Titel des Vortrags

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Maas VDI, M.Sc. Dirk Güth VDI, M.Sc. Martin Aust VDI

Hochschule Ostwestfalen-Lippe Fachbereich Elektrotechnik und Technische Informatik

Regelungstechnik und Mechatronik

Kupplungssysteme auf Basis magnetorheologischer Flüssigkeiten(Coupling Systems based on Magnetorheological Fluids)

30.07.2009

Getriebekongress 2009

Agenda

Magnetorheologie

Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

Zusammenfassung

Titel des Vortrags

2© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Agenda –

Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF)

Kupplungskonzepte mit axialem Scherspalt

Kupplungskonzept mit integrierter Bremse

Kupplungskonzept mit integriertem Motor

Zusammenfassung

M

Agenda

Magnetorheologie

Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

Zusammenfassung

Titel des Vortrags

3© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Magnetorheologischer EffektMagnetorheologische Flüssigkeiten enthalten magnetisierbare Partikel -

wie Carbonyl-Eisenpulver (CEP) -

im Durchmesser von einigen m.

Vergleich CEP-Partikel mit menschlichem Haar:

Agenda

Magnetorheologie

Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

Zusammenfassung

Titel des Vortrags

4© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Magnetorheologischer Effekt

FeldeinwirkungOhne

Feldeinwirkung

CEP-Partikel werden in einer Trägerflüssigkeit (z.B. Mineralöl) unter Zusatz von Additiven suspensiert (Gewichtsanteil Carbonyl-Eisenpulver etwa 90%).

Unter Feldeinwirkung bilden CEP-Partikel Festkörperbrücken aus:

Agenda

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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Titel des Vortrags

5© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

MRF –

Wirkungsprinzipien

Schermodus

B

F

MRFB

Fließmodus

MRFP1 P2B

Quetschmodus

MRF

F

Bildquellen: Lord corp.

Translatorische

Dämpfer

(Fahrwerk Audi TT)Maschinenlager

(adaptiv)Rotatorische Aktoren

(sbw-Aktoren)

Es wird nach drei Wirkungsprinzipien (Modi) unterschieden, mit denen der MR-Effekt genutzt werden kann.Hierfür existieren bereits kommerzielle Anwendungen.

Agenda

Magnetorheologie

Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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Titel des Vortrags

6© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

MRF –

Verhalten bei unterschiedlicher Formulierung

MRF weisen eine weitgehend lineare Verstellung der Schubspannung

(Fließgrenze) in Abhängigkeit des steuernden

magn. Feldes auf. Sie werden applikationsspezifisch formuliert.

0 0.25 0.5 0.75 10

25

50

75

100

125

magn. Flussdichte in T

Schu

bspa

nnun

g in

kPa

Schubspannung vs. Scherrate

Kupplungen / Bremsen

Dämpfer

Agenda

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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Titel des Vortrags

7© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

10-1

100

101

102

100

101

102

103

104

105

Scherrate in 1/s

Schu

bspa

nnun

g in

Pa

Schubspannung vs. Scherrate

0.0T0.1T0.2T0.5T1.0T

MRF –

Verhalten bei unterschiedlicher Schergeschwindigkeit

MRF verhalten sich wie Bingham-Fluide

mit einer von der Formulierung abhängigen Viskosität , die nahezu feldunabhängig ist: sgn0 B

MR-Effekt > 400

on-state

off-state

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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8© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

MRF –

MRF vs. ERF, Stand der Forschung / Applikationen

Im Vergleich zu elektrorheologischen

Fluiden weisen MRF -

deutlich höher erzielbare Schubspannung auf (Faktor 5-20),

-

sind wesentlich unempfindlicher gegenüber Verunreinigungen, -

können aus spannungseinprägenden

Netzen in Bezug auf ihre

elektromagnetische Erregung gespeist werden.Grundlegende Schwierigkeiten wie Sedimentation und Redispergier-

barkeit

sind überwunden, wie kommerzielle Applikationen zeigen.

Erste Anwendungen findet sich vor allem in Systemen zur semiaktiven Schwingungsdämpfung (Fließmodus), z.B. Magnetic-

Ride

von Delphi oder in Allradkupplungen von Magna.Aktoren auf MRF-Basis, die den Schermodus zugrunde legen, stellen eine viel versprechende Alternative zu konventionellen Bremsen und Kupplungen dar.

