale Querschnittsfläche aufweist. Der Übergang von der minima- len zur maximalen Querschnittsfläche kann dabei, wie zuvor bereits beschrieben, entweder stetig oder stufenförmig ausgebildet sein.
Bevorzugt ist es jedoch, dass der Kanal in Strömungsrichtung mindestens einen Bereich mit abnehmender Querschnittsfläche und einen Bereich mit zunehmender Quer- schnittsfläche aufweist. Besonders bevorzugt ist der Kanal dabei symmetrisch bezüglich der mittleren Schnittebene quer zur Strömungsrichtung. Hierdurch ist das Verhalten des magnetorheologischen Ventils unabhängig von der Strömungsrichtung. Dabei ist es zum Beispiel möglich, dass der Kanal in Strömungsrichtung zunächst eine zunehmende Querschnittsfläche bis zum Erreichen der maximalen Querschnittsfläche aufweist und die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung nach Erreichen der maximalen Querschnittsfläche wieder abnimmt. Alternativ ist es auch möglich, dass der Kanal in Strömungsrichtung zunächst eine abnehmende Querschnittsfläche bis zum Erreichen der minimalen Querschnittsfläche aufweist und die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung nach Erreichen der minimalen Querschnittsfläche wieder zunimmt. Ne- ben nur jeweils einem Bereich mit abnehmender und einem Bereich mit zunehmender Querschnittsfläche ist es weiterhin auch möglich, dass der Kanal jeweils mehrere Bereiche aufweist, in denen die Querschnittsfläche jeweils zunimmt bzw. abnimmt. So kann die Wandung des Kanals in Strömungsrichtung zum Beispiel zickzackförmig oder wellenförmig gestaltet sein.
Durch die Geometrie des Kanals mit Änderungen der Querschnittsfläche ändert sich die magnetische Flussdichte derart, dass in Bereichen minimaler Querschnittsfläche Maxima der Flussdichte auftreten. Im Vergleich zu einem Kanal mit parallelen Wänden ist die mittlere Flussdichte des Magnetfeldes bei der erfindungsgemäßen Geometrie bei gleichem Strom der Feldspule niedriger. Obwohl auch die Maxima der Flussdichte in den Bereichen mit minimaler Querschnittsfläche teilweise niedriger als die mittlere Flussdichte des Kanals mit parallelen Wänden sind, werden hohe Druckabfälle erreicht. Jedoch werden bei abgeschalteter Spule trotz eventuell verbleibender Remanenz des Jochs, die bei weichmagnetischem Stahl, beispielsweise Stahl 1.0037, übli- cherweise in einer Größenordnung von weniger als 0,1 Tesla liegt, kleinere Druckabfälle im Kanal als bei einem Kanal mit parallel verlaufenden Wänden erhalten. Damit erlaubt die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventils eine wesentliche Erhöhung des Hubs bei gleicher Kanallänge.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Felderzeuger verkleinert werden kann, da einerseits im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Ventil mit einem Kanal mit parallelen Wandungen die Flussdichte insgesamt reduziert ist und andererseits hohe Flussdichten nur in Bereichen minimaler Querschnittsfläche des Kanals erforderlich sind. Zudem ist es möglich, beispielsweise aufgrund eines insgesamt erhöhten Druckabfalls bei einer Gestaltung mit einem Bereich mit zunehmender Querschnittsfläche und einem Bereich mit abnehmender Querschnittsfläche in Strömungsrichtung die Länge des Kanals insgesamt zu reduzieren aufgrund des insgesamt erhöhten Druckabfalls. Die mögliche Verkleinerung des Felderzeugers ist von Vorteil bei der Reduzierung des Gewichts des Ventils und der bei eingeschalteter Spule gespeicherten mag- netischen Energie. Zudem lassen sich Schaltzeiten für Flussdichtewechsel verkürzen und Schaltenergien reduzieren.
In einer Ausführungsform ist eine Wandung des Kanals des erfindungsgemäß ausgebildeten Ventils relativ zur gegenüberliegenden Wandung in Strömungsrichtung oder entgegen der Strömungsrichtung der magnetorheologischen Flüssigkeit bewegbar. Ein derartiges Ventil wird zum Beispiel in einem Dämpfer eingesetzt, bei dem das Ventil durch einen Spalt zwischen Dämpferkolben und äußerer Wandung des Dämpfers gebildet wird. Die Länge der Wandung, die nicht bewegt wird, entspricht dabei vorzugsweise der Bewegungsstrecke des Dämpferkolbens. Wenn eine Wandung relativ zur gegenüberliegenden Wandung bewegbar ist, ist es bevorzugt, dass zumindest die be- wegbare Wand mindestens eine Vertiefung oder einen Vorsprung aufweist, durch den die Änderung der Querschnittsfläche des Kanals realisiert wird. Die sich nicht bewegende Wandung des Kanals kann eben gestaltet sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die sich nicht bewegende Wandung mindestens eine Vertiefung bzw. min- destens einen Vorsprung aufweist.
Der Kanal, bei dem eine Wandung relativ zur gegenüberliegenden Wandung bewegbar ist, ist zum Beispiel als Spalt zwischen einer Zylinderwand und einem in dem Zylinder in axialer Richtung verschiebbaren Kolben ausgebildet.
Der Magnet, der eingesetzt wird, um das Magnetfeld im Spalt aufzubauen, ist vorzugsweise ein schaltbarer Elektromagnet. Als Material für das Joch des Magneten kann zum Beispiel ein magnetischer Stahl, beispielsweise Stahl 1.0037, eingesetzt werden. Weitere geeignete Materialien für das Joch sind zum Beispiel Eisen, weich- magnetische Eisenlegierungen, beispielsweise Permalloy, Kobaltlegierungen, Nickellegierungen und andere, dem Fachmann bekannte Legierungen.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Ventils ist es möglich, zum Beispiel magnetorheologische Flüssigkeiten mit einer höheren Grundviskosität einzusetzen, ohne dass im Vergleich zu einem mit niedrigviskoser magnetorheologischer Flüssigkeit betriebenen konventionellen Ventil ein erhöhter Druckabfall bei abgeschaltetem Magnet auftritt. Magnetorheologische Flüssigkeiten mit einer höheren Grundviskosität verwenden zu können, erlaubt den Einsatz einer höheren Pigmentierung an magnetisier- baren Teilchen und damit einer höheren Fließgrenze oder die Verwendung von höher- viskosen Basisölen insbesondere im Bereich tiefer Temperaturen. Andererseits ist bei Kolbensystemen, in denen das erfindungsgemäße Ventil zum Einsatz kommt, die Verwendung effektiverer Dichtungssysteme möglich, da sich deren erhöhte Reibungskraft durch den verringerten Fließwiderstand bei ausgeschaltetem Magneten kompensieren lässt, so dass die Kraft, die zum Bewegen des Kolbens erforderlich wird, bei ausge- schaltetem Magneten insgesamt nicht erhöht ist.
