胡國(guó)良 李林森 喻理梵

(華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330013)

0 引言

制動(dòng)器是汽車制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其性能是評(píng)判汽車安全標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)器主要分為機(jī)械盤(pán)式和機(jī)械鼓式，隨著人們對(duì)制動(dòng)平穩(wěn)性和駕駛安全性要求的提高，上述兩種制動(dòng)器制動(dòng)效果受發(fā)熱影響大、不易隨路面狀況調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的缺點(diǎn)日益突出。載液中懸停微小磁性顆粒的新型智能材料磁流變液為研究性能良好的車輛制動(dòng)器提供了新思路。該液體暴露在磁場(chǎng)中，可在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)從自由流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)，且變化過(guò)程可控可逆?；诖帕髯円弘S外界磁場(chǎng)強(qiáng)度而瞬變的特性，磁流變裝置被廣泛應(yīng)用于汽車懸架、離合器以及建筑業(yè)等領(lǐng)域[1-5]。

圖1 多液流通道磁流變制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagrams of rotary MR brake with multi-fluid flow channels1.左端蓋 2.左導(dǎo)磁套筒 3.磁芯 4.隔磁環(huán) 5.勵(lì)磁線圈 6.右導(dǎo)磁套筒 7.缸筒 8.轉(zhuǎn)軸 9.右端蓋

旋轉(zhuǎn)式磁流變裝置主要分為磁流變制動(dòng)器與磁流變離合器2種。磁流變離合器作為一種能量傳動(dòng)裝置對(duì)阻尼轉(zhuǎn)矩的要求較低，目前在液壓閥控制等方面得到一定應(yīng)用[6]。相較于磁流變離合器，磁流變制動(dòng)器作為能量耗散裝置，需要更大的阻尼轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)裝置的制動(dòng)效果。目前，磁流變制動(dòng)器一般以剪切模式為工作模式，與磁場(chǎng)方向垂直的區(qū)域?yàn)榧羟心Ｊ降挠行^(qū)域。受制動(dòng)裝置本身設(shè)計(jì)約束，增加剪切模式工作性能主要有2種方法，一是增加有效區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度，二是增加有效阻尼通道長(zhǎng)度[7-9]。增加有效阻尼間隙磁場(chǎng)強(qiáng)度主要通過(guò)增加勵(lì)磁線圈數(shù)量和尺寸或優(yōu)化阻尼間隙表面形狀等方法實(shí)現(xiàn)。在單線圈磁流變制動(dòng)器上增加勵(lì)磁線圈數(shù)量或尺寸，在一定程度上可以提高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩性能、降低流變效應(yīng)響應(yīng)時(shí)間，但線圈個(gè)數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器體積與能耗的增加[10]?；诖耍糠謱W(xué)者對(duì)磁流變制動(dòng)器間隙形狀和磁路路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究[11-20]。

上述對(duì)阻尼間隙表面和路徑優(yōu)化的方法在一定程度上提高了制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但復(fù)雜間隙表面以及優(yōu)化后的磁軛制造加工難度更大，增加了制造成本，同時(shí)其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩模型推導(dǎo)也更復(fù)雜。本文提出一種采用轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)套筒組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多液流通道旋轉(zhuǎn)式磁流變制動(dòng)器，通過(guò)在旋轉(zhuǎn)套筒中部設(shè)置隔磁材料改善磁路結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)磁力線垂直穿過(guò)4段阻尼間隙，提高磁場(chǎng)利用率。通過(guò)理論分析以及有限元仿真研究磁流變制動(dòng)器各有效阻尼通道處磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，并在動(dòng)態(tài)性能測(cè)試臺(tái)上測(cè)試制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

