楊坤全

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系 福建漳州 363000）

磁流變液是一種新型智能材料，在磁場(chǎng)控制下，磁流變液體會(huì)發(fā)生磁流變效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)液態(tài)和固態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，而且這種轉(zhuǎn)換速度非?？欤ㄒ话銥楹撩爰?jí)）。這幾年國(guó)內(nèi)外已對(duì)其進(jìn)行大量的研究，尤其是利用磁流變液發(fā)生磁流變效應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的剪切屈服應(yīng)力，將其應(yīng)用于汽車半主動(dòng)懸架、緩速器、離合器等控制。利用磁流變液特性開(kāi)發(fā)的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，具有控制能耗低、受外部環(huán)境影響小、部件磨損小等特點(diǎn)，而且通過(guò)控制施加在磁流變液上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，就可達(dá)到轉(zhuǎn)矩或速度的無(wú)級(jí)控制，其在汽車工業(yè)、液壓傳動(dòng)、建筑抗震等領(lǐng)域具有很大應(yīng)用前景[1]。目前，將磁流變液應(yīng)用在汽車制動(dòng)器上的研究并不多，但傳統(tǒng)汽車制動(dòng)器在功能增加的同時(shí)，管路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等越來(lái)越復(fù)雜，也存在制動(dòng)液泄露風(fēng)險(xiǎn)，隨著新能源汽車的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)逐步被取消，現(xiàn)行燃油車制動(dòng)器上的真空助力也將消失，雖可外加電子真空泵并配合能量回收，但磁流變制動(dòng)器能較好實(shí)現(xiàn)線性控制，除去了制動(dòng)主缸和助力器等零件，降低了車重，節(jié)省了空間，在不借助外力的情況下能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，更能滿足自動(dòng)駕駛對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求[2]。因此，磁流變制動(dòng)器可通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)和磁路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力矩的連續(xù)、快速的控制，進(jìn)而達(dá)到汽車制動(dòng)要求[3]。將磁流變制動(dòng)裝置應(yīng)用于汽車前輪的剎車控制，主要目標(biāo)是對(duì)汽車前輪制動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)和磁路設(shè)計(jì)，利用MATLAB軟件對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩進(jìn)行仿真分析，并就結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)力矩影響做進(jìn)一步分析，為磁流變制動(dòng)器設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

一、汽車前輪磁流變制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁流變液體有多種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作形式，諸如圓筒式和圓盤(pán)式等結(jié)構(gòu)、剪切和擠壓等工作形式[4]。前輪磁流變制動(dòng)器利用圓盤(pán)式結(jié)構(gòu)的剪切工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取的前輪輪胎結(jié)構(gòu)較普通輪胎結(jié)構(gòu)有所改變，主要由制動(dòng)盤(pán)、固定盤(pán)、左右輪轂、勵(lì)磁線圈等組成。左右輪轂與前輪軸之間有圓錐滾子軸承，左右輪轂通過(guò)螺栓固定；兩隔磁固定環(huán)與固定盤(pán)固定一起，外部支撐勵(lì)磁線圈，同時(shí)兩隔磁固定環(huán)分別固定于左右兩輪轂內(nèi)側(cè)，之間用大O型密封圈密封；左右制動(dòng)盤(pán)通過(guò)花鍵固定在前輪軸上。對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)的汽車來(lái)說(shuō)，前輪是從動(dòng)輪，輪胎、左右輪轂、隔磁固定環(huán)、固定盤(pán)和勵(lì)磁線圈固定成一整體并隨著前輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。左右輪轂內(nèi)側(cè)、隔磁固定環(huán)、固定盤(pán)和左右制動(dòng)盤(pán)之間形成密閉的空間，內(nèi)部充滿磁流變液體，制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)力矩的磁流變液是以R1和R2所構(gòu)成工作圓環(huán)對(duì)應(yīng)的區(qū)域。當(dāng)勵(lì)磁線圈沒(méi)通電時(shí)，工作圓環(huán)區(qū)域的磁流變液體處于零磁場(chǎng)作用狀態(tài)，產(chǎn)生的粘性力矩較小；當(dāng)勵(lì)磁線圈通電時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)將使工作圓環(huán)區(qū)域的磁流變液體發(fā)生磁流變效應(yīng)，進(jìn)而使磁流變液體形鏈狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，對(duì)制動(dòng)盤(pán)起到阻力作用。磁流變制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1和2所示。

