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器的工作原理，并分別進(jìn)行了制動力矩分析。另外，對磁流變液制動器的應(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；制動系統(tǒng)；磁流變液制動器；制動力矩

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，汽車上使用的制動器主要為機(jī)械摩擦式，制動時摩擦材料的損耗帶來的材料浪費、制動效率的損失以及環(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和制動系統(tǒng)的開發(fā)帶來了新思路。由于產(chǎn)生的制動力矩較小，磁流變液制動器的應(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)點使得它在車輛制動系統(tǒng)上的應(yīng)用有一定的現(xiàn)實可行性。

1 磁流變液制動器工作特性及其應(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，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，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)。整個鏈化過程的響應(yīng)時間達(dá)到毫秒級。

1.2 磁流變液在剪切力和驅(qū)動力作用下的流動特性

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)動和擠壓這三種。其中，在受剪切力和受驅(qū)動力的作用下，其本構(gòu)模型為：

1.3 磁流變液制動器的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

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

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

2 磁流變制動器的工作原理和制動力矩分析

由于制動器主要是為抑制小位移的旋轉(zhuǎn)軸運動，所以磁流變液的工作模式主要是剪切和驅(qū)動模式兩種。當(dāng)前關(guān)于磁流變制動器的結(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力矩分析。

2.1 盤式磁流變液制動器的工作原理和制動力矩分析

盤式磁流變液制動器的外形結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)盤式汽車制動器，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)動的工作方式，如圖2所示[4]。旋轉(zhuǎn)圓盤被支承在制動器外殼體上的旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動，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。未施加勵磁電流時，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；施加一定勵磁電流后，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)動的剪切應(yīng)力，且該應(yīng)力隨著勵磁電流的增大而增大，產(chǎn)生的力矩達(dá)到所需制動力矩后，便實現(xiàn)制動的要求。

2.2 筒式磁流變液制動器的工作原理和制動力矩分析

筒式磁流變液制動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)行制動的器件，如圖3所示[6]。它由旋轉(zhuǎn)內(nèi)圓筒、固定外圓筒、勵磁線圈、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)動的作用。

與盤式制動器一樣，其制動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，通過計算可得到該制動器在可產(chǎn)生的制動力矩為53N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到汽車制動力矩的要求。

2.3 葉輪式磁流變液制動器的工作原理和制動力矩分析

葉輪式磁流變液制動器與圓盤式和圓筒式制動器不同，其工作模式為剪切和驅(qū)動的混合模式，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)動結(jié)構(gòu)為可控的電磁離合器，當(dāng)車輛正常行駛時，葉輪不工作，磁流變液在無磁環(huán)境下為液態(tài)；當(dāng)車輛制動時，葉輪與固定在車輪輪轂上的轉(zhuǎn)軸結(jié)合并旋轉(zhuǎn)，葉片的攪動使磁流變液在工作間隙和相鄰腔室間流動，另一方面磁流變液與殼體相對運動，形成平面縫隙的剪切流動。同時，勵磁線圈通電，磁流變液變成類固體，抑制葉片的旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到制動的效果。

3 磁流變制動器研究面臨的主要問題

基于磁流變液的特殊流變特性，其在動力傳動和制動等方面會有廣闊的應(yīng)用前景。但磁流變液制動器要取代常規(guī)制動器，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隨著時間的推移而下降沉淀，這會影響磁流變液的流變效應(yīng)和響應(yīng)速度。另一方面是工作時的溫度和剪力穩(wěn)定性：由于制動時液體要承受從發(fā)動機(jī)傳來的轉(zhuǎn)動力矩，溫度會急劇上升，會造成磁流變液粘度下降[7]，影響制動效能；磁流變液在受剪切力時有剪切稀化現(xiàn)象，即剪切屈服應(yīng)力會下降，也在一定程度上影響制動效果。這些問題都對磁流變液的研制和生產(chǎn)提出了更高的要求。

2）制動力矩有限的問題。制動器空間結(jié)構(gòu)布置、勵磁線圈的匝數(shù)和纏繞方式、結(jié)構(gòu)精度等因素都會影響磁感應(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，最終影響制動力矩的大小。同時，盤式和鼓式磁流變液制動器還存在空載狀態(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頻率高等都會帶來磁流變液制動器的密封難問題，而這也是液壓元件普遍存在的一個難題。有效解決密封問題，對于提高磁流變液制動器的工作穩(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)制動器，磁流變液制動器有響應(yīng)迅速、能耗低、實時可調(diào)等優(yōu)點，但要滿足乘用車制動力矩的要求并大規(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)為磁流變液制動器可應(yīng)用于防抱死制動系統(tǒng)，其實時可調(diào)性、響應(yīng)快等智能化特點可以簡化傳統(tǒng)防抱死制動系統(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，這也會成為一個重要的方向。

【參考文獻(xiàn)】

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