磁流變制動(dòng)器液流通道布置方式是影響制動(dòng)性能的重要因素，其中，磁力線垂直穿過(guò)的液流通道區(qū)域，磁流變液流變效應(yīng)最優(yōu)，產(chǎn)生剪切應(yīng)力最大[21]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圖1所示的多液流通道磁流變制動(dòng)器。該磁流變制動(dòng)器主要由旋轉(zhuǎn)套筒、磁芯、轉(zhuǎn)軸、端蓋、缸筒以及勵(lì)磁線圈等零件組成。其中，旋轉(zhuǎn)套筒由隔磁環(huán)，左、右導(dǎo)磁套筒3部分組成，左右導(dǎo)磁套筒分別與隔磁環(huán)通過(guò)螺紋連接，并使用螺紋膠固化鎖死。旋轉(zhuǎn)套筒與轉(zhuǎn)軸通過(guò)螺栓連接，并通過(guò)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。除隔磁環(huán)與左右端蓋由不銹鋼隔磁材料制成，其他零件均由低碳鋼導(dǎo)磁材料制成。如圖1所示，通過(guò)在缸筒與磁芯之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)套筒，可形成缸筒與旋轉(zhuǎn)套筒圍成的外軸向液流通道以及磁芯與旋轉(zhuǎn)套筒圍成的內(nèi)軸向液流通道。在旋轉(zhuǎn)套筒中部增設(shè)隔磁環(huán)，可將磁力線路徑扭轉(zhuǎn)到未被利用的外軸向液流通道，從而引導(dǎo)磁力線垂直穿過(guò)4段阻尼通道。該設(shè)計(jì)在不增加制動(dòng)器活動(dòng)部件數(shù)量的前提下，可有效增加產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的阻尼間隙長(zhǎng)度，提高制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。綜合考慮磁流變液流變效果，防止通道出現(xiàn)阻塞問(wèn)題，阻尼通道間隙厚度設(shè)計(jì)為1.0 mm。整個(gè)多液流通道磁流變制動(dòng)器的外形直徑為120 mm，軸向長(zhǎng)度為173 mm。

向勵(lì)磁線圈加載一定大小電流，電磁感應(yīng)原理使得制動(dòng)器液流通道處產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線在磁場(chǎng)的作用下，經(jīng)過(guò)磁芯依次垂直穿過(guò)有效阻尼間隙S3、旋轉(zhuǎn)套筒、有效阻尼間隙S2，到達(dá)缸筒，再垂直穿過(guò)有效阻尼間隙S1、旋轉(zhuǎn)套筒，經(jīng)過(guò)有效阻尼間隙S4回到磁芯，形成完整閉合回路。制動(dòng)器工作時(shí)，轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)套筒由交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)勵(lì)磁線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液填充在4段阻尼間隙內(nèi)的磁性顆粒在磁場(chǎng)方向聚合成鏈狀，此時(shí)磁流變液由流體變?yōu)轭惞腆w狀態(tài)，抗剪切屈服應(yīng)力增大，進(jìn)而產(chǎn)生較大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。改變勵(lì)磁線圈通電電流大小，控制磁流變液剪切屈服應(yīng)力，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)磁流變制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的目的。

2 轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型

目前應(yīng)用Bingham模型和Herschel-Bulkley模型描述磁流變液流變性質(zhì)最為廣泛[9]，其區(qū)別在于后者考慮了剪切變稀與剪切變稠現(xiàn)象對(duì)磁流變液剪切應(yīng)力的影響。由于Bingham模型未知參數(shù)少，且在中等剪切速率時(shí)，結(jié)果能足夠準(zhǔn)確描述磁流變液的流變特性，故本文選擇其作為轉(zhuǎn)矩模型建立基礎(chǔ)。Bingham模型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如下

(1)

式中τ——磁流變液剪切應(yīng)力

τ(B)——隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化的屈服應(yīng)力

η——無(wú)磁場(chǎng)時(shí)磁流變液粘度

當(dāng)制動(dòng)器轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)套筒旋轉(zhuǎn)，磁流變制動(dòng)器中磁流變液的流向如圖2所示，制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為

T=2πr2Lτ

(2)

式中L——有效阻尼間隙長(zhǎng)度

r——環(huán)形有效阻尼間隙半徑

有效阻尼間隙內(nèi)磁流變液剪切應(yīng)變率可表示為

(3)

式中ωr——磁流變液在半徑r處的角速度

圖2 磁流變液周向流動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic of MR fluid circumferential flow1.旋轉(zhuǎn)套筒 2.轉(zhuǎn)軸

假設(shè)磁流變液在不同阻尼間隙處分布均勻，由式(1)～(3)可得磁流變液在半徑r處，角速度ωr的微分為

(4)

在磁流變液徑向流速線性分布情況下，制動(dòng)器內(nèi)軸向液流通道間隙邊界條件為

(5)

式中g(shù)a——內(nèi)阻尼通道間隙厚度

r3——磁芯外圈半徑

ω——旋轉(zhuǎn)套筒角速度

制動(dòng)器外軸向液流通道間隙邊界條件為

(6)

