MATERIALE ELECTRO I MAGNETOREOLOGICE 1. IntroducereFluidele electro-reologice i magneto-reologice fac parte din categoria materialelor inteligente i sunt suspensii coloidale sintetice care, sub efectul cmpurilor electrice i respective magnetice, i mresc vscozitatea, de mai multe ori, n intervale de timp de ordinul milisecundelor, caracteristic cele le recomand a fi folosite pentru construia de supape, amortizoare, frne, ambreiaje etc., pentru structuri metalice, mai ales n caz de calamiti naturale, construcia senzorilor, actuatori etc. Un senzor poate fi definit ca un dispozitiv care poate detecta schimbrile de temperatur, presiune, cmp electric sau magnetic, n timp ce un actuator poate fi definit ca un dispozitiv ce poate realiza o anume sarcin cum ar fi exercitarea unei fore sau a unui moment ca reacie la un stimul i poate fi comparat cu un muschi artificial cu proprietatea de a-i schimba forma, rigiditatea, poziia, frecvena, capacitatea de amortizare sau alte proprieti mecanice. Senzorii i actuatori au o larg gam de utilizare n industria automobilelor, trenuri, avioane etc. n general, materialele inteligente au marele avantaj c pot s funioneze att ca senzori ct i ca actuatori (fig. 1) .

Figura 1. Materialele inteligente capabile de a lucra fie ca senzori fie ca actuatori , 3855 Materiale electro-reologice i magneto-reologice sunt constituite din micro-particule 4

dizolvate ntr-un lichid mineral sau ulei siliconicce sunt supuse aciunii unui camp electric sau magnetic.. n ultimii ani prezint un interes deosebit, datorit domeniilor foarte largi n care i gsesc aplicaiile cum ar fi: amortizoarele autovehiculelor, reazemele mainilor-unelte, protecie antiseismic sau chiar operaii de finisare i super-finisare. Aceasta se datoreaz avantajului de reglare rapid a rigiditii i capacitii absorbie a vibraiilor, prin simpla modificare a cmpului electric i magnetic. n tab. 1 sunt prezentate cteva proprieti ale fluidelor electro- i magneto-relogice. Tabel 1. Principalele caracteristici ale fluidelor electro- i magneto-reologice Proprieti Timpul de rspuns Vscozitatea la temperature 25o C Gama de temperaturi de lucru Sursa de putere Rezistena mecanic y Domeniul de lucru Densitatea Fluid electro-reologicmilisecunde (0,2 0,3) Pas (+10 +90o) C (ion, curent continuu) (25 +125)o C (non-ion,curent alternativ) (2 5) kV; (1 10) mA (2 50 watts) (2 5) kPa (la 3 5 kV/mm) cca. 4 kV/mm (1 2) g/cm3

Fluid magneto-reologicmilisecunde (0,2 0,3) Pas (40 +150)o C (2 25) V;(1 2) A; (2 50 watts) (50 100) kPa (la 150 250 kA/m) cca. 250 kA/m (3 4) g/cm3

2. Materiale electroreologice5

2.1.Introducere Materialele electroreologice au fost descoperite de Winslow n anul 1940, folosind pulbere fin (n proporii de 20-60 %) dispersat n ulei. n prezena unui camp electric acestea formeaz legaturi de tip lan (fig. 2). Efectul acesta afecteaz unele proprieti ale fluidului precum vscozitatea (crete foarte mult), fapt ce face ca fluidul s se comporte n intervalul a cteva milisecunde ca un gel. Aceste materialele electroreologice sunt deci, soluii de particule coloidale, polarizabile, cu dimensiuni de ordinul a (1-100) m, n solveni izolatori, cu constant dielectric ridicat.

