磁流变液制动器

2024-07-12

磁流变液制动器（精选5篇）

磁流变液制动器第1篇

分子中电子的绕核运动和自转将形成分电子流,分电子流将产生磁场,每个分子都相当于一个小磁铁[31]。由于磁性物质分子的相互作用,使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性,这些小区域称为磁畴。当磁性物质没有外磁场时,各磁畴是混乱排列的,磁场相互抵消;在外磁场的作用下,磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上,即产生了一个与外场方向一致的磁化磁场,从而磁性物质内的磁感应强度大大增加——物质被强烈的磁化了。磁性物质因磁化产生的磁感应强度是不会无限制增加的,当外磁场增大到一定程度时,全部磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将达到饱和值,这就是磁性物质的磁饱和强度。

磁流变液在外加强磁场后,其中的磁介质微粒就沿磁场方向形成了柱状链。当磁流变液在外磁场的作用下达到磁饱和强度时,磁流变液的功能达到最佳状态。通过查阅文献,目前国内外还没有比较成熟的简单方便测试磁流变液磁饱和强度的装置。因此,开发一套测试磁流变液磁饱和强度的装置,不仅对研究磁流变液的性质很重要,而且对于磁场的设计,也是非常必需的。

1 磁流变液磁饱和强度测定装置工作原理

1.1 测试磁流变液磁饱和强度测定装置示意图如图1 所示:

1.2 测定装置的工作原理及理论推导

装置的工作原理是这样的:线圈由直流电源提供电能,用来产生磁场,铁芯、上下磁轭、两个极柱、磁流变液及磁流变液下面的空气形成封闭的磁路。用特斯拉仪测出磁路中空气的磁密,测出磁密后,由电磁学知识知:

由(1)与(2)联立求解得:

其中:F为磁势;N为线圈匝数;R为磁阻;l为介质在磁路中长度;B为磁密;Φ为磁通;S为磁路中介质的面积;µ为介质的磁导率;Hj为第j段磁路中的磁场强度;lj为第j段磁路的长度;Φj为第j段磁路中的磁通;Bj为第j段磁路中的磁密。

由上面的公式可以得出:

线圈的匝数为已知,线圈的电流由电源可以显示,磁密用特斯拉仪可以测得,介质的长度又可以测出,则这时的磁导率便可以求出。磁密已知,磁导率已知,在整个磁路中的磁通是相同的,根据公式5便可以求出介质的磁场强度Hf来:

其中:Hf为磁流变液的磁场强度;Bg为空气的磁密;lg为磁路中空气的长度;µ0为空气的磁导率;lx为铁芯和极柱的总长;Bx为铁芯(极柱)的磁密;µy为纯铁的磁导率;ly为上下磁轭的总长;By为磁轭的磁密;lf为磁流变液在磁回路中的长度。

在磁流变液与气隙之间的分界面处,由电磁学知识可知:

当气隙磁密Bg=1T时,Bx、By均小于1T,此时铁芯及磁轭均不饱和,所以此时的纯铁的磁导率µy远远大于空气的磁导率µ0,因此式(8)便可简化为:

1.3 测定装置参数的计算及设定过程

根据目前研究的结果和测量磁流变液剪切应力装置所得到的数值,估算磁流变液的磁饱和强度在1T以下,据此设计的装置产生的磁感应强度不应小于1T,初步定:

极柱的半径R=0.03m;极柱之间的间隙δ=0.03mm;

真空磁导率:µ0=4·π·10-7

气隙磁密:Bg=1T

气隙高:h1=0.01m

假定磁性液导磁率:µ=3·µ0

所需磁势:

导线电流密度:J=4.106

选取线圈的占空系数:k=0.7

线圈的窗口面积:

线圈骨架尺寸:设高H=140mm;壁厚∆=mm

线圈骨架的内径:φ1=2·R+0.004=0.064m

线圈骨架的外径:

导线总长:

每千米重量为5.83kg,

导线总重:W=Ld·5.83=16.33kg

导线电阻:

直流电压:

铁轭宽:b=2·R=0.06

根据此计算结果,制作出磁流变液磁饱和强度测定装置。

2 对测定装置的计算复核

铁芯截面积为Sy(m2);铁芯平均总长Ly(m);气隙的截面积为Sg(m2);气隙长为Lg(m)

纯铁属于软磁性材料,当By为1T时,Hy为120,则其磁导率为:

铁轭的磁阻:

铁芯的磁阻:

磁流变液的磁阻:

磁路中的总磁阻:

8所需磁势:

复核结果基本和设计结果相吻合,这说明我们设计的结果是能够满足测试磁流变液的磁饱和强度的。

3 测试结果及分析

用测定装置对磁流变液(自行配置的)进行了测试,在电磁铁的电流分别为0.5、1、2A时,磁回路中的磁密分别为0.24、0.31、0.355T。用公式10分别计算磁流变液三种状态下的磁场强度:

当电流为0.5A时:

当电流为1A时:

当电流为2A时:

由上述计算结果,得出磁流变液的B-H曲线,如图2所示:

由于实验条件的不具备,加之实验电源能提供的电流值有限(最大能提供2.5A),所以试验能够测得的有效值只有三个,因此这条磁化曲线不能够较完整的描述出磁流变液的磁化特性,但是可以根据实验数据初步推算出磁流变液的磁导率µf在16~4之间,随着磁密的增加而减小。从图线分析,本次测试的磁流变液磁饱和强度约为800KA/m。