Das erfindungsgemäße Ventil wird zum Beispiel eingesetzt in einem Dämpfer, der einen Zylinder mit einem in dem Zylinder in axialer Richtung bewegbaren Kolben um- fasst. In dem Zylinder sind im Allgemeinen zwei Kammern ausgebildet, die durch den Kolben voneinander getrennt sind. In den Kammern ist eine magnetorheologische Flüssigkeit enthalten. Durch das erfindungsgemäße Ventil, das in dem Kolben aufgenommen ist, kann die magnetorheologische Flüssigkeit von einer Kammer in die andere fließen. Ein Durchfließen des Kolbens ist erforderlich, um den Kolben im Zylinder zu bewegen, da das Gesamtvolumen des Zylinders konstant bleibt und sich das Volumen der durch den Kolben voneinander getrennten Kammern bei einer Bewegung des KoI- bens ändert. Bei ausgeschaltetem Magneten und damit einem geringen Fließwiderstand ist nur ein geringer Kraftaufwand erforderlich, um den Kolben zu bewegen. Demgegenüber nimmt die Kraft, die zum Bewegen des Kolbens benötigt wird, zu, wenn ein Magnetfeld angelegt wird und damit der Druckabfall im Kanal stark zunimmt.
In manchen Anwendungen ist es erwünscht, dass der Druckabfall am magnetorheolo- gischen Ventil ohne Strom hoch bleibt. Das bedeutet zum Beispiel, dass eine hohe Kraft zur Bewegung des Kolbens im Dämpfer erforderlich ist. Ein solches Verhalten ist dadurch zu erreichen, dass ein Teil des Jochs, bevorzugt ein nicht direkt am Kanal liegender Teil des Jochs, durch einen Permanentmagneten, beispielsweise aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), oder ein magnetisierbares Material mit hoher Remanenz, beispielsweise hartmagnetische Eisen-Nickel-Legierungen oder amorphe Ferromagne- tika wie Metglas 2605 (Fe80B20), ersetzt wird. Das vom Elektromagneten erzeugte Feld überlagert sich im Joch und kann abhängig von der Polung die vom Permanent- magneten erzeugte Flussdichte entweder verstärken oder teilweise beziehungsweise vollständig kompensieren. Bei Materialien mit hoher Remanenz ist zusätzlich eine Umpolung des remanenten Feldes möglich.
In einer ersten Ausführungsform ist der Dämpfer derart ausgestaltet, dass das Ventil mindestens einen Kanal umfasst, der in dem Kolben ausgebildet ist. In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Ventil einen Kanal, der als Spalt zwischen der Zylinderwand und dem Kolben ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist der Kanal des Ventils, der durch den Felderzeuger mit magnetischer Flussdichte beaufschlagt werden kann, eine sich ändernde Querschnittsfläche auf.
Der Kanal des erfindungsgemäß ausgebildeten Ventils weist vorzugsweise einen spalt- förmigen Querschnitt auf. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass der Kanal einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist. Darüber hinaus kann sich die Form der Querschnittsfläche längs des Ventilkanals auch ändern, beispielsweise von einer rechteckigen Querschnittsfläche zu einer quadratischen Querschnittsfläche oder einer Querschnittsfläche mit einer runden Form. Bevorzugt ist es, wenn der Kanal einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist oder als Ringspalt ausgebildet ist. Bei einer Ausbildung als Ringspalt bildet ein Joch des Magneten die innere Wandung des Ringspalts und ein zweites Joch die äußere Wandung des Ringspalts. Bei einer im maxima- len Querschnitt rechteckförmigen Querschnittsfläche des Kanals ist es bevorzugt, wenn die gegenüberliegenden Oberflächen des Spalts in einem geteilten Joch oder das erste und zweite Joch die gegenüberliegenden längeren Seiten des Rechtecks bilden. Jedoch ist es alternativ auch möglich, dass die gegenüberliegenden Oberflächen des Spalts in einem geteilten Joch oder die Joche die gegenüberliegenden kürze- ren Seiten des Rechtecks bilden. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt parallel zur Mittelebene des Kanals durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil in einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 einen Schnitt senkrecht zur Mittelebene des Kanals durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil gemäß Figur 1 ,
Figur 3 eine Doppelkolben-Messanordnung,
Figur 4.1 einen in einem Zylinder bewegbaren Kolben mit erfindungsgemäß ausgebildeten Ventilen in einer ersten Ausführungsform,
Figur 4.2 einen Kolben gemäß Figur 4.1 , wobei ein Teil des Jochs durch einen ringförmigen Permanentmagneten ersetzt ist,
Figur 5 einen in einem Zylinder bewegbaren Kolben mit erfindungsgemäß ausgebildeten Ventilen in einer zweiten Ausführungsform,
Figur 6 einen in einem Zylinder bewegbaren Kolben mit erfindungsgemäß ausge- bildeten Ventilen in einer dritten Ausführungsform,
Figur 7.1 ,
7.2 zwei Ansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ventils in einer weiteren Ausführungsform,
Figur 8.1 bis 8.8 verschiedene Kanalgeometrien für das Ventil,
Figur 9.1 , 9.2 Ventile mit einem zentralen Joch im Ventilkanal.