Figura 2. Efectul aplicrii cmpului electric asupra arajrii particulelor de pulbere (efectul Wislow)

2.2 Caracterizarea general a materialelor electro-reologice La aplicarea unui cmp electric puternic, de ordinul kV/m, materialele electroreologice, 6

aflate n curgere, i modific proprietile reologice (vscozitate, plasticitate, elasticitate) formnd lanuri, n succesiune prezentat schematic n fig 2. Se constat c particulele au tendina de-a forma lanuri chiar i la intensiti reduse ale cmpului electric aplicat. Odat cu creterea intensitii cmpului, lanurile sunt forfecate din ce n ce mai greu i atunci cnd viteza particulelor scade la zero, lanurile devin perpendiculare pe suprafeele electrozilor. Creterea vscozitii, cu pn la trei ordine de mrime, este datorat energiei consumate pentru disocierea lanurilor de particule. Reluarea curgerii are loc numai atunci cnd tensiunea de forfecare aplicat depete tensiunea de curgere dinamic. Din acel moment, n continuare, materialul electroreologic se comport ca un fluid obinuit, cu vscozitate constant. Aadar materialele electroreologice au comportamente diferite: n regim precurgere i n regim post-curgere. Majoritatea aplicaiilor sunt cu comportare la forfecare controlabil n regim postcurgere. fig. 3 prezint o schem idealizat a comportrii la forfecare a unui material electroreologic.Regimul pre-curgere exist numai la deformaii mici, < y. n regim post-curgere, se observ o dependen liniar a tensiunii de forfecare () de viteza de deformare ( ), pe baza relaiei: = y + unde: y este tensiunea de curgere dinamic, care este puternic dependent de cmpul electric aplicat (E1 < E2 < E3 y1 < y2 < y3); vscozitatea plastic care este puin dependent de cmpul electric. Aplicaiile materialelor electroreologice sunt de dou tipuri: dispozitive controlabile i structuri adaptive. Dispozitivele controlabile opereaz cu vscozitate constant, dup un principiu de funcionare bazat pe dou configuraii fundamentale, de interaciune a materialului electroreologic cu electrodul: 1 cu electrod fix i 2 cu electrod mobil. (fig. 4). Dispozitivele controlabile, bazate pe configuraia cu electrod fix, din fig. 4(a), conin electrozi staionari, ntre care curge materialul electroreologic, cu un anumit flux, produs de un gradient de presiune. La configuraia cu electrod alunector, electrozii sunt paraleli i cel puin unul dintre ei se poate deplasa tangenial, sub efectul unei fore de forfecare a materialului electroreologic, ca n fig. 4(b). Alunecarea este controlat prin viteza electrodului alunector i prin fora de forfecare a materialului, exercitat ntre electrozi.

7

Figura 3. Schem idealizat a comportrii la forfecare a unui material electroreologic n spaiul tensiune deformaie- vitez de forfecare, n funcie de intensitatea cmpului electric aplicat

a.

b.

Figura 4. Ilustrarea celor dou configuraii fundamentale de interaciune dintre electrozi (1) i fluidul electroreologic (2), la dispozitivele controlabile: (a) electrod fix; (b) electrod alunector Structurile adaptive au proprieti reologice ajustabile datorit ncorporrii a cel puin un component electroreologic. Acesta funcioneaz n regim precurgere, fiind supus la dou tipuri de solicitri: forfecare sau extensie. Structurile adaptive au capacitatea de a detecta stimulii externi i de a reaciona astfel nct comportamentul lor s se ncadreze ntre anumite criterii de performan prestabilite. n general, controlul structurilor adaptive se poate realiza n mod activ prin reducerea vibraiilor

8

structurii cu ajutorul unui actuator extern care introduce energie suplimentar n sistem sau n mod semiactiv, prin modificarea rigiditii i a proprietilor de amortizare ale structurii cu ajutorul componentului electroreologice. Un exemplu de structur adaptiv cu control semiactiv se obine prin ncorporarea unui miez din material electroreologic ntr-o plac de elastomer. Caracteristicile acestei structuri sunt ilustrate n fig. 5.