Agenda

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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9© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Anwendungsbeispiel

–

MRF-Aktor für Türassistenten

•

MRF-Bremse mit stromlosen Haltemoment (Halbschnitt): Scheibengeometrie auf Basis des Schermodus

N

SPermanentmagnet

Statorhälfte

Statorhälfte

Rotor

Luftspalt

MRF

Erregerspule

Erregerspule

Arbeitsspalt

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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10© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

TürassistentTürassistent –

kundenerlebbare Komfortfunktionen

variable Verrastung (elektronisch)

funk

tions

freie

r Bet

rieb

Kollisionsschutz (erfordert Umfeldsensorik)

Hindernis Kraftunterstützung

Endlagendämpfung

Erweiterte Funktionalität einer Fahrzeugtür

Anforderungen und Ziele:• Das Umfeld überwachen und den Bedienwunsch erkennen,• dem Insassen mit erweiterter Funktionalität assistieren durch• aktiven Eingriff in den Bewegungszustand der Fahrzeugtür.

und vieles mehr …

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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11© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Türassistent –

Integration des MRF-Aktors

•

Integration vertikal zwischen den Türscharnieren

rotatorischer Aktor (Drehmomentsteuerung)

Drehachse des Aktors bildetdie Tür-Scharnierachse

Vorteil: •

Kein Eingriff in Verkleidung

Designfreiheit

Herausforderung: •

stark begrenzter radialer

Bauraum im Schanierbereich

Erfordert den Entwurf eines rotatorischen

MRF-Aktors mit stromlosen HaltemomentMRF-Aktor

Getriebe i=10(spielarm)

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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12© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Türasisstent

–

realisierter Testaufbau (Türdemonstrator)

Endschalter

AussengriffDre

hmom

ent

Innengriff

Türw

inke

l

Funktionsentwicklung

mit RPC-System

Umfeld-

sensorik

TCP/IP

Matlab/

Simulink

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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13© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Bewertung der MRF-Technologie

Der entworfener MRF-Aktor zeigt hervorragende Eigenschaften : -

gut reproduzierbares und einstellbares Drehmoment,

-

Haltedrehmoment im stromlosen Betrieb, -

wirkt oberhalb der Fließgrenze wie eine Rutschkupplung

-

geräuscharm (keine Schalt-, Fließ-

und Reibungsgeräusche), -

ausgezeichnete haptische Eigenschaften.

Bei schnell rotierenden Anwendungen treten Nachteile auf: -

prinzipbedingt ist keine vollständige Trennung wie bei klassischen Kupplungen und Bremsen möglich (es verbleibt eine viskose (Rest-) Reibung),

-

Zentrifugation der CEP-Partikel im Scherspalt kann zur Beeinträchtigung des Drehmomentverhaltens führen.

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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14© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Kupplung mit axial verlaufendem Scherspalt (1)

ω1 ω2

Zuführung über

Schleifringe

Felderzeugung

Scherspalt mit MRF

Rotor Abtrieb

Rotor Antrieb

Dichtungen

B

Bewertung: +

optimierte Drehmomentausnutzung -

mitbewegtes Felderzeugungssystem erfordert Schleifringe

•

Mitbewegte Felderzeugung, innen angeordnet: (Prinzip der Allradkupplung von Magna)

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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15© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Kupplung mit axial verlaufendem Scherspalt (2)

Bewertung: + feststehendes Felderzeugungssystem -

keine optimierte Drehmomentausnutzung

(außen angeordnet, Luftspalt)

ω1 ω2

•

Ortsfeste Felderzeugung, außen angeordnet:

ortsfeste

Zuführung DichtungFelderzeugung

(feststehend)Arbeitsspalt mit

MRF

Rotor 2Rotor 1

B

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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16© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Kupplung mit axial verlaufendem Scherspalt (3)

ω2

Dichtung

B

ω1

•

Ortsfeste Felderzeugung, innen angeordnet:

Bewertung: + feststehendes Felderzeugungssystem -/+

verbesserte Drehmomentausnutzung

durch innen angeordnete Felderregung

ortsfeste

Zuführung

Felderzeugung

Scherspalt mit MRF

Rotor Abtrieb

Rotor Antrieb

Luftspalt

B

Agenda

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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17© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

ω1 ω2

äußere Felderzeugung

Rotor AbtriebRotor Antrieb innere Felderzeugung

mit Luftspalt

MRF-Scherspalt

für Kupplungsbetrieb

MRF-Scherspalt

für BremsbetriebOrtsfestes Gehäuse

mit Kabelzuführung

Kombination aus MRF-Kupplung

und -Bremse

•

Ortsfeste Felderzeugung innen und außen, 2 Scherspalte für Bremsen (außen) und Kuppeln (innen):