圖1 汽車前輪磁流變制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

圖2 汽車前輪磁流變制動(dòng)器三維剖面圖

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在推導(dǎo)磁流變制動(dòng)器的制動(dòng)力矩公式時(shí)，作出如下假設(shè)：（1）假設(shè)磁流變液是不可壓縮的；（2）忽略重力影響；（3）忽略磁滯現(xiàn)象，認(rèn)為其響應(yīng)具有瞬時(shí)性；（4）忽略由于加工和工藝帶來(lái)的認(rèn)為誤差等[4]。

前輪磁流變制動(dòng)器采用雙盤(pán)式結(jié)構(gòu)，制動(dòng)器具有四個(gè)工作面，假設(shè)四個(gè)工作面相同，可推導(dǎo)出磁流變制動(dòng)器的制動(dòng)力矩計(jì)算公式為[5]：

其中，ω是工作轉(zhuǎn)速，h是磁流變液工作間隙，τy(B)是動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，η是塑性粘度，制動(dòng)器的工作面為R1到R2的圓環(huán)面。

可看出，磁流變制動(dòng)器的制動(dòng)力矩由剪切應(yīng)力產(chǎn)生的力矩和粘性力矩兩部分組成。剪切應(yīng)力產(chǎn)生的力矩除與工作環(huán)面的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)外，還與施加在磁流變液上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小有關(guān)，由磁流變液的特性決定，這部分是可控的；粘性力矩是在零磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的，其大小與工作環(huán)面結(jié)構(gòu)尺寸、磁流變液粘度、軸旋轉(zhuǎn)速度和磁流變液的工作間隙有關(guān)，屬于不可控部分。因此，可通過(guò)控制施加在磁流變液上的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的大小，進(jìn)而達(dá)到汽車制動(dòng)要求。粘性力矩相比動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)力產(chǎn)生的制動(dòng)力矩小得多，一般在計(jì)算中可不做考慮。

二、磁流變液制動(dòng)器磁路設(shè)計(jì)

磁流變制動(dòng)器中的磁流變液體要發(fā)生磁流變效應(yīng)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，必須在勵(lì)磁線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)的作用下才可以實(shí)現(xiàn)，因此制動(dòng)器磁路的設(shè)計(jì)就顯得非常重要，只有合理設(shè)計(jì)磁路，才可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的有效制動(dòng)[6]。為了減少磁動(dòng)勢(shì)的損失，必須對(duì)磁路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而使勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)能夠有效作用在工作間隙區(qū)域的磁流變液體上。前輪磁流變制動(dòng)器固定盤(pán)兩側(cè)采用兩個(gè)奧氏體不銹鋼材料隔磁環(huán)進(jìn)行定位緊固，并且用以支撐和保護(hù)勵(lì)磁線圈。同時(shí)，隔磁環(huán)可以起到隔磁的作用，并能夠?qū)?lì)磁線圈的磁場(chǎng)進(jìn)行有效引導(dǎo)，確保磁場(chǎng)能形成閉環(huán)回路，且磁力線垂直作用在工作間隙區(qū)域的磁流變液體上。

為便于計(jì)算，將磁流變制動(dòng)器左右殼體及兩制動(dòng)盤(pán)工作區(qū)域假設(shè)成是對(duì)稱的，一般情況下，主磁路也會(huì)有一部分磁通泄露到空氣中，造成磁動(dòng)勢(shì)損失，但磁力線通過(guò)的元件的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)比空氣大得多，因此泄露到空氣中的這部分磁通也可忽略不計(jì)[7]。當(dāng)勵(lì)磁線圈通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)沿著①至⑩形成閉環(huán)回路，如圖3所示。

圖3 磁流變制動(dòng)器磁阻劃分及磁阻計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)磁路安培定律可推導(dǎo)出，磁通大小[8]：

式中，Φ為磁場(chǎng)磁通；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ為鐵芯材料的磁導(dǎo)率；S為磁路等效截面積；l為磁路等效長(zhǎng)度；N為線圈匝數(shù)；I為線圈中電流大小。