式中g(shù)b——外阻尼通道間隙厚度

r4——旋轉(zhuǎn)套筒外圈半徑

由式(4)、(5)可得制動(dòng)器內(nèi)阻尼通道制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1為

(7)

由式(4)、(6)可得制動(dòng)器外阻尼通道制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

(8)

內(nèi)外阻尼通道間隙厚度為

h=ga=gb

(9)

假定有效阻尼通道間隙厚度遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)套筒半徑(h/r4?1)，由式(7)、(9)可得

(10)

由式(8)、(9)可得

(11)

由式(10)～(11)可以看出，筒式磁流變制動(dòng)器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩主要由兩部分組成，一是磁流變液在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的可控磁致轉(zhuǎn)矩TB，二是磁流變液自身粘度產(chǎn)生的粘滯轉(zhuǎn)矩Tη，因此，制動(dòng)器總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可表示為

T=TB+Tη

(12)

(13)

(14)

3 磁場(chǎng)仿真分析

磁流變液在制動(dòng)器內(nèi)部處于長(zhǎng)期剪切狀態(tài)，載液中的鐵磁顆粒會(huì)被打斷成更小的碎片，導(dǎo)致磁流變液整體流變性能發(fā)生改變，因此磁流變液耐用性是延長(zhǎng)制動(dòng)器使用壽命的重要指標(biāo)。多液流通道磁流變制動(dòng)器工作介質(zhì)選用重慶材料研究所開(kāi)發(fā)的MRF-J01T型磁流變液。其磁流變液相關(guān)性能指標(biāo)如表1所示。該型磁流變液具有較好的流變特性以及耐用性，能夠很好滿足試驗(yàn)測(cè)試需求，使用最小二乘法對(duì)該磁流變液τ-B曲線進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合[22]，得到阻尼間隙處剪切屈服應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系為

τ(B)=a3B3+a2B2+a1B+a0

(15)

式中：a3=-984.274 2 kPa/T3，a2=865.390 1 kPa/T2，a1=-48.464 4 kPa/T，a0=0.018 2 kPa。

表1 MRF-J01T型磁流變液相關(guān)性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of MR fluid with MRF-J01T

為了解多液流通道磁流變制動(dòng)器的制動(dòng)力矩性能，在不考慮磁場(chǎng)邊界漏磁現(xiàn)象的情況下，利用ANSYS有限元仿真軟件建立二維有限元實(shí)體模型，如圖3所示。考慮多液流通道磁流變制動(dòng)器截面均為規(guī)則軸對(duì)稱圖形，在不影響仿真精度的情況下，選取截面的1/2作為仿真對(duì)象，以減少計(jì)算量。從建模技術(shù)以及磁路設(shè)計(jì)角度出發(fā)，導(dǎo)磁材料的磁滯性對(duì)控制器追蹤制動(dòng)力矩性能具有很大影響，圖3中磁芯、左右導(dǎo)磁套筒與缸體均采用鋼磁化與磁滯性能優(yōu)異的10號(hào)鋼。

圖3 多液流通道磁流變制動(dòng)器實(shí)體模型Fig.3 Entity model of multi-fluid flow channels MR brake1.左端蓋 2.缸筒 3.左導(dǎo)磁套筒 4.磁芯 5.隔磁環(huán) 6.勵(lì)磁線圈 7.右導(dǎo)磁套筒 8.轉(zhuǎn)軸 9.右端蓋

圖4為加載電流為1.0 A時(shí)多液流通道磁流變制動(dòng)器磁力線分布。由圖4可知，通過(guò)在旋轉(zhuǎn)套筒中部設(shè)置不導(dǎo)磁材料隔磁環(huán)，避免了磁力線僅在旋轉(zhuǎn)套筒中形成閉合回路的現(xiàn)象，充分利用了旋轉(zhuǎn)套筒與缸筒之間的外軸向液流通道，形成4段有效阻尼間隙，提高了磁場(chǎng)利用率。此外，磁力線幾乎全部垂直通過(guò)阻尼間隙S1、S4，但在阻尼間隙S1左側(cè)存在部分漏磁，這是由于左導(dǎo)磁套筒選用10號(hào)鋼材料，其導(dǎo)磁性能優(yōu)于磁流變液，使得少部分磁力線在阻尼間隙S2左側(cè)形成閉合回路。