Figura 5. Caracteristicile unei structuri adaptive din elastomer cu miez electroreologic: (a) schema ansamblului: 1-elastomer, 2-material electroreologice ; (b) dependena limitei de curgere de intensitatea cmpului electric aplicat, la materialul electroreologic i la compozit Placa de elastomer din fig.5(a) are un miez electroreologic cu o grosime de 1,8 mm, straturile exterioare fiind de 0,46 mm. Limita de curgere a materialului electroreologic ( y) depinde de intensitatea cmpului electric (E) conform relaiei: y = aE + bE2

unde: a = 0,8867 i b = 0,7833 sunt constante determinate experimental. Valoarea uzual a forfecrii de curgere este y 1 %. Relaia de mai sus a fost reprezentat grafic n fig. 5(b). Vscozitatea materialului electroreologic este = 0,25 Pas. Elastomerul n care s-a ncorporat miezul electroreologic are modulul de forfecare G = 12 MPa i coeficientul Poisson = 0,4. Atunci cnd este ncovoiat cu o vitez de deformare de ordinul a 102s-1, sub efectul unei fore dispus perpendicular pe direcia de stratificare, rezistena materialului compozit crete odat cu intensitatea cmpului electric care acioneaz asupra miezului electroreologic. Din fig. 5(b) se observ c aceast cretere este cvasi-liniar, valoarea rezistenei de curgere a materialului compozit fiind ntotdeauna mai mare dect cea a materialului

9

electroreologice. Datorit capacitii lor, de a nmagazina energia electric aplicat i de a disipa energia mecanic extern, materialele electroreologice au fost introduse n anumite aplicaii industriale care au avut un impact deosebit n domeniile respective. 2.3 Aplicaiile materialelor electroreologice n cadrul celor dou categorii principale de aplicaii ale materialelor electroreologice se regsesc: dispozitive controlabile tip: supap, suport pentru motoare i mecanisme; frn i ambreiaj; amortizor, etc. structuri adaptive tip: poduri, blocuri, etc. Supapele controlabile au fost descoperite i cercetate chiar de ctre W.M. Winslow i au configuraie cu electrod fix. Aceste supape permit controlul debitului i al pierderii de presiune, ce poate atinge cca. 6,9 MPa, fr a necesita piese de micare. Timpii de reacie sunt sub 1 ms. Suporii controlabili pentru motoare i mecanisme sunt cunoscui din 1987. Un model de astfel de suport este prezentat n fig. 6. Elasticitatea suportului este asigurat prin nervurile de cauciuc (1) i prin membrana (3). Rigiditatea suportului este reglat prin intermediul canalului de inerie (4) care conine i electrozii. Compliana ansamblului se modific (crete) odat cu creterea frecvenei de vibraie, pn la 50 Hz . Frnele i ambreiajele controlabile au fost descoperite tot de W.M. Winslow, rmnnd n stadiul atins de cercetrile acestuia, pn n anii 80. Ambreiajele electroreologice au configuraie cu electrod alunector, putnd prezenta geometrii diferite, cu cilindru concentric sau cu discuri paralele, dup cum ilustreaz fig. 7 (a), respectiv (b). S-au perfecionat ambreiaje cu turaie ridicat, capabile s transmit cupluri de rotaie de peste 6 Nm. De asemenea, au fost studiate i frne controlabile care funcioneaz la turaii de pn la 4000 rot./min i pot dezvolta fore de frecare de pn la 225 N.