In Figur 1 ist ein Schnitt parallel zur Mittelebene des Kanals durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil 1 umfasst ein erstes Joch 3 und ein zweites Joch 5. Das erste Joch 3 und das zweite Joch 5 begrenzen einen Kanal 7, wobei eine erste Oberfläche 9 des ersten Jochs 3 und eine zweite Oberfläche 1 1 des zweiten Jochs 5 jeweils gegenüberliegende Wandungen des Kanals 7 bilden. Alternativ können die erste Oberfläche 9 und die zweite Oberfläche 1 1 auch gegenüberliegende Flächen eines Spalts in einem geteilten Joch sein.
Das Ventil 1 kann zum Beispiel in einem Kanal 13 aufgenommen sein, der von einer magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmt wird. Die Strömungsrichtung der magnetorheologischen Flüssigkeit ist mit einem Pfeil 15 dargestellt. Neben der hier dargestellten Strömungsrichtung 15 ist es jedoch in allen hier gezeigten Ausführungsformen möglich, dass das Ventil 1 auch in der entgegengesetzten Richtung von der magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmt wird.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist der Kanal 7 des Ventils 1 an einem Flüssigkeitseinlass 17 und an einem Flüssigkeitsaustritt 19 jeweils mit einer minimalen Querschnittsfläche 21 ausgebildet. Die minimale Querschnittsfläche ergibt sich dabei aus dem Abstand des ersten Jochs 3 und des zweiten Jochs 5 am Flüssigkeitseinlass 17 und der Breite des Kanals 7.
In Strömungsrichtung 15 der magnetorheologischen Flüssigkeit nimmt der Abstand zwischen dem ersten Joch 3 und dem zweiten Joch 5 in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform linear zu, bis ein maximaler Abstand 23 und damit bei gleich bleibender Breite des Kanals 7 eine maximale Querschnittsfläche erreicht ist. Nach Erreichen der maximalen Querschnittsfläche nimmt der Abstand zwischen dem ersten Joch 3 und dem zweiten Joch 5 wieder linear ab, bis die minimale Querschnittsfläche am Flüssigkeitsaustritt 19 erreicht ist. Die Zunahme bzw. Abnahme des Abstandes zwischen dem ersten Joch 3 und dem zweiten Joch 5 wird in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht, dass das erste Joch 3 und das zweite Joch 5 jeweils an ihrer dem Kanal 7 begrenzenden Oberfläche 9, 11 eine dreieckförmige Nut aufweisen.
Am Flüssigkeitseinlass 17 und am Flüssigkeitsaustritt 19 ragen die Joche 3, 5 jeweils in den Kanal 13. Hierdurch wird der Durchströmungsquerschnitt des Kanals 13 auf die minimale Querschnittsfläche 21 reduziert.
Durch die geometrische Gestaltung der Oberflächen 9, 1 1 des ersten Jochs 3 und des zweiten Jochs 5 ergibt sich bei angelegtem Magnetfeld, das hier durch Pfeile 25 dargestellt ist, eine sich ändernde Flussdichte in Strömungsrichtung 15 der magnetorheologischen Flüssigkeit. An den Stellen mit minimalem Abstand 21 zwischen dem ersten Joch 3 und dem zweiten Joch 5 ist die Flussdichte des Magnetfeldes maximal und im Bereich mit maximalem Abstand 23 ist die Flussdichte minimal.
Im Vergleich zu einem Ventilkanal mit parallelen Wänden, das heißt mit konstanter Querschnittsfläche, ist die mittlere Flussdichte des Magnetfeldes 25 bei einer Geometrie des Ventilkanals 7, wie er hier dargestellt ist, niedriger. Dennoch werden bei angelegtem Magnetfeld 25 im Vergleich zu einem Ventilkanal mit parallelen Wänden höhere Druckabfälle erhalten. Wenn kein Magnetfeld angelegt ist, werden jedoch trotz eventuell verbleibender Remanenz des Jochs 3, 5, die üblicherweise in der Größenordnung von weniger als 0,1 Tesla liegt, wesentlich kleinere Druckabfälle als an einem Ventilkanal mit parallelen Wandungen erhalten. Daraus ergibt sich bei einem erfindungsgemäß ausgestalteten Ventil 1 eine wesentliche Erhöhung des Hubs im Vergleich zu einem Ventil mit parallelen Wandungen des Ventilkanals.
In Figur 2 ist ein Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtung durch ein Ventil gemäß Figur 1 mit vollständigem Joch dargestellt.
Das erste Joch 3 und das zweite Joch 5 sind außerhalb des Ventils 1 zu einem geteilten Joch miteinander verbunden und von einer Spule 27 umschlossen. Durch Anlegen einer Spannung an die Spule 27 wird im Ventilkanal 7 ein Magnetfeld erzeugt.
Damit das von der Spule 27 erzeugte Magnetfeld die im Ventilkanal 7 und die darin enthaltene magnetorheologische Flüssigkeit durchfließt, ist die seitliche Begrenzung 29 des Ventilkanals 7 aus einem nicht-magnetisierbaren Material gefertigt. Als Material für die seitliche Begrenzung 29 eignen sich zum Beispiel nicht-metallische Werkstoffe sowie nichtmagnetischer Stahl wie 1.4571 , Messing, Aluminium oder Titan als metallische Werkstoffe.
In Figur 3 ist ein Schnitt eines Kanals mit einem darin aufgenommenen erfindungsge- maß ausgebildeten Ventil dargestellt.
