楊坤全

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基于電流變效應(yīng)的汽車制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊坤全

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與自動化工程系，福建 漳州 363000）

論述了基于電流變效應(yīng)制動器工作原理設(shè)計的一款汽車車輪制動器，利用軟件畫出其模型，并通過具體車型數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析計算驗證其可行性。

電流變效應(yīng)；汽車制動器；可行性

1 電流變效應(yīng)的機(jī)理

電流變液是一種新型的智能材料，它是用不導(dǎo)電的母液和均勻散布在其中的固體電介質(zhì)顆粒所制成的懸浮體。在電場作用下, 電流變液會形成一束由固體電介質(zhì)顆粒組成的纖維狀的“鏈”，橫架于正負(fù)二極之間。這是由于電介質(zhì)顆粒在電場中極化之后，其相互之間作用力增強(qiáng)并通過鏈從電極的一端傳到另一端的緣故，見圖1所示。這樣電流變液在電場的作用下就從流動性好的具有一定粘滯度的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢羟星?yīng)力的粘塑性體（既所謂的“硬化”），且隨著電場的加強(qiáng)，這種剪切屈服應(yīng)力會有相當(dāng)?shù)奶岣?。這種特性稱之為電流變效應(yīng)。

圖1 電流變效應(yīng)示意圖

電流變效應(yīng)作為一種特殊的物理現(xiàn)象，一般具有以下特征[1]：

(1)在電場作用下，電流變液體的表觀粘度可隨場強(qiáng)的增大而增大，甚至在某一種電場強(qiáng)度下，達(dá)到停止流動或固化，但當(dāng)電場消除后，電流變液體又可恢復(fù)到原始的粘度，即在電場作用下，電流變液可在液態(tài)和固態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

(2)在電場作用下，電流變液體的屬性由液態(tài)至固態(tài)的轉(zhuǎn)換是可逆的。

(3)在電場作用下，電流變液體表觀粘度隨場強(qiáng)變化而變化的過程是連續(xù)的和無級的。

(4)在電場作用下，電流變液體表觀粘度的變化以及液固間屬性的轉(zhuǎn)換是可控的。

(5)電流變效應(yīng)很容易與微機(jī)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)完全自動化的智能控制。

(6)電流變效應(yīng)對電場作用的響應(yīng)十分靈敏，一般其響應(yīng)時間為毫秒級。

(7)控制電流變效應(yīng)的能耗低。

電流變技術(shù)具有廣泛工程應(yīng)用前景，本文設(shè)計的電流變制動器能否實(shí)現(xiàn)其制動功能，關(guān)鍵在于是否有能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)的剪切應(yīng)力的電流變液體。采用電流變液體制成的制動器結(jié)構(gòu)簡單，容易控制，只要通過調(diào)節(jié)電壓的大小就可以控制的輸出制動力矩的大小，對于汽車制動器的研究具有重要意義。

2 電流變制動裝置的工作原理

圖2 圓筒式電流變制動裝置的工作原理圖

從動力傳動方式看，電流變液制動器的基本形式有平行圓盤式和同心圓筒式兩種，本文以同心圓筒式來說明其工作原理,如圖2。由參考文獻(xiàn)[2]可知，同心圓筒式電流變液制動器產(chǎn)生的力矩：

因為，電流變液在無外加電場時表現(xiàn)為牛頓流體，在外加電場作用下表現(xiàn)為Bingham流體，所以(2)式右邊第一項代表電致屈服應(yīng)力產(chǎn)生的力矩，第二項代表流體粘性傳遞的力矩。

對于電流變效應(yīng)所傳遞的轉(zhuǎn)矩，它的大小由下列因素決定：

由此可得如下仿真關(guān)系圖：

圖3 L，ω為常值時扭矩與電壓、剪切應(yīng)力的關(guān)系

圖4 電壓U=2000V時扭矩與間隙、長度的關(guān)系

由圖3和圖4可以看出，在圓筒長度L和角速度ω不變的情況下，電流變液體的剪切應(yīng)力隨著電壓的增大而增大，從而使制動扭矩也隨之增大，制動扭矩隨電壓的變化關(guān)系，具有良好的線性，這有利于通過改變電壓的大小來控制所需的制動扭矩。在電壓保持不變的情況下，扭矩隨著兩圓筒間隙的增大而減小，隨圓筒的長度（即接觸面積）的增大而增大，因而在設(shè)計間隙大小時，除了考慮機(jī)加工的因素，也必須考慮對扭矩的影響。