10

Figura 6. Model de configuraie de suport electroreologic controlabil, pentru motoare sau mecanisme: 1- nervur elastic din cauciuc, 2-material electroreologic, 3-membran elastic, 4-canal de inerie

Figura 7. Model de ambreiaje electroreologice controlabile: (a) cu cilindru concentric; (b) cu discuri paralele Amortizoarele controlabile pot fi utilizate ntr-o gam larg de aplicaii, datorit capacitii lor de-a-i modifica raportul dintre viteza i limita de curgere. n anumite aplicaii se impune ca amortizoarele s poat dezvolta o gam larg de fore controlabile. Astfel, au fost dezvoltate amortizoare cu cilindri concentrici, multipli, ce pot fi conectai n paralel, n serie sau n moduri combinate. Variaia vitez-for, a dispozitivului controlabil, este dependent de modul n care se realizeaz legtura dintre traseele hidraulice ale amortizorului. n fig. 8 este prezentat schematic o configuraie tipic de amortizor controlabil, cu cilindri concentrici.

11

Figura 8. Ilustrare schematic a configuraiei unui amortizor electroreologic controlabil, cu cilindri concentrici i canalele de trecere legate n paralel: 1-electrozi legai la pmnt, 2-electrozi legai la sursa de nalt tensiune, 3-nveliul amortizorului, 4-piston Electrozii sunt legai n mod alternativ, fie la pmnt (1) fie la sursa de nalt tensiune (2). nveliul amortizorului (3) reprezint electrodul exterior, legat la pmnt. Atunci cnd sunt alimentai, electrozii formeaz un set de condensatori paraleli. Canalele de trecere a fluidului printre electrozi pot fi conectate i altfel, dect n paralel. Legarea n paralel asigur cel mai mare interval de fore controlabile. Performanele amortizorului depind de: mrimea spaiului dintre electrozi; grosimea electrozilor; razele pistonului, arborelui i nveliului i lungimea amortizorului. Aceast configuraie de amortizor asigur o compactitate mai mare, n raport cu amortizoarele clasice. n fig. 9 este prezentat un amortizor controlabil cu cilindrii concentrici, iar n figurile 10, 11 i 12 cteva dintre principalele pri componente.

Figura 9. Vederea tridimensional a unui amortizor electroreologic controlabil

12

Figura 10. Seciune transversal prin amortizor 1- Cilindrii din oel inoxidabil; 2, 4 Inele de fixare (teflon); 3 Inele distanoare (Teflon); 5, 6 Capac; 6 - Piston

6

5

4

3

1

2

6

Figura 11. Cilindrul exterior i cilindrul interior

13

Figura 12. Inele de capat i unul dintre inele distanoare (teflon) ce servesc pentru fixarea cilindrilor n mod curent, amortizoarele electroreologice controlabile clasice, ilustrate n fig. 13, au fost dezvoltate cu configuraii cu electrod fix sau alunector.

Figura 13. Modele de amortizoare electroreologice controlabile, clasice: (a) cu electrod fix; (b) cu electrod alunector: 1-piston, 2-fluid electroreologic, 3-canal de descrcare, 4-electrod, 5acumulator de presiune La amortizorul cu electrozi fici, din fig. 13(a), fora de amortizare a pistonului (1) este

14

controlat prin pierderea de presiune din canalele de descrcare (3) prin care este forat s treac fluidul electroreologic (2). Electrozii (4) sunt plci fixe. La amortizorul cu electrozi alunectori, ilustrat n fig. 13(b), fora de amortizare este controlat prin modificarea rezistenei la frecare a fluidului electroreologic, la trecerea prin canalele de descrcare. n acest caz, pistonul (1) joac rol de electrod alunector. Cele mai multe aplicaii ale amortizoarelor electroreologice controlabile se regsesc n aeronautic, ca de exemplu trenurile de aterizare ale avioanelor sau lonjeroanele elicopterelor (unde sarcinile dinamice ating valori de 2 kN, la frecvene de pn la 150 Hz). Alte cazuri n care este necesar utilizarea amortizoarelor controlabile, din cauza nivelului foarte ridicat al vibraiilor, sunt autovehiculele grele (unde s-au fabricat amortizoare tip bar de torsiune, capabile s controleze cupluri de for de pn la 1 kNm, la frecvene de 2 Hz) sau mainile de splat automatice, cu centrifug. Structurile adaptive se obin prin ncorporarea amortizoarelor electroreologice n zonele concentratoare de eforturi. Rolul materialelor electroreologice este de a controla i modifica frecarea din lagrele amortizoarelor, reglnd compliana construciilor mari (blocuri, poduri, etc.) din zonele cu activitate seismic ridicat. n continuare este prezentat un distribuitor de tip rectangular cu fluid electroreologic (fig. 14 ) mpreun cu principalele pri componente (figurile 15, 16 i 17)