Mit der in Figur 3 dargestellten Anordnung lässt sich zum Beispiel der Druckabfall am Ventil 1 bestimmen. Das Ventil 1 , das entsprechend dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ventil aufgebaut ist, ist in einem Kanal 13 positioniert. Der Kanal 13 wird an einer Seite von einer ersten Druckkammer 31 und an seinem anderen Ende durch eine zweite Druckkammer 33 begrenzt. Die erste Druckkammer 31 wird von einem ersten Kolben 35 und die zweite Druckkammer 33 von einem zweiten Kolben 37 abgeschlossen. Der erste Kolben 35 und der zweite Kolben 37 lassen sich jeweils in axialer Richtung in der ersten Druckkammer 31 bzw. zweiten Druckkammer 33 verschieben. Um den Druckabfall im Kanal 13 zu bestimmen ist auf der einen Seite des Ventils 1 ein erster Drucksensor 39 und auf der anderen Seite des Ventil 1 ein zweiter Drucksensor 41 im Kanal 13 positioniert. Auf diese Weise kann unabhängig von der Strömungsrichtung der magnetorheologischen Flüssigkeit jeweils der Druck im Kanal 13 vor und hinter dem Ventil 1 erfasst werden. Damit die magnetorheologische Flüssigkeit in die mit dem Pfeil 15 dargestellte Richtung strömt, wird zum Beispiel der erste Kolben 35 in die erste Druckkammer 31 bewegt. Hierdurch steigt der Druck in der ersten Druckkammer 31 an und die magnetorheologische Flüssigkeit bewegt sich in Richtung der zweiten Druckkammer 33. Aufgrund des ansteigenden Druckes in der zweiten Druck- kammer 33 bewegt sich der Kolben 37 aus der Druckkammer 33 hinaus und das Volumen in der zweiten Druckkammer 33 wird vergrößert. Entsprechend kann durch eine Bewegung des zweiten Kolbens 37 in die zweite Druckkammer 33 hinein die Strömungsrichtung der magnetorheologischen Flüssigkeit umgekehrt werden.
Der Druckabfall am Ventil 1 ergibt sich aus der Differenz des am ersten Drucksensor 39 und am zweiten Drucksensor 41 gemessenen Drucks.
In Figur 4.1 ist ein in einem Zylinder beweglich aufgenommener Kolben dargestellt, wobei im Kolben ein Flüssigkeitsdurchlass mit darin aufgenommenem erfindungsge- mäßem Ventil ausgebildet ist.
Ein Kolben, wie er in Figur 4.1 dargestellt ist, wird zum Beispiel in einem Dämpfer eingesetzt. Hierzu ist ein Kolben 43 bewegbar in einem Zylinder 45 aufgenommen. Damit der Kolben 43 im Zylinder 45 bewegt werden kann, ist zwischen dem Kolben 43 und dem Zylinder 45 ein Gleitspalt 47 ausgebildet. Beim Einsatz in einem Dämpfer ist im Kolben 43 ein Durchlass 49 ausgebildet. Der Durchlass 49 kann zum Beispiel als Ringspalt ausgeführt sein. Alternativ ist es auch möglich, dass zum Beispiel mindestens ein Kanal mit kreisförmigem, dreieckförmigem, rechteckigem oder beliebig anderen Querschnitt im Kolben 43 ausgebildet sind. In dem im Kolben 43 ausgebildeten Durchlass 49 sind in der hier dargestellten Ausführungsform jeweils zwei erfindungsgemäß ausgebildete Ventile 1 , die entsprechend dem in Figur 1 dargestellten Ventil gestaltet sind, positioniert. Um das notwendige Magnetfeld zu erzeugen, ist im Kolben 43 eine Spule 51 aufgenommen. Durch Bestromung der Spule 51 über Zuleitungen 44 im Schaft des Kolbens 43 wird ein Magnetfeld erzeugt. Dieses durchfließt das Joch 53, das die Spule 51 umgibt. Das Joch 53 begrenzt jeweils die Ventile 1 an einer Seite des Ventilkanals 7. Die gegenüberliegende Begrenzung des Ventilkanals 7 bildet zum Beispiel ein Magnet 55. Der Magnet 55 kann beispielsweise ein zweites Joch aus einem magnetisierbaren Material oder ein Permanentmagnet sein. Um ein geschlossenes Magnetfeld zu erzeugen, ist es zum Beispiel möglich, das zweite Joch zur Bildung des Magneten 55 mit einer zweiten Spule, die hier nicht dargestellt ist, zu magnetisie- ren. Jedoch ist es auch möglich, lediglich ein magnetisierbares Material vorzusehen, das durch Bestromen der Spule 51 und dem sich damit ausbildenden Magnetfeld e- benfalls magnetisiert wird.
In Figur 4.2 ist ein Kolben gemäß Figur 4.1 dargestellt, in dem ein Teil des inneren Jochs durch einen ringförmigen Permanentmagneten 56 ersetzt ist. Alternativ kann anstelle des Permanentmagneten 56 auch ein magnetisierbares Material mit einer hohen Remanenz eingesetzt werden. Auf diese Weise kann auch ohne Bestromung der Spule 51 eine remanente Flussdichte im Ventilkanal 7 erzeugt werden. Bei Bestro- mung der Spule 51 kann abhängig von Polarität und Spannung die remanente Flussdichte im Ventilkanal 7 entweder verstärkt oder bis auf Null kompensiert werden.
Die erfindungsgemäße Ventilgeometrie mit größerem Hub ist insbesondere bei der Kombination von Elektromagnet und Permanentmagnet von Vorteil, wenn trotz einer aktiven Feldkompensation im Joch nicht über den gesamten Spalt des Ventils die Flussdichte Null erreicht wird.
Bei einer Bewegung des Kolbens 43 im Zylinder 45 wird magnetorheologische Flüssigkeit von einer ersten Kammer 57 oberhalb des Kolbens 43 in eine zweite Kammer 59 bewegt. Bei einer Bewegung des Kolbens 43 in entgegengesetzter Richtung strömt die Flüssigkeit durch den Durchlass 49 von der zweiten Kammer 59 in die erste Kammer 57. Solange die Spule 51 nicht bestromt ist und damit bei rein weichmagnetischen Jochen ohne Permanentmagnet kein Magnetfeld an den Ventilen 1 angelegt ist, ist der Druckabfall am Ventil 1 gering und der Kolben kann mit einem nur geringen Kraftauf- wand im Zylinder 45 bewegt werden. Dafür ist es vorteilhaft, die Querschnittsfläche des Durchlasses 49 außerhalb der Ventile möglichst groß und die Gesamtlänge des Durchlasses 49 insgesamt möglichst kurz zu gestalten, um den Druckabfall außerhalb des eigentlichen Ventils 7 niedrig zu halten. Sobald eine Spannung an die Spule 51 angelegt ist und sich ein Magnetfeld ausbildet, nimmt der Druckabfall an den Ventilen 1 zu und es ist eine sehr viel größere Kraft erforderlich, um den Kolben 43 im Zylinder 45 zu bewegen. Im Falle hoher Remanenz des gesamten Jochs oder eines Teils davon als auch bei einem Permanentmagneten im Joch, wie beispielsweise in Figur 4.2 dargestellt, wird bereits im stromlosen Zustand der Spule 51 ein hoher Druckabfall an den Ventilen erreicht. In diesem Fall muss die Spule 51 mit geeigneter Polarität und Strom- stärke die remanente Flussdichte im Ventil aktiv kompensieren, um den Zustand minimalen Kraftaufwands zu realisieren.
