路國平　張振珠

【摘 要】磁流變液是一種可快速發(fā)生液-固相變的智能材料，有廣泛的機(jī)械工程應(yīng)用前景。本文介紹了磁流變液的特性及其在制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了盤式、鼓式、葉輪式這三種磁流變液制動(dòng)器的工作原理，并分別進(jìn)行了制動(dòng)力矩分析。另外，對(duì)磁流變液制動(dòng)器的應(yīng)用前景以及相關(guān)研究所面臨的主要問題進(jìn)行了敘述。

【關(guān)鍵詞】磁流變液；制動(dòng)系統(tǒng)；磁流變液制動(dòng)器；制動(dòng)力矩

Summary of Research on Magneto-Rheological Fluid Brake

LU Guo-ping ZHANG Zhen-zhu

（Chongqing Vocational Institute of Engineering，Chongqing 402260，China）

【Abstract】Magneto-rheological fluid is a kind of intelligent material which can quickly cause liquid-solid phase change， has a wide range of application prospect in mechanical engineering. This paper introduces the characteristics of magneto-rheological fluid and its application status in the braking system， expounds the working principle of disc、drum、impeller magneto-rheological fluid brake， and analyse the brake torque respectively. In addition， this paper describes application prospect of the magneto-rheological fluid brake and the main problems that are faced in the process of related research.

【Key words】Magneto-rheological fluid； Brake system； Magneto-rheological fluid brake； Braking torque

0 引言

目前，汽車上使用的制動(dòng)器主要為機(jī)械摩擦式，制動(dòng)時(shí)摩擦材料的損耗帶來的材料浪費(fèi)、制動(dòng)效率的損失以及環(huán)境污染問題，已越來越受到人們的關(guān)注。隨著磁流變液（MRF）的深入研究，其在工程應(yīng)用方面的研究也越來越多，磁流變液特殊的流變特性為汽車傳動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)帶來了新思路。由于產(chǎn)生的制動(dòng)力矩較小，磁流變液制動(dòng)器的應(yīng)用有較大的局限性，但其快速可調(diào)、能耗低、相應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)使得它在車輛制動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用有一定的現(xiàn)實(shí)可行性。

1 磁流變液制動(dòng)器工作特性及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀

1.1 磁流變效應(yīng)

磁流變效應(yīng)是指磁流變液在外加磁場的作用下，由原來的液相瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟囊环N特殊現(xiàn)象。人們普遍認(rèn)為，磁流變液中磁性微顆

粒在外加磁場作用下的磁極化是產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的重要原因。

圖1 磁流變液的磁極化過程

磁流變液在磁場中的磁極化過程如圖1所示[1]，其磁性顆粒當(dāng)做剛性圓球：在沒有外加磁場時(shí)，圓球在載液中無規(guī)律分布，如圖1（a）所示；在弱磁場作用下，磁顆粒開始磁極化后形成磁偶極子，如圖1（b）表示，并且載液中開始出現(xiàn)一些孤立鏈；隨著的磁場強(qiáng)度逐漸增大，磁顆粒開始按列排序，并相接成鏈，如圖1（c）所示，此時(shí)載液中存在著支鏈和通鏈，且磁流變液的表觀粘度增大；當(dāng)外加磁場強(qiáng)度變得很強(qiáng)時(shí)，如圖1（d）所示，載液中磁鏈的數(shù)量增加，并形成柱鏈，磁流變液的屈服應(yīng)力和表觀粘度進(jìn)一步顯著增大，表現(xiàn)出類固體的特性。外加磁場撤除后，載液中磁顆粒迅速重新回到無規(guī)律分布狀態(tài)，磁流變液也重新表現(xiàn)為液態(tài)。整個(gè)鏈化過程的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)。

1.2 磁流變液在剪切力和驅(qū)動(dòng)力作用下的流動(dòng)特性

磁流變液是一類應(yīng)力響應(yīng)兼有彈性固體和粘性流體的雙重特性的特殊材料，其工作模式主要有剪切、驅(qū)動(dòng)和擠壓這三種。其中，在受剪切力和受驅(qū)動(dòng)力的作用下，其本構(gòu)模型為：