Figura 14 Amortizor rectangular cu fluid electroreologic

8 Buci izolatoare din cauciuc

15Plci legate la o surs de curent Placi de izolare

Figura 15. Subanasamblu plci i bucele izolatoare

Figura 16. Placa ce se leag la sursa de current i placa de izolare

Carcasa

(fix) Figura 17. Capacul frontal i stuul cu orificiul de acces alArbore electroreologic fluidului Capac (mobil) Lagre

Electrod pozitiv Electrod negativ

Foarte folosite sunt de asemenea, frnle cu fluide electroreologice. n fig. 18 este prezentat seciunea transversal printr-o astfele de frn, iar n fig. 19 i fig. 20 principalele

16

elemente componente. Figura 18. Frn cu fluid electro-reologic

Figura 19. Carcasa Figura 20. Electrodul pozitiv i cel negativ

3. Materialele magnetoreologiceMaterialele magnetoreologice sunt suspensii stabile de particule feromagnetice ultrafine, cu dimensiuni de ordinul a (0,05-10) m, ntr-un mediu fluid purttor, izolator. 3.1 Caracterizarea general a materialelor magneto-reologice La aplicarea unui cmp magnetic, materialele magneto-reologice au capacitatea de a-i modifica vscozitatea cu pn la ase ordine de mrime, datorit formrii lanurilor de particule

17

aliniate. Fenomenul este prezentat n fig. 21.

Figura 21. Ilustrare schematic a comportamentului reversibil al particulelor din cadrul materialelor magneto-reologice: (a) dispunere dezordonat, n absena cmpului magnetic extern; (b) aliniere dup o direcie unic, la aplicarea cmpului magnetic Formarea lanurilor de perle, cum mai sunt numite irurile de particule magnetoreologice aliniate din fig. 21 (b), este nsoit de modificarea proprietilor reologice (elasticitate, plasticitate, vscozitate), magnetice, electrice, termice, acustice, etc. ns principalul efect este creterea vscozitii aparente. La ndeprtarea cmpului magnetic, particulele revin la starea dezordonat din fig. 21 (a). n modul lor de comportare pot fi identificate dou zone, resprctiv cea pre-incarcare i cea post-incarcare (fig. 22 ). n zona de pre-incrcare fluidul are proprieti vsco-elastice, motiv pentru care comportamentul poate fi explicat cu ajutorul teoriei fluidelor vsco-elastice i se observ variaia liniar pn la momentul ncrcrii. O parte a energiei este recuperat (comportare elastic), iar alta se pierde sub form de caldur (comportare vscoas), Bogdan Sapiski .

18

Figura 22 n structura unui material magneto-reologic se regsesc 3 componente majore: particulele feromagnetice, fluidul purttor i stabilizatorul. 1. Particulele feromagnetice dispersate au form sferic i ocup cca. 20-50 % din volumul materialului magneto-reologic. n mod curent, se utilizeaz pulbere din material magnetic moale (remagnetizabil) cum ar fi carbonil de fier (FeCO). 2. Fluidul purttor servete ca mediu continuu de izolare i trebuie s aib o vscozitate de (0,01-1) Pas la 40 C. Fluidele purttoare utilizate n mod curent sunt: apa, glicolul, kerosenul i uleiul sintetic sau mineral (siliconic). 3. Stabilizatorul are rolul de a pstra particulele suspendate n fluid, mpiedicndu-le s se strng mpreun sau s se depun gravitaional. Stabilizarea se face n mod diferit, n funcie de concentraia particulelor:0