In Figur 5 ist ein in einem Zylinder beweglicher Kolben in einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Der in Figur 5 dargestellte, in einem Zylinder 45 bewegliche Kolben 43 unterscheidet sich von dem in Figur 4.1 dargestellten dadurch, dass der Durchlass 49 nicht im Kolben 43 sondern als Spalt 61 zwischen dem Kolben und dem Zylinder 45 ausgebildet ist. Zur Erzeugung des Magnetfeldes im Ventilkanal 7, der in der in Figur 5 dargestell- ten Ausführungsform auf einer Seite durch das Joch 53 und auf der anderen Seite durch die Wandung 63 des Zylinders 45 gebildet wird, ist die Wandung 63 des Zylinders 45 oder zumindest der innere Teil der Wandung 63 aus einem magnetischen Material gefertigt.
Um Nachteile im Betrieb zu vermeiden, die sich durch Wandgleiten an der glatten Wandung 63 des Zylinders 45 ergeben können, und um auf beiden Seiten des Kanals das Potential der Querschnittsänderung zu nutzen ist es vorteilhaft, auch die Wandung 63 des Zylinders 45 mit einem entsprechenden Profil zu versehen. Dies ist in Figur 6 dargestellt. Das Querschnittsprofil kann, wie in Figur 6 dargestellt, analog zum inneren Joch zickzackförmig ausgebildet oder auch wellenförmig oder mit periodischen Spitzen ausgestattet sein. Um zu vermeiden, dass durch die Verschiebung des Kolbens 43 eine von der Position abhängige Änderung des Eintrittsquerschnitts in die Ventile auftritt, ist es zum Beispiel möglich, die Profilierung in Form einer HeNx mit einer Steigung von Ls/2πRR oder einem Vielfachen davon zu gestalten. Ls steht für den Abstand der Spitzen 65 und RR für den Innenradius des Zylinders. Eine entsprechende Profilierung hat zum Beispiel die Form eines Innengewindes.
Eine weitere Gestaltung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ventils 1 ist in den Figuren 7.1 und 7.2 dargestellt. Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Ausfüh- rungsform nimmt bei der in Figur 7.1 und 7.2 dargestellten Ausführungsform die Breite des Ventilkanals 7 zunächst ab, bis der maximale Abstand 23 des ersten Jochs 3 und des zweiten Jochs 5 erreicht ist und nach Erreichen des maximalen Abstands 23 bis zum Flüssigkeitsaustritt 19 wieder zu.
Neben den hier dargestellten Ausführungsformen ist es weiterhin zum Beispiel auch möglich, dass der Ventilkanal 7 am Flüssigkeitseinlass 17 eine minimale Querschnittsfläche und am Flüssigkeitsaustritt 19 eine maximale Querschnittsfläche aufweist. Alternativ ist es auch möglich, dass die Querschnittsfläche am Flüssigkeitseinlass maximal und am Flüssigkeitsaustritt minimal ist.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist die Querschnittsfläche am Flüssigkeitseinlass und am Flüssigkeitsaustritt jeweils maximal und zwischen dem Flüssigkeitseinlass und dem Flüssigkeitsaustritt minimal. In diesem Fall nimmt die Querschnittsfläche vom Flüssigkeitseintritt zunächst ab, bis die minimale Querschnittsfläche erreicht ist und von Erreichen der minimalen Querschnittsfläche zum Flüssigkeitsaustritt wieder zu. Auch können mehr als eine oder zwei Engstellen, in denen die minimale Querschnittsfläche erzielt wird, vorgesehen sein. So ist zum Beispiel auch eine zickzack- förmige oder eine wellenförmige Gestaltung der Kanalwände mit mindestens drei minimalen Querschnittsflächen denkbar.
Um die mechanische Stabilität gegen Abrieb oder plastische Verformung zu erzielen, ist es zum Beispiel möglich, das erste Joch 3 und das zweite Joch 5 am Flüssigkeits- einlass 17 bzw. Flüssigkeitsaustritt 19 durch einen Keil aus einem nicht- magnetisierbaren Material zu verstärken. Die Spitze des Keils liegt dabei auf der dem Flüssigkeitseinlass 17 bzw. Flüssigkeitsauslass 19 zuweisenden Seite an. Zudem können die Spitzen, die bei den hier dargestellten Ausführungsformen ausgebildet sind, abgerundet sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass der Bereich des Ventilkanals 7 mit minimaler Querschnittsfläche einen Abschnitt mit parallel verlaufenden Wandungen umfasst, wobei dieser Abschnitt maximal 20 % der Gesamtlänge des Ventilkanals 7 einnimmt.
Weitere geeignete Geometrien für den Kanal sind zum Beispiel in den Figuren 8.1 bis 8.8 dargestellt.
In den Figuren 8.1 bis 8.3 sind Kanalgeometrien dargestellt, bei denen am Flüssigkeitseinlass die Querschnittsfläche maximal und am Flüssigkeitsaustritt minimal ist bzw. am Flüssigkeitseinlass minimal und am Flüssigkeitsaustritt maximal.
Die Zu- bzw. Abnahme der Querschnittsfläche kann dabei mit abnehmender, konstan- ter oder zunehmender Steigung ausgeführt sein. In Figur 8.1 ist ein Kanal mit einer abnehmenden Steigung dargestellt. Hierbei nähert sich die Steigung zur minimalen Querschnittsfläche stark einem Parallelspalt an. Die Wandung verläuft dabei vom maximalen Querschnitt zum minimalen Querschnitt parabolisch. Alternativ ist jedoch zum Beispiel auch ein Verlauf in Form eines Viertelkreises denkbar.