圖4 制動(dòng)器磁力線分布Fig.4 Distribution of magnetic flux density

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度沿路徑的變化情況Fig.5 Variation of magnetic flux density along fluid flow paths

圖5所示為電流輸入1.0 A時(shí)阻尼間隙S1、S2、S3以及S4磁場(chǎng)強(qiáng)度沿路徑變化情況。從圖5可以觀察到，阻尼間隙S1磁感應(yīng)強(qiáng)度隨路徑距離變化不斷增加，這是因?yàn)樽枘衢g隙S1左側(cè)存在徑向液流通道，阻尼間隙S1左側(cè)周圍導(dǎo)磁區(qū)域磁力線不能集中均勻分布，導(dǎo)致總磁通量減少。阻尼間隙S2磁感應(yīng)強(qiáng)度隨路徑距離變化不斷減小，這與上述磁力線分析中阻尼間隙S2左側(cè)存在部分漏磁的結(jié)論相印證。阻尼間隙S3、S4磁感應(yīng)強(qiáng)度分布較S1、S2平穩(wěn)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度兩端較小，并集中于間隙中間區(qū)段，磁路導(dǎo)磁性能良好。

選取路徑內(nèi)50個(gè)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)路徑距離積分，除以積分路徑長(zhǎng)度后得到各阻尼間隙的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖6為磁流變制動(dòng)器4段阻尼間隙平均磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流變化曲線。從圖6可知，不同電流下，各阻尼間隙內(nèi)平均磁感應(yīng)強(qiáng)度雖不同，但都隨加載電流的增加而增大，因?yàn)榧虞d電流增加導(dǎo)致磁路中磁動(dòng)勢(shì)增大。輸入電流為1 A時(shí)，4段阻尼間隙S1、S2、S3、S4內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.457 1、0.330 1、0.483 8、0.529 9 T。

圖6 平均磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流變化曲線Fig.6 Variation curves of average magnetic flux density under applied currents

圖7為多液流通道磁流變制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電流變化曲線。由圖7可知，制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨加載電流的增加而增大，這是因?yàn)殡S著輸入電流增加，勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，磁流變液流變效果增強(qiáng)，剪切屈服應(yīng)力增加。仿真結(jié)果表明，當(dāng)電流為1.0 A時(shí)，制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩為65.39 N·m。

圖7 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電流變化曲線Fig.7 Simulation result of brake torque of MR brake

4 性能試驗(yàn)分析

4.1 樣機(jī)及性能測(cè)試系統(tǒng)

在理論計(jì)算及仿真設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，加工了圖8所示的多液流通道磁流變制動(dòng)器，其中纏繞線圈數(shù)量為900匝，線圈阻值為17.8 Ω，可為工作間隙提供足夠的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖9為多液流通道磁流變制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)，圖9a為測(cè)試系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖，圖9b為測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。該測(cè)試系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。其中電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由三相交流電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、變頻器、多液流通道制動(dòng)器等部分組成，制動(dòng)器通過(guò)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器連接，并通過(guò)變頻器調(diào)速后的三相交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖8 磁流變制動(dòng)器實(shí)物圖Fig.8 Prototype of multi-fluid flow channels MR brake

圖9 磁流變制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.9 Experimental test system of multi-fluid flow channels MR brake1.電源Ⅰ 2.制動(dòng)器 3.電源Ⅱ 4.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器 5.聯(lián)軸器 6.三相交流電動(dòng)機(jī) 7.采集卡 8.變頻器 9.計(jì)算機(jī)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NI-USB-6210型多功能采集卡獲取傳感器的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩電壓信號(hào)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)中的LabVIEW數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，計(jì)算后獲得準(zhǔn)確的多液流通道的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。其中電源Ⅰ給制動(dòng)器中的勵(lì)磁線圈供電，電源Ⅱ給轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器供電。

