Magneto- and electrorheological damper concepts with extended damping capabilities

Magnetorheologische (MR) und elektrorheologische (ER) Flüssigkeiten werden in der Dämpfertechnologie aufgrund ihrer Fähigkeit verwendet, die erzeugte Dämpfung und damit die Energiedissipation für eine gegebene Geschwindigkeit durch Variieren des angelegten Feldes einzustellen. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an und untersucht potenzielle Erweiterungen der bisher bekannten Wirkmechanismen und Konstruktionen in verschiedene Zielrichtungen. Es geht dabei um Erweiterungen hinsichtlich der Dämpferfunktionalität, der Kennlinienanpassung und des Bauraumes. Die erste Erweiterung ist die konstruktive Änderung des ER-Steuerventils, die zu einer gesteuerten Kennlinienanpassung der Kraft-Geschwindigkeits-Charakteristik von ER-Dämpfern genutzt werden kann. Die Modifikation erfolgte durch Segmentierung der Feldquelle in paralleler Anordnung. Mit dieser Steuerventilkonstruktion kann die erzeugte Dämpfung schrittweise durch einen einfachen Ein-Aus-Schaltmechanismus geändert werden. Die zweite Erweiterung betrifft ein kompakteres Dämpferelement durch Erhöhung des Freiheitsgrades des Dämpfers. Bisherige Dämpferkonzepte basieren auf dem Freiheitsgrad 1. Durch die Kombination der Betriebsarten und Konstruktionsmechanismen wird in dieser Arbeit eine Erhöhung auf bis zu Freiheitsgrad 4 erreicht. Die dritte Erweiterung ist die Kombination mit einem anderen Material, um dem Dämpfer neue Funktionalität hinzuzufügen. In dieser Arbeit werden zwei Kombinationen untersucht, die Kombination mit Metallschaum und mit einem Formgedächtnislegierungsdraht (FGL). Die Kombination mit Metallschaum minimiert die parasitäre Dämpfung und ermöglicht den Einbau des Dämpfers in ein kleines Schwingungssystem. Die Kombination mit FGL eröffnet die Möglichkeit, die Konstruktion des MR-Dämpfers zu verkleinern. Es werden Untersuchungen der drei Erweiterungen durchgeführt, indem ihre Wirkung anhand von Laborprototypen überprüft wird. Die experimentellen Ergebnisse werden analysiert und mit mathematischen Modellen verglichen. Die Untersuchungsergebnisse in allen Erweiterungen zeigen vielversprechende Ergebnisse, bei denen neue Funktionalitäten oder Dämpfungseigenschaften eingeführt und durch Experimente verifiziert werden. Die vorgeschlagenen funktionalen und konstruktiven Erweiterungen für ER- oder MR-basierte Dämpfer bieten Entwurfsalternativen in der Dämpfertechnologie und neue Anwendungsmöglichkeiten.

Magnetorheological (MR) and electrorheological (ER) fluids have been used in damper technology due to their ability to adjust the damping produced, and hence the energy dissipation, for a given velocity by varying the applied field. At this point, the present work starts and examines potential extensions of the previously known mechanisms of action and constructions in different directions. This involves extensions with regard to the damper functionality, the adaptation of the characteristic curve, and the installation space. The first extension is the mechanical design modification of the control valve for ER dampers, which can be used for a controlled adaptation of the force-velocity characteristics of ER dampers. The modification was made by segmenting the field source in a parallel arrangement. With this control valve design, the produced damping can be changed incrementally by a simple on-off switching mechanism. The second extension concerns the degree of freedom of dampers. Previous damper concepts are based on the degree of freedom of 1. By combining the operating modes and design mechanisms, the number of the degree of freedom is increased in order to integrate several damping freedoms in a compact machine element. This work achieved an increment of up to degree of freedom of 4. The expansion is done in three ways, by integrating multiple damper elements, by combining multiple modes of operation, and by increasing the number of control elements. Moreover, the damper requires only one attachment point to connect to a vibration system. The third extension is the combination with another material to add new functionality to the damper. In this work two combinations are investigated, the combination with metal foam and with a shape memory alloy (SMA). The combination with metal foam minimizes parasitic damping and allows the damper to be built into a small vibration system. The combination with SMA opens up the possibility of downsizing the design of the MR damper. Investigations of the three extensions were carried out by verifying their effect on laboratory prototypes. The experimental results were analyzed and compared to mathematical models. The investigation results in all extensions showed promising results where new functionalities or damping properties are introduced and verified through experiments. The proposed functional and constructive extensions for ER or MR-based dampers offer design alternatives in damper technology and new application possibilities.

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