In Figur 8.2 ist eine Kanalverengung mit konstanter Steigung dargestellt.
Figur 8.3 zeigt einen Kanal mit einer zunehmenden Steigung der Kanalverengung. Hierbei hat der Kanal eine im Wesentlichen parabolische Verengung. Alternativ ist es auch möglich, dass der Kanal eine im Wesentlichen halbkreisförmige Verengung mit einer Öffnung im Halbkreis aufweist.
In den Figuren 8.4 bis 8.8 sind Kanalgeometrien mit Verengung und Aufweitung dargestellt. Die dargestellten Kanalformen sind dabei jeweils symmetrisch zu einer Schnitt- ebene quer zur Strömungsrichtung. Figur 8.4 zeigt einen alternativen Verlauf mit minimaler Querschnittsfläche am Flüssigkeitseintritt und Flüssigkeitsauslass und maximaler Querschnittsfläche in der Symmetrieebene. Die Aufweitung bzw. Verengung des Kanals ist dabei im Wesentlichen kreis- förmig gestaltet. Alternativ ist beispielsweise auch eine elliptische Form möglich.
In den Figuren 8.5 bis 8.8 sind im Unterschied dazu Kanalformen dargestellt mit maximaler Querschnittsfläche am Flüssigkeitseinlass und Flüssigkeitsaustritt und minimaler Querschnittsfläche in der Symmetrieebene. Die Kanalwandungen können dabei zum Beispiel kreisförmig oder in Form eines Dreiecks verlaufen, wie es beispielsweise in Figuren 8.5 und 8.6 dargestellt ist. Auch ist zum Beispiel ein Verlauf mit zunehmender Steigung von maximaler Querschnittsfläche zu minimaler Querschnittsfläche möglich, wie dies in Figur 8.7 dargestellt ist. Alternativ zu einer kontinuierlichen Verengung oder Aufweitung, wie sie in den Figuren 8.1 bis 8.7 dargestellt ist, kann jedoch zum Beispiel auch eine einfache Blende, wie sie in Figur 8.8 dargestellt ist, im Kanal aufgenommen sein. Hierbei handelt es sich um eine stufenförmige Verengung des Kanals.
Neben der in Figur 7.2 dargestellten seitlichen Verengung eines rechteckförmigen Ventilkanals 7 ist es alternativ auch möglich, beliebige andere nicht-magnetische Hinder- nisse im Ventilkanal 7 zu positionieren. Durch den Einbau der nicht-magnetischen Hindernisse wird die Querschnittsfläche des Ventilkanals 7 reduziert.
Neben einem beliebigen nicht-magnetischen Hindernis im Ventilkanal 7 ist es alternativ auch möglich, wie in Figur 9.1 gezeigt, beispielsweise bei einem Kanal mit einem kreis- förmigen Querschnitt ein zentrales Joch in der Kanalmitte zu positionieren. Hierdurch ändert sich der Kanalquerschnitt von einem kreisförmigen Querschnitt auf einen ringförmigen Querschnitt. Zusätzlich ist die Spule 69 von einem rotationssymmetrischen Joch 71 mit U-Form umschlossen. Um das zentrale Joch 67 im Kanal positionieren zu können, ist mindestens ein Dornhalter erforderlich, mit dem dieses an seiner Position gehalten wird. Bevorzugt ist jedoch mehr als ein Dornhalter, beispielsweise mindestens zwei Dornhalter, um eine stabile Befestigung des zentralen Jochs 67 zu erhalten.
Abweichend von der Darstellung in Figur 9.1 kann der Querschnitt des Kanals sowohl elliptisch, rechteckig oder mit einer beliebigen anderen Form gestaltet sein. Das zentra- Ie Joch ist dann beispielsweise in der Form seines Querschnitts ähnlich zum Kanal auszurüsten. Vorteilhaft ist jedoch ein Querschnitt des zentralen Jochs 67, der am Ventileintritt und Ventilaustritt entlang des Umfangs eine konstante Flussdichte generiert.
Wie in Figur 9.2 dargestellt, kann sich der Querschnitt des zentralen Jochs 67 über seine Länge auch ändern. Auf diese Weise können beispielsweise schärfere Übergän- ge zwischen dem annularen Kanal um das zentrale Joch 67 und den Kanälen am Eingang und Ausgang des Ventils erreicht werden. Bei einem geringen minimalen Querschnitt des zentralen Jochs 67 muss dieses aus einem magnetisch hoch permeablen Material gefertigt werden, um eine Begrenzung der Flussdichte durch Sättigung zu vermeiden. Es ist weiterhin vorteilhaft, auch die gegenüberliegenden Spitzen des den Kanal umschließenden Jochs 71 wie in Figur 9.2 keilförmig zu gestalten. Dies erlaubt zudem einen größeren Querschnitt der vom Ventil abgewandten Kanäle, so dass im unbestromten Fall der Fließwiderstand der Anordnung klein gehalten werden kann. Alternativ zur linearen Verjüngung der Spitze kann diese mit zunehmender oder ab- nehmender Steigung erfolgen. Analoges gilt auch für das zentrale Joch.
Bei Einsatz eines zentralen Jochs 67 im Ventilkanal 7, das von allen Seiten umflossen wird, zum Beispiel bei einem zylinderförmigen zentralen Joch 67 in einem kreisförmigen Kanal, so dass sich ein Ringspalt um das zentrale Joch 67 ausbildet, befindet sich ein erstes Ventil 1 auf der Anströmseite des zentralen Jochs 67 und ein zweites Ventil 1 am stromabwärtigen Ende des zentralen Jochs 67, an dem der Ringspalt endet und im Allgemeinen wieder in den ursprünglichen Querschnitt übergeht. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das zentrale Joch 67 beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten mit der Wandung des Kanals verbunden ist. In diesem Fall entstehen jeweils an den Seiten des Jochs, die nicht mit der Wandung des Kanals verbunden sind, Spalte, in denen sich der Querschnitt des Kanals verengt. Dabei bildet jeder der Spalte sowohl auf der Anströmseite des zentralen Jochs 67 als auch auf der stromabwärtigen Seite des zentralen Jochs 67 ein Ventil 1. Die Ausführungsform mit einem mit der Wandung des Kanals verbundenen zentralen Joch 67 eignet sich zum Beispiel bei einem Kanal mit einem rechteckförmigen Querschnitt.