B

B

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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18© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

ω1

Aufbau der Kupplungs-Brems-Kombinationω2

Antrieb

MRF

Magnetisches Erregersystem der

Bremsfunktion

Abtrieb

Lagerung

Gehäuse

Dichtung

Magnetisches Erregersystem der Kupplungsfunktion

Luftspalt

Spule

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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19© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Flussführung im reinen Kupplungsbetrieb2 T

0 T

1 T

1,5 T

0,5 TFlus

sdic

hte

B

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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20© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Flussführung im reinen Bremsbetrieb

2 T

0 T

1 T

1,5 T

0,5 T

Flus

sdic

hte

B

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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21© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Flussführung bei kombiniertem Kupplungs-Brems-Betrieb

2 T

0 T

1 T

1,5 T

0,5 T

Flus

sdic

hte

B

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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22© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Vermessung der Kupplungs-Brems-Kombination

AktordatenDurchmesser: 88 mm

Länge: 123mm

M1 J1 J2 M2

Man Mabωan

IK IB

i1 i2ωab

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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23© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Vermessung der Kupplungs-Brems-Kombination

AbtriebslastDrehmoment-

erfassungKupplungs-

Brems-

Kombination

Antrieb

Drehmoment-

erfassung

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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24© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Messergebnisse der Kupplungs-Brems-Kombination

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

5

10

15

20

25

30

35

40

45

normierter Brems- und Kupplungsstrom

Mom

ent M

in N

m

MB

MSimulation B

MK

MSimulation B

Mkombiniert

-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Zeit t in s

norm

iert

e G

röße

Sollstrom

Bremsmoment MB

Kupplungsmoment MK

max. Kupplungsmoment MK

= 15 Nm

Max. Bremsmoment MB

= 28 ms

Reaktionszeit TR

= 22 ms

• Steuerkennlinien: • Dynamik des MRF-Aktors

Durch Vertauschen der Erreger-

systeme

(nebst Luftspalt) kann das Verhältnis von MK

zu MB

verändert werden

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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25© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Potenzielle Anwendung: Rollenförderer in der Logistik

Fördergut

Kupplungs-Brems-Kombinationen

Zentralantrieb

Förderrollen

+ Antrieb mit kostengünstigem Zentralantrieb + schnelle Schaltzeiten

+ nahezu geräuschfreie Arbeitsweise

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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26© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

ω1 ω2

Rotor AbtriebRotor Antrieb innen liegende Felderzeugung

MRF-Scherspalt

für Kupplungsbetrieb

Ortsfestes Gehäuse

mit Kabelzuführung

Luftspalt

•

Ortsfeste Felderzeugung innen, 1 Scherspalte für Kuppeln mit Luftspalt für Motorbetrieb:

Kombination aus MRF-Kupplung

und Motor (Hybridkupplung)

B

B

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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27© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Aufbau der MRF-Hybridkupplung

Abtrieb

Antrieb

Lagerung

Gehäuse

Dichtung

Erreger-

system

Luftspalt

MRF

Spule

Schnittansicht A-A

AA

Elektrisches Erregungssystem entsprechend einer Drehfeldmaschine.

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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28© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Betriebsarten der MRF-Hybridkupplung

φr

11

12

1

2

7

53 4

6

8910

1i1

i2

i3

i0

2 8 7

4 3 10 9

5 6 12 11

Schnittansicht:

Verschaltung:

Transformation in orthogonale Komponenten:

•

Zusammenfassung der Strangströme

i1

bis i3

in orthogonale Komponenten

3

2

1

0

31

31

31

31

310

31

31

32

iii

iii

3 Betriebsarten des MRF-Aktors

möglich:

• Erzeugung eines statischen Feldes (Kupplung)

• Erzeugung eines Drehfeldes (Kupplung/Motor)

•

Erzeugung eines Drehfeldes (Motor) mit statischem Feld (Kupplung)

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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29© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Betrieb mit statischem Feld –

reiner Kupplungsbetrieb

Einprägung eines statischen magnetischen Feldes durch Nullkomponente i0

(iα

,iβ

=0)