a) la concentraii mici, n jur de 10 %, stabilizarea const din formarea unui gel care favorizeaz dispersia i lubrifierea, modific vscozitatea i inhib uzura. Un exemplu de astfel de stabilizator este silicagelul, format din particule ultrafine i poroase de silice, care au capacitatea de-a absorbi mari cantiti de lichid; b) la concentraii mari, de pn la 50 %, stabilizarea se face cu substane tensioactive, neutre sau ionice care ader pe suprafaa particulelor, favoriznd dispunerea lor n structuri fin dispersate, ramificate spaial. Materialele ER se obin prin mcinarea n mori cu bile, unde se introduc toate componentele materialului, inclusiv fluidul purttor i se produce frmiarea i amestecarea lor sub efectul ciocnirilor bilelor, la turaii de ordinul a 2000 rot./min. Comportarea materialelor magneto-relogice, n spaiul tensiune-deformaie-vitez de forfecare, este asemntoare celei prezentate n fig. 22, pentru materialele magneto-reologice. n ceea ce privete influena intensitii cmpului magnetic aplicat asupra variaiei tensiunii cu viteza de forfecare, se prezint fig. 23.

19

Figura 23. Influena intensitii cmpului magnetic asupra variaiei tensiunii n funcie de viteza de forfecare, la un material magneto-reologic Se observ c tensiunea de forfecare se stabilizeaz, odat cu creterea vitezei de forfecare dar crete proporional, n funcie de rdcina ptrat a intensitii cmpului magnetic aplicat. Un material magneto-reologic bun este caracterizat prin: vscozitate iniial sczut; valori ridicate ale tensiunii de forfecare la anumite valori ale intensitii cmpului magnetic; dependen neglijabil de temperatur; nalt stabilitate. Dup cum s-a mai menionat, cele mai bune proprieti magneto-reologice le are fierul pur. Superioritatea acestuia este ilustrat n fig. 24.

Figura 24 Influena materialului particulelor asupra proprietilor magneto-reologice: (a) la oxidul de fier; (b) la o suspensie de 40 % fier pur Se observ c rezistena la curgere a suspensiei magneto-reologice de fier pur, din fig. 24(a) este de cca. ase ori mai mare dect cea a suspensiei pe baz de oxid de fier din fig. 24(b). Trebuie precizat c materialele magneto-reologice au proprieti superiore materialelor electro-reologice, din urmtoarele puncte de vedere: au rezistena la curgere mai ridicat, dup cum se observ prin compararea fig. 24(b) cu fig. 24(b); au stabilitate mai mare la impuritile i elementele de contaminare, care apar n mod uzual n timpul producerii i utilizrii materialului; consumul energetic este mai redus (puterile necesare, mai mici de 50 W, putnd fi asigurate, la tensiuni de 12-24 V i intensiti de (1-2) A, chiar i de bateriile electrice). Datorit att superioritii lor fa de materialele electro-reologice ct i proprietilor lor reologice uor-controlabile, materialele magneto-reologice sunt utilizate cu succes n aplicaii, la controlul ocurilor i vibraiilor. 3.2 Aplicaiile materialelor magneto-reologice

20

Aplicaiile materialelor magneto-reologice se regsesc n cadrul acelorai categorii generale, ntlnite i la materialele electro-reologice: dispozitivele controlabile i structurile adaptive. Cele mai rspndite dispozitive controlabile cu materiale magneto-reologice sunt amortizoarele i distribuitoarele. Cteva tipuri de amortizoare cu materiale magneto-reologice sunt prezentate schematic n fig. 25.