Beispiele
Beispiel 1
In einen rechteckförmigen Strömungskanal mit einer Querschnittsfläche von 10 mm x 5 mm ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil mit einer Geometrie, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, eingebaut. Der Ventilkanal wird von einem feldführenden Joch aus Stahl 1.0037 begrenzt. Die Breite des Ventilkanals beträgt ebenfalls 10 mm, der Abstand der durch das Joch gebildeten Wandungen beträgt am Flüssigkeitseinlass und Flüssigkeitsaustritt jeweils 1 mm, der maximale Abstand der Wandungen beträgt 5 mm. Die Erzeugung des Magnetfeldes erfolgt durch eine Spule mit eingeprägtem Strom. Solange im Ventilkanal keine magnetorheologische Flüssigkeit enthalten ist, kann die resultierende magnetische Flussdichte B senkrecht zur Fließrichtung in der Mitte des Ventilkanals mit Hilfe einer 1 mm dicken Hallsonde erfasst werden.
Jeweils 13 mm vor und hinter dem Ventil sind im rechteckförmigen Strömungskanal Druckaufnehmer positioniert. Diese erlauben sowohl die Erfassung des Druckabfalls am Ventil als auch des hydrostatischen Drucks. Der Druckabfall ergibt sich aus der Differenz des an den Druckaufnehmern gemessenen Drucks und der hydrostatische Druck ist der Mittelwert des an den Druckaufnehmern gemessenen Drucks. Der recht- eckförmige Strömungskanal mündet an beiden Enden jeweils in Druckkammern mit kreisförmigem Querschnitt, die hydraulisch angetriebene Kolben enthalten. Die Kolben sind jeweils unabhängig voneinander zu steuern. Auf diese Weise kann einerseits der Volumendurchsatz der magnetorheologischen Flüssigkeit durch das Ventil als auch der hydrostatische Druck in der magnetorheologischen Flüssigkeit vorgegeben werden. Der hydrostatische Druck wird so eingestellt, dass bei angelegtem Magnetfeld unab- hängig von der eingeprägten Fließrichtung beide Druckaufnehmer immer positive Drücke anzeigen.
Die eingesetzte magnetorheologische Flüssigkeit enthält 87 Gew.-% Carbonyleisen- pulver, das in Mineralöl dispergiert ist. Der magnetorheologischen Flüssigkeit sind wei- terhin 0,3 Gew.-% eines Thixotropie-Additivs zur Verhinderung der Sedimentation des Carbonyleisenpulvers zugesetzt. Zusätzlich sind 0,3 Gew.-% eines Dispergiermittels enthalten.
Als Referenz wird ein konventionelles Ventil mit einem Parallelspalt konstanter Breite mit einer Länge des Ventilkanals von 5 mm und einem 1 mm x 10 mm großem recht- eckförmigem Querschnitt bei ansonsten gleichem Aufbau der Versuchsanordnung eingesetzt.
In Tabelle 1 sind der Druckabfall und der Hub, das heißt das Verhältnis des Druckab- falls bei angelegtem Magnetfeld und ohne Magnetfeld, für das erfindungsgemäße Ventil und das Referenzventil dargestellt. Die Messung erfolgte jeweils bei gleichsinniger Bewegung der Kolben mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s. Das entspricht einem
Volumendurchsatz der magnetorheologischen Flüssigkeit von 785 mm3/s. Tabelle 1
Figure imgf000021_0001
In Tabelle 1 bedeutet Doppelkeil jeweils das erfindungsgemäß gestaltete Ventil und Referenz das Referenzventil mit parallelen Wandungen.
Es zeigt sich, dass bei nicht angelegtem Magnetfeld der Druckabfall am erfindungsgemäß ausgebildeten Ventil um den Faktor 4 kleiner ist als an einem Ventil, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, mit parallelen Wandungen. Weiterhin zeigt sich, dass bei angelegtem Magnetfeld bei Strömen von mehr als 0,75 A der Druckabfall am erfindungsgemäß ausgebildeten Ventil um ca. 35 bis 60 % höher ist als am Referenzventil. Dadurch erhält man für das erfindungsgemäß ausgebildete Ventil einen um den Faktor 6,6 bis 7,8 höheren Hub.
Bei gleichem Versuchsaufbau wurde eine oszillierende Strömung durch das Ventil über eine sinusförmige Bewegung der Kolben angelegt. Der Verlauf des Differenzdrucks aus den Messwerten der beiden Druckaufnehmer vor und nach dem Ventil wurde über der Zeit aufgezeichnet. Als Druckamplitude wurde der halbe Wert der Differenz aus Maximum und Minimum des periodischen Verlaufs bestimmt.
Die gemessene Druckamplitude bei oszillatorischer Strömung ist in Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2
Figure imgf000022_0001
In Tabelle 2 bedeuten Frequenz und Amplitude die Frequenz und die Amplitude, mit der die Kolben bewegt wurden.
Es zeigt sich, dass die Druckamplituden bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Ventil um 25 bis 35 % größer sind als die eines Ventils mit einem Ventilspalt mit parallelen Wandungen.
Beispiel 2
Das erfindungsgemäß ausgebildete Ventil mit der Geometrie gemäß Figur 1 wurde durch ein Ventil mit einer Geometrie entsprechend Figur 8.7 ausgetauscht. Der minimale Abstand der Wandungen betrug ebenfalls 1 mm, der maximale Abstand 5 mm, die Länge des Ventilkanals ebenfalls 5 mm und die Breite des Kanals 10 mm.
In Tabelle 3 sind der Druckabfall und der Hub für das Ventil gemäß Figur 8.7 und als Referenz für ein Ventil mit Parallelspalt mit einem Wandabstand von 1 mm dargestellt.
Tabelle 3
Figure imgf000023_0001
In Tabelle 3 bedeutet Spitze das erfindungsgemäß ausgebildete Ventil und Referenz das Ventil mit parallelen Wandungen.