4.2 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩性能試驗(yàn)分析

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電源I及變頻器的旋鈕，可獲得不同輸入電流及不同轉(zhuǎn)速下多液流通道磁流變制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其中電流調(diào)節(jié)范圍為0～1.8 A，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為200～600 r/min；同時(shí)為了更加準(zhǔn)確地獲取轉(zhuǎn)矩，在每組測(cè)試結(jié)束后，應(yīng)對(duì)磁流變制動(dòng)器進(jìn)行適當(dāng)降溫，防止制動(dòng)器溫度過(guò)高對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大影響。圖10為制動(dòng)器在不同控制轉(zhuǎn)速下，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電流變化規(guī)律。從圖10可以看出，隨著加載電流的增加，不同轉(zhuǎn)速下的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩都隨之增大，在電流范圍為0～1.4 A內(nèi)，制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩近似呈線性增加，同時(shí)隨著電流的繼續(xù)增長(zhǎng)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸下降，并在加載電流為1.6 A時(shí)趨于飽和狀態(tài)。此外在電流范圍為0～0.2 A內(nèi)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加相對(duì)較小，由磁流變液τy-B曲線可知，這是因?yàn)榇帕髯円涸诘痛鸥袘?yīng)強(qiáng)度時(shí)，剪切應(yīng)力變化較小。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)輸入電流為1.8 A，轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩最高可達(dá)61.4 N·m，與仿真結(jié)果相比具有一定差異，這是由于在磁場(chǎng)仿真分析時(shí)采用理想邊界條件忽略了磁漏現(xiàn)象；另外，采用Bingham模型推導(dǎo)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型時(shí)未考慮磁流變液剪切變稀現(xiàn)象和溫度升高對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)矩帶來(lái)的影響。

圖10 制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩隨電流變化曲線Fig.10 Experimental curves of brake torque with current

圖11 制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.11 Experimental curves of brake torque with rotational speed

圖11為不同加載電流下，制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線。從圖11可以看出，相同電流下，制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加有少量增加，由式(14)可知，由于制動(dòng)器粘滯轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加的特性，制動(dòng)器粘滯轉(zhuǎn)矩對(duì)制動(dòng)器整體制動(dòng)轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)不大，因此，轉(zhuǎn)速變化對(duì)某一固定電流下的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩影響很小。尤其在中低速狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速與制動(dòng)器制動(dòng)特性近似無(wú)關(guān)，這對(duì)于降低磁流變制動(dòng)器控制策略的設(shè)計(jì)難度具有重要的實(shí)用性，同時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化的特性既可使磁流變制動(dòng)器用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)合下的制動(dòng)功能，也可作為減速緩沖機(jī)構(gòu)使用。

隨著電流變化，制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩從初始值約3.5 N·m增加到約 61 N·m，制動(dòng)器可調(diào)范圍廣，證明了多液流通道磁流變制動(dòng)器性能良好。圖11中不同電流的兩條曲線之間間距反映了轉(zhuǎn)矩變化程度，在電流為0.6～1.2 A時(shí)，電流變化相同的不同轉(zhuǎn)矩曲線間距基本一致，這表明多液流通道磁流變制動(dòng)器在該電流范圍內(nèi)有良好的控制特性。在電流為1.2～1.8 A時(shí)，相鄰轉(zhuǎn)矩曲線的間距顯著減小，說(shuō)明磁場(chǎng)強(qiáng)度趨于飽和狀態(tài)。

采用加載與卸載兩種不同的勵(lì)磁線圈電流變化方式，首先將電流從0 A線性加載到1.8 A，隨后從1.8 A依次遞減到0 A，兩種電流變化方式的電流間隔區(qū)間相同，均為0.2 A。圖12為轉(zhuǎn)速n=400 r/min時(shí)，多液流通道磁流變制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩滯回曲線。從圖12可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，線圈輸入電流相同時(shí)，卸載時(shí)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于加載過(guò)程中的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩曲線的錯(cuò)位源于電流卸載過(guò)程中制動(dòng)器磁路材料存在磁滯特性，且兩條曲線垂直間距越大，材料的磁滯損耗也就越大，進(jìn)而帶來(lái)更大的熱量和能量損失。

圖12 制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩磁滯特性曲線Fig.12 Hysteresis characteristic curves of output torque

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種多液流通道磁流變制動(dòng)器，推導(dǎo)了其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型，采用有限元分析軟件對(duì)電磁特性進(jìn)行了建模仿真。仿真結(jié)果表明，加載電流1 A時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為65.39 N·m。

(2)對(duì)不同加載電流下的多液流通道磁流變制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，當(dāng)輸入電流為1.8 A、轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩最高可達(dá)61.4 N·m，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

(3)分析了不同轉(zhuǎn)速下磁流變制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩性能，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速變化對(duì)磁流變制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩基本無(wú)影響。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化的特性降低了磁流變制動(dòng)器控制策略的設(shè)計(jì)難度。