1.3 磁流變液制動(dòng)器的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外研發(fā)的磁流變液制動(dòng)器大多停留在理論和試驗(yàn)研究階段，只有極少數(shù)商業(yè)化的產(chǎn)品應(yīng)用于制動(dòng)力矩小的場合。如美國Lord公司將開發(fā)出的小型回轉(zhuǎn)式磁流變液制動(dòng)器應(yīng)用于自行車式和臺(tái)階攀登式健身機(jī)上，該產(chǎn)品可實(shí)時(shí)控制回轉(zhuǎn)力矩，在設(shè)定目標(biāo)值下迫使健身者保持期望速度[2]。

汽車上使用的制動(dòng)器主要為機(jī)械摩擦制動(dòng)器，分盤式和鼓式兩種，且應(yīng)用已非常成熟。但這種制動(dòng)器在路況差的工況條件下，存在著制動(dòng)抗熱衰退性和制動(dòng)效能不足的缺陷。磁流變制動(dòng)器具有能耗低、相應(yīng)速度快、快速可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)很多專家學(xué)者針對(duì)它進(jìn)行了諸多研究，但多數(shù)停留在理論分析和試驗(yàn)研究。其中，東北林業(yè)大學(xué)的丁柏群提出一種葉輪式磁流變液制動(dòng)器[3]，基于小型乘用車的車輪內(nèi)懸架空間和實(shí)際制動(dòng)力矩的要求，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析，結(jié)果表明其滿足要求，使得葉片式磁流變液制動(dòng)器在車輛制動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用成為可能。

2 磁流變制動(dòng)器的工作原理和制動(dòng)力矩分析

由于制動(dòng)器主要是為抑制小位移的旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，所以磁流變液的工作模式主要是剪切和驅(qū)動(dòng)模式兩種。當(dāng)前關(guān)于磁流變制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)主要集中在盤式、筒式以及葉輪式三種，本文分別介紹了它們的工作原理和制動(dòng)力矩分析。

2.1 盤式磁流變液制動(dòng)器的工作原理和制動(dòng)力矩分析

盤式磁流變液制動(dòng)器的外形結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)盤式汽車制動(dòng)器，但其完全改變了依靠金屬摩擦塊與旋轉(zhuǎn)圓盤的摩擦作用來抑制轉(zhuǎn)動(dòng)的工作方式，如圖2所示[4]。旋轉(zhuǎn)圓盤被支承在制動(dòng)器外殼體上的旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)，磁流變液置于旋轉(zhuǎn)圓盤與旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)支承以及外殼體形成的空腔內(nèi)。勵(lì)磁線圈纏繞在外殼體的凹槽內(nèi)，以便于形成磁流變液工作所需要的磁場環(huán)境。未施加勵(lì)磁電流時(shí)，磁流變液表現(xiàn)為粘度很小的牛頓流體特征，其不能阻礙旋轉(zhuǎn)圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)；施加一定勵(lì)磁電流后，磁流變液在磁場環(huán)境下的粘度瞬間變大，產(chǎn)生了抑制旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的剪切應(yīng)力，且該應(yīng)力隨著勵(lì)磁電流的增大而增大，產(chǎn)生的力矩達(dá)到所需制動(dòng)力矩后，便實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的要求。

2.2 筒式磁流變液制動(dòng)器的工作原理和制動(dòng)力矩分析

筒式磁流變液制動(dòng)器是利用磁流變液的流變效應(yīng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力來進(jìn)行制動(dòng)的器件，如圖3所示[6]。它由旋轉(zhuǎn)內(nèi)圓筒、固定外圓筒、勵(lì)磁線圈、旋轉(zhuǎn)軸及磁流變液等構(gòu)成，磁流變液作為工作介質(zhì)，其工作區(qū)域在內(nèi)圓筒和外圓筒的環(huán)形間隙中，在勵(lì)磁線圈形成的磁場環(huán)境下產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，起到抑制內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。