Figura 25. Tipuri de amortizoare controlabile cu materiale magneto-reologice: (a) amortizor clasic; (b) amortizor cu supap exterioar de reglare; (c) amortizor cu supap de reglare ncorporat: 1-cilindru, 2-piston, 3-fluid magneto-reologic, 4-bobin electromagnetic, 5supap de reglare a debitului

n fig. 26 este prezentat un astfel de amsamblu cu amortizor controlabil n reprezentare 3D. n fig. 27 este reprezentat o seciune prin ansamblu,

21

Figura 26.Ansamblu cilindru -amortizor controlabil cu fluid magneto-reologic Figura 27. Seciune transversal prin ansambluAnsamblu Amortizor cilindru-piston magneto-reologic clasic, din fig. 25 (a), are dezavantajul c efectul Amortizorul controlabil

electromagnetului (4) trebuie s acopere tot diametrul cilindrului, deci o regiune destul de mare, ceea ce necesit un cmp magnetic foarte puternic [368]. Variantele de amortizoare din fig. 25 (b) i (c) folosesc o valv de reglare a debitului care, din punct de vedere funcional, este o rezisten hidraulic controlat. Viteza de trecere a fluidului magneto-reologice (4) prin supapa (5) este reglat prin intermediul unui cmp magnetic perpendicular pe direcia fluxului. Supapa de control al debitului este un ansamblu de cilindri i inele coaxiale, la exteriorul crora s-a nfurat o bobin din srm de cupru. Solenoidul astfel format genereaz un cmp magnetic perpendicular pe axa supapei, care poate atinge, de exemplu, o intensitate de 300 kA/m, la un curent de 1,2 A i un numr de 1000 de spire. n fig. 28 a, b i c i fig. 29 sunt prezentate seciuni transversale prin unele tipuri de supape de presiune cu fluid magneto-reologic, la care direcia de curgere a fluidului este perpendicular pe direcia cmpului magnetic. Principalele componente sunt: nfurarea magnetic, carcasa i arborele. a. Seciune transversal i vederea de ansamblu

b. Orientarea cmpului cu fluid magneto-

magnetic ntr-un distribuitor relogic

22

Figura 28. Supap de presiune cu fluid magneto-reologic Pentru acest caz se pot controla presiuni pn la 0,6 bari la un debit de 5 cm3/s. n componena lor intr fluidul de baz, particule din metal i aditivi de stabilizare. Ca fluide se pot folosi: ulei pe baz de hidrocarbonai, uleiuri minerale sau uleiuri siliconice, n timp ce ca particule metalice pot fi folosite pulberi de fier sau aliaje de pulberi de fier i cobalt, n cantiti de pn la 50 % ca fracie volumic, la dimensiuni micronice. Figura 29. Supap de presiune cu fluid magneto-reologic Fluidul are rolul de agent pentru particulele metalice i de a combina caracteristicile ungere cu cele de amortizare. Aditivii folosii include stabilizatori i ageni active de suprafa, avnd rolul de control asupra vscozitii, evitndu-se fenomenul de ngroare ca urmare a folosirii ndelungate a fluidului i pot fi stearatul de litiu sau de sodium. Densitatea total a fluidului magneto-reologic este de (3-4) g/cm3 Un exemplu de utilizare a dispozitivelor controlabile cu fluide magneto-reologice sunt amortizoarele de la scaunele oferilor (fig. 30 i fig. 32) utilizate la camioanele grele, frnele i ambreiajele controlabile, sistemele de frnare de la simulatoarele de conducere auto, etc., iar n fig. 31, distribuia liniilor de camp magnetic.