結(jié)合圖3所示制動(dòng)器每部位尺寸，得到各段磁路的磁阻：

磁路的總磁阻為：

式中，μm為磁流變液的導(dǎo)磁率；μ1為固定盤(pán)與殼體的導(dǎo)磁率；μ2為制動(dòng)盤(pán)的導(dǎo)磁率。

由式子（2）可推導(dǎo)出制動(dòng)器工作間隙中磁動(dòng)勢(shì)為：

式中，B0為施加在制動(dòng)器中磁流變液上的磁感應(yīng)強(qiáng)度；S0為工作間隙處的磁通面積。

三、制動(dòng)器制動(dòng)力矩分析

以某車型的前輪制動(dòng)器為研究對(duì)象，展開(kāi)前輪磁流變制動(dòng)器性能仿真，該車型的相關(guān)參數(shù)如表1，制動(dòng)器仿真參數(shù)如表2所示，結(jié)合公式（1）和（7），利用SIMULINK仿真工具箱建立該前輪磁流變制動(dòng)器的SIMULINK仿真模型如圖4，仿真中選取的某磁流變液體的磁場(chǎng)強(qiáng)度與剪切應(yīng)力關(guān)系如圖5所示，封裝完為模型中的Subsystem2模塊[9]，得到制動(dòng)力矩仿真結(jié)果如圖6所示。由磁場(chǎng)強(qiáng)度和剪切應(yīng)力關(guān)系圖可以看出，磁流變液體的剪切應(yīng)力隨著施加的電磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，尤其在0-0.25T幾乎是呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，但0.4T-0.8T剪切應(yīng)力增長(zhǎng)較平緩，相對(duì)基本穩(wěn)定，最后達(dá)至最大值64.72kPa。由圖6可以看出，該磁流變制動(dòng)器在不施加磁場(chǎng)時(shí)粘性制動(dòng)力矩為23.76N·m，該部分僅與制動(dòng)器結(jié)構(gòu)本身參數(shù)及磁流變液體特性和輪軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，與施加的電流大小無(wú)關(guān)；當(dāng)施加勵(lì)磁電流時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)力矩在0-1A時(shí)隨著勵(lì)磁電流的增加呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，且在勵(lì)磁電流為0.76A時(shí)制動(dòng)力矩就達(dá)到1000N·m，隨后勵(lì)磁電流為1-2.5A時(shí)，制動(dòng)力矩的增加就比較平緩，勵(lì)磁電流超過(guò)2.5A時(shí)，制動(dòng)力矩基本就達(dá)到飽和，最高可達(dá)到1251N·m。

表1 汽車主要相關(guān)參數(shù)表

表2 制動(dòng)器仿真參數(shù)

圖4 勵(lì)磁電流-制動(dòng)力矩仿真模型

圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)度與剪切應(yīng)力關(guān)系圖

圖6 制動(dòng)力矩仿真結(jié)果圖

按照GB7258-2017(機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)乘用車在制動(dòng)初始速度為50Km/h時(shí)，空載檢驗(yàn)平均減速度不小于6.2m/s-2，則該假定車型前后軸的最大制動(dòng)力矩要求為：

由于該磁流變制動(dòng)器是假定用于該車型的前輪制動(dòng)，在干燥、良好的瀝青或混泥土路面附著系數(shù)f=0.78進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，前輪制動(dòng)器最大制動(dòng)力矩要求為T前輪=T前軸/2=844.75N·m，由磁流變制動(dòng)器勵(lì)磁電流與制動(dòng)力矩的關(guān)系可以看出，在勵(lì)磁電流為0.6A時(shí)即可達(dá)到前輪制動(dòng)器最大制動(dòng)力矩的要求，況且隨著勵(lì)磁電流的增大制動(dòng)力矩仍然是可以繼續(xù)增加的，因此該磁流變制動(dòng)器是可以滿足該車型最大力矩的制動(dòng)要求，且制動(dòng)力矩還有很大增加的余量。

