Modellierung, Simulation und Konstruktion eines digitalen ER-Ventils

Abstract

In der klassischen Hydraulik werden für hochdynamische und hochpräzise Aufgaben typischerweise Proportional- und Servoventile eingesetzt. Der Druckabfall über ein Ventil wird durch das mechanische Verstellen des durchströmten Querschnitts eingestellt.<br />Durch den Einsatz spezieller Flüssigkeiten, beispielsweise elektrorheologischer Fluide, kann der Druckabfall über den sogenannten ER-Effekt beeinflusst werden.<br />Dabei wird das ER-Fluid einem elektrischen Feld ausgesetzt, wodurch die effektive Viskosität verändert wird. Dieser Prozess läuft innerhalb von Millisekunden ab und ist reversibel. Durch einen linearen Hochspannungsverstärker kann ein kontinuierlich veränderbares elektrisches Feld erzeugt werden, womit das Ventil als analoges ER-Ventil bezeichnet wird.<br />Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Übertragung eines analogen ER-Venils zu einem digitalen ER-Ventil. Dabei wird der lineare Hochspannungsverstärker durch eine konstante Hochspannungsquelle und das analoge ER-Ventil durch mehrere kleinere ER-Ventile, welche einzeln eingeschalten werden können, ersetzt. Die Kombination dieser ER-Ventile wird als digitales ER-Ventil bezeichnet.<br />Es wird das mathematische Modell eines analogen ER-Ventils aufgestellt und zu einem digitalen ER-Ventil erweitert. Anhan von Simulationen von ER-Dämpfern werden analoge mit digitalen ER-Ventilen unter der Betrachtung unterschiedlicher Spalthöhen verglichen. Die aus der Simulation gewonnenen Erkenntnisse werden in die Entwicklung eines digitalen ER-Dämpfer Prototyps einbezogen. Die Messergebnisse des Prototyps werden mit der Simulation verglichen und analysiert.<br />

For high dynamic and precise hydraulic applications typically proportional und servo valves are used. The pressure drop over the valve is controlled by changing the orifice area. Fer electrorheological fluids, the pressure drop can be controlled by the electrorheological effect (ER effect). Thereby, the apparent viscosity of the electrorheological fluid is changed upon application of an electric field. This ER effect is fully reversible and the dynamics is in the range of a few milliseconds.<br />The electric field is generated by linear high-voltage amplifier and the valve is often referred as an analog ER valve.<br />This work deals with the development of so called digital ER valves by exchanging the linear high-voltage amplifier with a constant high-voltage source and splitting up the ER valve into multiple smaller ER valves. Each ER valve will be connected to the constant high-voltage source via a switch.<br />A mathematical model of an analog ER valve is developed and extended to the case of digital ER valves. A comparison of the analog with the digital valve is done by simulation studies of an ER damper. The findings of the simulations are integrated in the development of a digital ER valve prototype. The measurement results of the prototype are compared with simulations and analysed in detail.