Figura 30. Sectiune longitudinal i transversal printr-un amortizor cu fluid magneto-reologic 1- piston, 2 tija pistonului, 3 bobina, 4 zona circular de acces a fluidului, 5 fluidul magneto-reologic, 6 firele de alimentare a magnetului, 7 carcasa, 8 accumulator

Figura 31. Distribuia liniilor de camp magnetic pentru cazul n care intensitatea curentului electric este: (a) I = 0 A, (b) I > 0 A

23

Figura 32. Exemplu de aplicaie - scaunul oferului pentru mainile grele Cursa amortizorului este de 2,5 cm. Cilindrul principal (8) are un diametru de 3,8 cm i conine pistonul (9), acumulatorul de presiune (3) i fluidul magneto-reologice (4). Cmpul magnetic este produs de bobina (5), plasat pe piston. Puterea absorbit la funcionarea amortizorului este mai mic de 10 W. Timpul de reacie al ansamblului a fost mai mic de 10 ms. Prile componente principale ale amortizorului controlabil cu fluid magnetoreologic sunt prezentate mai jos (figurile. 33, 34, 35 i 36 ).

Figura 33. Amortizor vederea tridimensional

24

Figura 34. Subansamblul piston

Figura 35. Cilindrul i tija pistonului

25

Figura 36. Membrana i acumulatorul Amortizoarele controlabile cu fluid magneto-reologice se folosesc foarte mult pentru sistemele de reglare a rigiditii structurilor adaptive, n special n cazurile cu risc ridicat de expunere la calamiti naturale cum ar fi furtunile mari sau cutremurele. Utiliznd astfel de amortizoare, firma Lord a dezvoltat structuri adaptive protejate la vibraii i ocuri, dou exemple fiind oferite de fig. 37.

Figura 37. Ilustrarea modului de utilizare a amortizoarelor controlabile, cu material magnetoreologice, la construcia structurilor adaptive: (a) la poduri fixate prin cabluri; (b) la blocuri cu multe etaje Acest sistem de protecie este ieftin, necesit o ntreinere necostisitoare i consum puin energie electric. n principiu, amortizoarele sunt astfel plasate nct disip energia mecanic, de forfecare a diverselor segmente succesive ale structurii. Dac sunt corect amplasate i legate, amortizoarele asigur protecia podurilor fixate prin cabluri, fig. 35(a) i a blocurilor nalte, fig. 35 (b), chiar i n cazul unor furtuni mari sau a unui cutremur puternic.

26

O aplicaie aparte a fluidelor magneto-reologice o reprezint finisarea de mare precizie respective o metod de finisare hidrodinamic magnetic-asistat, folosit pentru superfinisarea sticlei, materialelor ceramice sau a unor materiale nemagnetice. Pentru a nele principiul de baz al procedeului se consider superfinisarea unei suprafee sferice convexe (fig. 38) folosind o suspensie de microparticule magnetice i abraziv .

Figura 38 Superfinisarea cu fluide magneto-reologice Materialul de prelucrat este adus n contact cu fluidul magneto-reologic exact n zona care trebuie ndeprtat. La aplicarea cmpului magnetic, fluidul magneto-reologic care pn atunci se rotea odat cu piesa de prelucrat i mrete brusc vscozitatea, ceea ce duce la desprinderea unui strat superficial, numai n zona vizat (zona de lucru). Dac procesul este calibrat corect i condus prin calculator, se asigur o precizie de prelucrare tipic de 50 m, pentru operaiile de superfinisare. O alt aplicaie este cea corespunztoare frnelor. n marea majoritatea momentul de frecare este dezvoltat la interfaa dintre dou materiale, unul dintre ele asigurnd un coefficient de frecare mare (rasini, amestecuri pe baza de materiale composite etc.) i de regul numrul de piese componente ale sistemului de frnare face ca acesta sa aib gabarite relative mari. n cazul frnelor ce folosesc fluide magneto-reologice, sistemul de frnare (fig. 39) este compact, cu for de acionare mic i de asemenea putere consumat mic 10 W la o intensitate a curentui de 0,8 A i tensiune de 12 V). Diametrul frnei poate ajunge la 92 mm diamtru, asigurnd un moment de 7 Nm i o energie mecanic de 700 W.

27

Figura 39. Frna cu fluid magneto-reologic

28