Es zeigt sich, dass bei nicht bestromter Spule der Druckabfall am erfindungsgemäß ausgebildeten Ventil um mehr als den Faktor 5 kleiner ist als bei einem Ventil mit parallelen Wandungen. Dagegen erreicht der Druckabfall bei Strömen von mehr als 0,75 A beim erfindungsgemäß ausgebildeten Ventil ca. 90 % des Werts eines Ventils mit parallelen Wandungen. Am Ventil mit der erfindungsgemäßen Geometrie ist der Hub um mindestens den Faktor 4 höher.
Bei gleichem Versuchsaufbau wurde ebenfalls eine oszillierende Strömung durch das Ventil angelegt.
Die gemessene Druckamplitude bei oszillatorischer Strömung ist in Tabelle 4 dargestellt.
Tabelle 4
Figure imgf000023_0002
In Tabelle 4 bedeuten Frequenzen und Amplitude jeweils die Frequenz und die Amplitude, mit der die Kolben bewegt wurden.
Es zeigt sich, dass trotz der geringen effektiven Länge des Kanals unter magnetischem Feld das erfindungsgemäß ausgebildete Ventil unter den genannten Betriebsbedingungen Druckamplituden erreicht, die im Mittel nur ca. 9 bis 10 % unter denen des Referenzventils mit parallelen Wandungen liegen. Weiterhin vorteilhaft ist der größere Hub aufgrund des geringeren Druckabfalls bei nicht bestromter Spule.
Bezugszeichenliste
1 Ventil
3 erstes Joch
5 zweites Joch
7 Ventilkanal
9 erste Oberfläche
1 1 zweite Oberfläche
13 Kanal
15 Strömungsrichtung der magnetorheologischen Flüssigkeit
17 Flüssigkeitseinlass
19 Flüssigkeitsaustritt
21 minimale Querschnittsfläche
23 maximaler Abstand
25 Magnetfeld
27 Spule
29 seitliche Begrenzung
31 erste Druckkammer
33 zweite Druckkammer
35 erster Kolben
37 zweiter Kolben
39 erster Drucksensor
41 zweiter Drucksensor
43 Kolben
44 Zuleitung
45 Zylinder
47 Gleitspalt
49 Durchlass
51 Spule
53 Joch
55 Magnet
56 Permanentmagnet
57 erste Kammer
59 zweite Kammer
61 Spalt
63 Wandung des Zylinders 45
65 Spitze
67 zentrales Joch
69 Spule
71 U-förmiges Joch

Claims

Patentansprüche
1. Ventil, das von einer magnetorheologischen Flüssigkeit durchströmbar ist, umfassend einen Ventilkanal (7), der von einem Magnetfeld (25) durchflössen wer- den kann, wobei zur Erzeugung des Magnetfelds (25) mindestens ein Magnet mit mindestens einem Joch umfasst ist, und gegenüberliegende Oberflächen eines Spalts in einem geteilten Joch oder gegenüberliegende Oberflächen von zwei Jochen (3, 5) gegenüberliegende Wandungen des Ventilkanals (7) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkanal (7) in Strömungsrichtung (15) der magnetorheologischen Flüssigkeit eine Änderung der Querschnittsfläche aufweist, wobei das Verhältnis der maximalen Querschnittsfläche des Ventilkanals (7) zur minimalen Querschnittsfläche im Bereich von 1 ,5 bis 200 liegt.
2. Ventil gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt oder die Abschnitte des Ventilkanals (7) mit minimaler Querschnittsfläche jeweils maximal
20 % der Gesamtlänge des Kanals aufweist.
3. Ventil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkanal (7) einen stetigen Übergang von der maximalen Querschnittsfläche zur minima- len Querschnittsfläche aufweist.
4. Ventil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der maximalen Querschnittsfläche zur minimalen Querschnittsfläche des Ventilkanals (7) mindestens eine Stufe aufweist.
5. Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkanal (7) in Strömungsrichtung (15) zunächst eine zunehmende Querschnittsfläche bis zum Erreichen der maximalen Querschnittsfläche aufweist und die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung nach Erreichen der maximalen Querschnittsfläche wieder abnimmt.
6. Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkanal (7) in Strömungsrichtung (15) zunächst eine abnehmende Querschnittsfläche bis zum Erreichen der minimalen Querschnittsfläche aufweist und die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung nach Erreichen der minimalen Querschnittsfläche wieder zunimmt.
7. Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung des Ventilkanals (7) relativ zur gegenüberliegenden Wandung in Strö- mungsrichtung (15) oder entgegen der Strömungsrichtung der magnetorheologi- schen Flüssigkeit bewegbar ist.
8. Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkanal (7) als Spalt (61 ) zwischen einer Zylinderwand (63) und einem in dem
Zylinder (45) in axialer Richtung verschiebbaren Kolben (43) ausgebildet ist.
9. Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet ein schaltbarer Elektromagnet ist.
10. Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Querschnittsfläche durch Einsatz eines zentralen Jochs (67) oder eines Hindernisses in den Ventilkanal (7) ausgebildet wird.
1 1. Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte des Ventilkanals (7) mit konstanter Querschnittsfläche jeweils eine maximale Länge von 40 % der Gesamtlänge des Ventilkanals (7) aufweisen.
12. Dämpfer, umfassend einen Zylinder (45) mit einem in dem Zylinder (45) in axialer Richtung bewegbaren Kolben (43), wobei in dem Zylinder zwei Kammern (57,
59) ausgebildet sind, die durch den Kolben (43) voneinander getrennt sind, und in den Kammern (57, 59) eine magnetorheologische Flüssigkeit enthalten ist, wobei in dem Kolben (43) mindestens ein Ventil (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 aufgenommen ist, durch das die magnetorheologische Flüssigkeit von einer Kammer (57, 59) in die andere (57, 59) fließen kann.
13. Dämpfer gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1 ) mindestens einen Ventilkanal (7) umfasst, der in dem Kolben (43) ausgebildet ist.
14. Dämpfer gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1 ) einen Ventilkanal (7) umfasst, der als Spalt (61 ) zwischen der Zylinderwand (63) und dem Kolben (43) ausgebildet ist.
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