與盤式制動(dòng)器一樣，其制動(dòng)力矩也分為粘性阻力矩和磁流變阻力矩。選用美國Lord公司研制的MRF—336AG型磁流變液，通過計(jì)算可得到該制動(dòng)器在可產(chǎn)生的制動(dòng)力矩為53N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到汽車制動(dòng)力矩的要求。

2.3 葉輪式磁流變液制動(dòng)器的工作原理和制動(dòng)力矩分析

葉輪式磁流變液制動(dòng)器與圓盤式和圓筒式制動(dòng)器不同，其工作模式為剪切和驅(qū)動(dòng)的混合模式，結(jié)構(gòu)原理如圖4所示[3]。磁流變液充滿在殼體與葉輪之間的間隙之中，葉輪的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為可控的電磁離合器，當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，葉輪不工作，磁流變液在無磁環(huán)境下為液態(tài)；當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，葉輪與固定在車輪輪轂上的轉(zhuǎn)軸結(jié)合并旋轉(zhuǎn)，葉片的攪動(dòng)使磁流變液在工作間隙和相鄰腔室間流動(dòng)，另一方面磁流變液與殼體相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成平面縫隙的剪切流動(dòng)。同時(shí)，勵(lì)磁線圈通電，磁流變液變成類固體，抑制葉片的旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到制動(dòng)的效果。

3 磁流變制動(dòng)器研究面臨的主要問題

基于磁流變液的特殊流變特性，其在動(dòng)力傳動(dòng)和制動(dòng)等方面會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。但磁流變液制動(dòng)器要取代常規(guī)制動(dòng)器，進(jìn)行大規(guī)模的使用，還需要解決諸多問題：

1）穩(wěn)定性問題。一方面是靜態(tài)穩(wěn)定性：靜置時(shí)的磁流變液存在沉降穩(wěn)定性問題，即載液中的磁性顆粒會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降沉淀，這會(huì)影響磁流變液的流變效應(yīng)和響應(yīng)速度。另一方面是工作時(shí)的溫度和剪力穩(wěn)定性：由于制動(dòng)時(shí)液體要承受從發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，溫度會(huì)急劇上升，會(huì)造成磁流變液粘度下降[7]，影響制動(dòng)效能；磁流變液在受剪切力時(shí)有剪切稀化現(xiàn)象，即剪切屈服應(yīng)力會(huì)下降，也在一定程度上影響制動(dòng)效果。這些問題都對(duì)磁流變液的研制和生產(chǎn)提出了更高的要求。

2）制動(dòng)力矩有限的問題。制動(dòng)器空間結(jié)構(gòu)布置、勵(lì)磁線圈的匝數(shù)和纏繞方式、結(jié)構(gòu)精度等因素都會(huì)影響磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，進(jìn)而影響磁流變液中磁性顆粒的磁極化程度，最終影響制動(dòng)力矩的大小。同時(shí)，盤式和鼓式磁流變液制動(dòng)器還存在空載狀態(tài)下的功率損失問題。

3）密封問題。磁流變液在零磁場下是賓漢姆流體，存在著泄露或滲漏的隱患，而機(jī)械加工精度不夠、工作溫升過快以及制動(dòng)頻率高等都會(huì)帶來磁流變液制動(dòng)器的密封難問題，而這也是液壓元件普遍存在的一個(gè)難題。有效解決密封問題，對(duì)于提高磁流變液制動(dòng)器的工作穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命有非常重大的意義。

4 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)制動(dòng)器，磁流變液制動(dòng)器有響應(yīng)迅速、能耗低、實(shí)時(shí)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，但要滿足乘用車制動(dòng)力矩的要求并大規(guī)模應(yīng)用，還需要解決可靠性、穩(wěn)定性和安全性以及使用成本等諸多問題，這也是相關(guān)工程技術(shù)人員應(yīng)努力的方向。筆者認(rèn)為磁流變液制動(dòng)器可應(yīng)用于防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)可調(diào)性、響應(yīng)快等智能化特點(diǎn)可以簡化傳統(tǒng)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方式[8]，甚至取代常開電磁閥、常閉電磁閥以及液壓泵電機(jī)的作用，這也會(huì)成為一個(gè)重要的方向。

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