Realisierung eines reinen Kupplungsmomentes ohne motorischem Moment

2 T

0 T

1 T

1,5 T

0,5 T

Flus

sdic

hte

B

Flussverteilung:

tiftBftTC 00 Kupplungsmoment TC

:

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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30© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Reines Drehfeld –

abhängiger Kupplungs-Motor-Betrieb

Erzeugung eines Drehfeldes durch iα

, iβ

ohne Mittelwert (i0

=0)

Realisierung eines Kupplungsmomentes mit motorischem Moment (ASM)

Raumzeigerdarstellung:

iα

iβ

ω·t

maxi

i

Flussführung bei :2 t

2 T

0 T

1 T

1,5 T

0,5 T

Flus

sdic

hte

B

Kupplungsmoment TC

:

RotorschlupfM fiftT ,,ˆMotormoment TM

:

)(ˆ)( tiftBftTC Beide Größen nur über steuerbar.

i

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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31© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Drehfeld mit statischem Feld –

steuerbarer Kupplungs-Motor-Betrieb

Erzeugung eines Drehfeldes mit statischem Feld durch iα

, iβ

und

i0 Darstellung eines Kupplungsmomentes über die Ströme iα

, iβ

und

i0 Darstellung eines motorischen Momentes weitgehend über iα

, iβ

Raumzeigerdarstellung:

iα

iβ

ω·t

maxi

i

i0

2 T

0 T

1 T

1,5 T

0,5 T

Flus

sdic

hte

B

Flussführung bei :2 t

Kupplungsmoment TC

:

RotorschlupfM fiftT ,,ˆMotormoment TM

:

)(),(ˆ)( 00 titiftBtBftTC

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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32© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

AktordatenDurchmesser: 104 mm

Länge: 150mm

M J1

Minωin

i1

J2 Last

Mout i2ωoutM

i1

, i2

, i3

Funktionalität:-

steuerbare Kupplung-

zuschaltbarer Hilfsmotor zur Abdeckung von Spitzenlasten (Boost-Mode)

Vermessung der Hybridkupplung

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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33© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

time t in s

norm

aliz

ed q

uant

ity

reference value of current i0clutch torque TC

Stationäres Betriebsverhalten der Hybridkupplung

max. Kupplungsmoment TC

= 23 Nm

Reaktionszeit TR

= 18 ms

Motormoment @ 50Hz TM

= 0,8 Nm

R=1,2Ω

TR

Steuerkennlinie Kupplungsbetrieb: Dynamik des Einkuppelns:

Drehzahl-Drehmomentenkennlinie

bei 50Hz:

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0

0.5

1

1.5

rotational speed n in min-1

torq

ue T

M in

Nm

0 5 10 150

5

10

15

20

25

current i0 in A

clut

ch to

rque

TC in

Nm

numerical calculationmeasurement

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Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

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36© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Applikation der Hybridkupplung im Antriebsstrang

M

Potenzial der Hybrid-Kupplung bei Anwendungen im Antriebsstrang:

-

bedarfsgerechte Verteilung des Drehmomentes (Torque Vectoring) -

zuschaltbarer elektromotorischer Drehmomenterzeuger für Spitzenlast und Rekuperation

(Hybrid)

Optimierungsbedarf:-

Steigerung der Drehmomente und Minimierung des Bauraum durch

Kaskadierung der Scherspalte

Agenda

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

Zusammenfassung

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37© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Zusammenfassung

•

Gutes Verhältnis zwischen minimalen und maximalen Drehmoment:•

Optimierung des magnetorheologischen Flüssigkeit,•

Optimierung der Dichtung und Konstruktion.

•

Verhalten bei hohen Drehzahlen:•

Verringerung der Leerlaufverluste bei Schlupf,•

Partikelkonzentration (Zentrifugation)

•

Langzeitverhalten der Fluide:•

Alterung, Verschleiß

BMBF-Projekt

„MRF-Bremsen und –Kupplungen“

mit Industriepartnern

Optimierungsbedarf:

Kupplungen (und Bremsen) auf MRF-Basis

bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Komponenten:

•

Optimierung bestehender Anwendungen,•

Entwicklung neuer Produkte und

•

Erschließung neuer Anwendungsfelder

Agenda

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Kupplungskonzepte

Kupplung mit Bremse

Kupplung mit Motor

Zusammenfassung

Titel des Vortrags

38© Regelungstechnik und Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. J. Maas Kupplungssysteme auf MRF-Basis

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Kupplungs-Brems-Kombination

Kupplungs-Antriebs-Kombination