由上論述可知，電流變制動裝置的工作原理其實(shí)就是通過控制加在電流變液上的電壓來控制制動力矩，通過調(diào)節(jié)電壓的大小就可以控制輸出制動力矩的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車制動。

3 電流變制動裝置的設(shè)計計算

3.1 輪邊電流變制動裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

輪邊電流變制動裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，畫成立體結(jié)構(gòu)的PRO/E模型如圖6所示。采取電流變制動裝置的輪胎結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有輪胎結(jié)構(gòu)相比有很大改變，在汽車行駛時，輪轂圍著輪軸旋轉(zhuǎn)，即在行駛過程中，外圓筒5、絕緣層6和輪軸12都是連成一體并且是靜止的，左輪轂4和右輪轂7繞著它們旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。外圓筒5和絕緣層6及內(nèi)圓筒10通過八根內(nèi)六角圓柱頭螺釘固定在一起，外圓筒的外徑R1=0.1m，外圓筒的內(nèi)徑R2=0.06m，厚度L1=0.048m。內(nèi)圓筒采用花鍵與輪軸12連接，輪軸固定在汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)上。左輪轂4與外圓筒的外圓面及左端面均存在h=1mm的間隙，右輪轂7與外圓筒的右端面也存在h=1mm的間隙，這三個地方的間隙將充滿電流變液體，也是電流變液發(fā)生電流變效應(yīng)的工作區(qū)。用耐高壓線沿著事先開好的壁槽和孔將銅套8和外圓筒5緊密連接在一起，外來的直流高壓電源的正極可用碳刷與銅套8接觸，這樣外圓筒5就成為高壓端的正極，輪轂就為高壓端的負(fù)極，兩者之間形成電場并作用于電流變液，產(chǎn)生電流變效應(yīng)從而起到剎車的目的。

圖5 輪邊電流變制動裝置結(jié)構(gòu)圖

1氈圈；2圓錐滾子軸承；3 O型密封圈；4左輪轂（地級）；5外圓筒（高壓端）；6絕緣層；7右輪轂；8銅套；9 塑料套筒；10 內(nèi)圓筒；11 電流變效應(yīng)區(qū)；12 輪軸

圖6 輪邊電流變制動裝置三維圖

3.2 輪邊電流變液屈服應(yīng)力的計算

由設(shè)計可知L1=0.048m，R1=0.1m，R2=0.06m 則：

由上計算可知，只要電流變液的屈服應(yīng)力能達(dá)到97.8kPa，輪邊電流變制動器就能達(dá)到1/4整車制動的扭矩要求。而由文獻(xiàn)可知，目前研發(fā)出來的電流變液的最大屈服應(yīng)力達(dá)到130kPa[4]，因此本文設(shè)計的輪邊電流變制動器是能夠滿足汽車制動的要求。

4 結(jié)束語

盤式和鼓式制動器存在一系列缺陷，而基于電流變效應(yīng)的電流變制動器利用了電流變液的特性，有效的將其與汽車剎車系統(tǒng)結(jié)合起來，通過控制加在電流變液上的電壓可以實(shí)現(xiàn)汽車制動的功能。這種制動器制動原理簡單，控制也方便，制動效果也較好，這對于解決目前制動器出現(xiàn)的剎車打腳現(xiàn)象，散熱不好和電磁閥及制動機(jī)構(gòu)存在滯后等問題具有重要的研究價值。

[1] 魏宸官.電流變技術(shù)[M].北京:北京工大學(xué)出版社,2000.

[2] 陳伯豐.基于電流變效應(yīng)的防抱死制動裝置的研究[D].福州大學(xué),2008.

[3] 陳淑梅.電流變液體性能的試驗研究[J].機(jī)械工程學(xué)報,2002(9):38.

[4] 溫維佳,黃先祥,楊世和，等.巨電流變效應(yīng)及其機(jī)理[J].物理,2003(12):777－779.

[5] 魏鑫編.最新國外汽車車型手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991:116.

Structural Design of Automotive BrakeBased on Electro rheological (ER) Effect

YANG Kun-quan

(Zhangzhou Institute of Technology，Mechanical and Automation Engineering，Zhangzhou 363000，China)

In this paper,elaborating the automobile brake based on the ER effect,a automotive wheel-brake is designed, and drawing the model through software, furthermore, analysing its feasibility through specific data.

Electrorheological effect;Automotive brake; Feasibility

（責(zé)任編輯：季平）

2011－01－10

楊坤全（1983－），男，福建長泰人，助教，碩士，研究方向：液壓與氣動技術(shù)。

U463.51

A

1673-1417（2011）01-0001-05