四、制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

磁流變制動(dòng)器的制動(dòng)性能受到材料性能、工作條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)等諸多方面影響[10]，為研究不同結(jié)構(gòu)尺寸下制動(dòng)器的性能變化，對(duì)制動(dòng)器不同的工作圓環(huán)面進(jìn)行制動(dòng)性能仿真，仿真結(jié)果如圖7，三種不同的工作圓環(huán)面尺寸產(chǎn)生的制動(dòng)力矩變化趨勢(shì)基本相同，而且同樣勵(lì)磁電流下，增大工作圓環(huán)面的面積可以增大制動(dòng)力矩。另一方面，R1=40mm、R2=1200mm和R1=30mm、R2=120mm兩種對(duì)比產(chǎn)生的制動(dòng)力矩相差不大，但R1=30mm、R2=130mm和R1=30mm、R2=120mm兩種對(duì)比產(chǎn)生的制動(dòng)力矩相差較大。同樣尺寸下，工作圓環(huán)面的內(nèi)半徑R1減小10mm，制動(dòng)力矩可增加11.2N·m，而工作圓環(huán)面的外半徑R2增大10mm，制動(dòng)力矩則可增加106.8N·m，可以看出工作圓環(huán)面的外半徑R2對(duì)制動(dòng)力矩的影響比R1大。

圖8是對(duì)工作間隙h和制動(dòng)力矩建模后仿真結(jié)果，由圖可以看出：（1）工作間隙越小磁流變液產(chǎn)生的制動(dòng)力矩越大，尤其是小于0.5mm時(shí)，制動(dòng)力矩呈急增趨勢(shì)，0.5-1.5mm之間制動(dòng)力矩增加較平緩，大于2mm以后制動(dòng)力矩基本趨于穩(wěn)定；（2）同樣工作間隙下，制動(dòng)力矩隨著施加在磁流變液上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增大，但當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度增大至0.5T時(shí)，制動(dòng)力矩增加較小，基本趨于穩(wěn)定，這與制動(dòng)器勵(lì)磁電流和制動(dòng)力矩仿真結(jié)果相一致。另一方面，工作間隙越小，加工難度增加，且磁流變液在工作間隙中的流動(dòng)性不好；工作間隙增大，磁流變液的流動(dòng)性能提高，轉(zhuǎn)矩的可控系數(shù)增大，但工作間隙過(guò)大會(huì)造成間隙處磁阻增加，磁勢(shì)降低過(guò)大，傳遞的轉(zhuǎn)矩下降[11]。因此，工作間隙一般取在0.5-2mm之間。

圖7 外形尺寸影響仿真結(jié)果圖

圖8 工作間隙影響仿真結(jié)果圖

五、結(jié)論

對(duì)傳統(tǒng)輪胎結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將磁流變制動(dòng)器創(chuàng)新性應(yīng)用于前輪剎車，仿真結(jié)果表明前輪磁流變制動(dòng)器完全能滿足選定車型的最大制動(dòng)力矩制動(dòng)要求。同時(shí)，磁流變制動(dòng)器的制動(dòng)力矩隨著施加在磁流變液上的磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，前期快速增長(zhǎng)，后期逐步趨于穩(wěn)定，單輪產(chǎn)生的制動(dòng)力矩可達(dá)1251N·m，而且勵(lì)磁電流在0-1A區(qū)間時(shí)，制動(dòng)力矩呈線性增加，這種特性使磁流變制動(dòng)器特別適用于線性制動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，更易滿足新能源汽車及無(wú)人自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)線性控制的要求。從結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析可知，通過(guò)增大工作圓環(huán)面的外半徑R2增加制動(dòng)力矩比減小內(nèi)半徑R1增加得更快；另外，考慮到前輪制動(dòng)器部件的布置，及制動(dòng)間隙與磁流變液的流動(dòng)性、磁阻變化、制動(dòng)器加工難度等緊密相關(guān)，設(shè)計(jì)汽車前輪制動(dòng)器磁流變液的工作間隙應(yīng)取在0.5-2mm之間。目前磁流變制動(dòng)器的研究仍處于理論的階段，離實(shí)際應(yīng)用仍還有很多急需解決的問(wèn)題，如磁滯、磁場(chǎng)分布不均勻、磁流變液的沉降、溫度影響等現(xiàn)象。隨著汽車智能化的發(fā)展，磁流變制動(dòng)器已成為制動(dòng)系統(tǒng)最具前景的研究方向之一。