如果改进试验的条件,使实验的电流能够达到4A左右,从理论上讲应该可以绘出一条较完整的磁流变液的磁化曲线,同时,磁流变液的磁饱和强度也能够从试验中测得。这就为磁流变液及相关设备的开发和使用提供了理论依据。

摘要：为了研制一种简单可靠的测量磁流变液磁饱和强度的仪器,本文根据电磁学相关原理从三个方面即理论推导、参数的设定和计算、计算校核对测试装置的工作原理进行了阐述。最后通过实验证明,此装置较为准确的测出了磁流变液的磁饱和强度。

关键词：磁流变液,磁饱和强度,测试装置,磁密,磁通

参考文献

[1]Kordonski W I,Gorodkin S R,Novikova Z A,Conf.on ERFluids,MR Suspensions and their Applications,Singapore,World Scientific,1998:535-542.

[2]J.M.Ginder,L.C.Davis,Shear stress in magnetorheological fluids:Role of magneticsaturation,Appl.Phys.Lett,65(26),1994:3410-3412.

[3]司鹄.磁流变体的力学机理研究[D].重庆大学,2003.

[4]王增和.电磁场与波,第一版[M].北京:机械工业出版社,2007.

磁流变液在机械工程中的应用论文第2篇

磁流变液(MRF)作为一种新型智能材料，在外加磁场下其流变特性可以发生急剧变化：在没有外加磁场环境下，其是流动性良好的牛顿流体，而一旦受到外加磁场的作用，流体的流变特性将发生极大的变化，其表观粘度可以在10ms内增加数个数量级，并且表现出与固体相类似的力学性质，而且这种粘度的变化是可拟的，在去掉磁场作用后，其又会变成流动性良好的牛顿流体。由于其具有这种特点，因此，其在社会各个领域得到了广泛的应用，尤其是机械工程领域。

1 磁流变液的构成及其流变特性

磁流变液主要由三个部分组成，即载液、软磁性颗粒以及稳定剂，其中载液是组成磁流变液的重要成分，具有低凝固点、低粘度、耐腐蚀性以及热稳定性的特点，磁流变液应用的载液具有很多种，比如煤油、硅油等;软磁颗粒作为一种晶体尺寸在0.01-10μm的球形颗粒，种类也有很多种，而羟基铁粉与纯铁粉则是应用最广泛的软磁颗粒;在磁流变液中，稳定剂具有重要的作用，其不仅具有润滑的作用，还能够保证磁流变液的稳定性以及具有一定的抗腐蚀性，同时，其还能够防止磁性颗粒的沉降与聚集。

磁流变效应是1948年Rabinow发现的，可以采用Bingham本构关系，对流变的特性进行描述，主要内容如下：

……(1)

在上述式子中，指的是磁流变液动态屈服应力，其中B、γ分别指的是磁感应强度、剪切应变率;η为磁流变液的表观粘度。

在磁性颗粒未饱和前，当磁性强度B增强，也随之增大，可以用下面幂函数来表示：

……(2)

在上述式子中，磁流变液的材料决定系数α的常数，同时幂指数n的常数也是由磁流变液的材料决定的。

2 磁流变液的工作模式

2.1 阀式模式

在阀式模式下，磁流变液通常会在在两个静止的板极之间被限制，在两个板极的垂直作用之下，磁流变液的流动性能会发生一定的变化，从而使由磁流变液的流动活塞受到的阻力发生变化，进而达到通过控制外加磁场对阻力进行控制的目的。大部分流体的减震阀、控制阀采用的都是这种工作模式，比如四川宜宾普什重机有限公司研制的在工程机械中使用的发动机磁流变悬置系统，该系统就是针对某工程机械用发动机，首先对磁流变悬装置系统的结构尺寸进行确定，然后完成磁路设计。

2.2 剪切模式

在剪切模式下，上下两极板是相对运动的，外加磁场通过极板作用于两极板之间的磁流变液，使之在两极板之间产生剪切力，通过改变磁场可连续改变切应力一切应变率的特性。运用这种工作模式的磁流变器件很多，诸如离合器、制动器、旋转式阻尼器等。

2.3 挤压模式

磁流变技术在汽车制动中的应用第3篇

关键词：磁流变液,汽车制动,应用研究

汽车的制动性能是汽车的主要性能指标之一,它直接关系到交通安全,重大交通事故往往与制动距离过长、紧急制动时发生侧滑等情况有关。故汽车的制动性能是汽车行驶的重要安全保障。改善汽车的制动性能即改进作为制动系统最主要部分的制动器的结构性能,始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务。

1 磁流变液的流变机理

关于磁流变效应的机理至今还没有一个十分明确、统一的观点。但普遍认为,当无磁场作用时,分散在流体中的粒子悬浮于母液中呈随机分布。施加磁场作用后,粒子表面出现极化现象,形成磁偶极子,产生磁偶极矩。磁偶极子克服热运动作用而沿磁场方向结成链状结构。一条极化链中各相邻粒子间的吸引力随外加磁场强度的增强而增加,随着外磁场的增大,这种链状结构进一步发生聚集,形成复杂的团簇结构。这种微观结构上的变化直接导致了磁流变体流变性质的变化,当磁场强度增至临界值时,磁偶极子相互作用力超过热运动,使粒子热运动受缚,此时,磁流变液便呈现固体特性。磁流变液的屈服应力值随外加磁场强度的增加而增加。但当达到某一饱和值后,如果再增加磁场强度,磁流变液的力学性质便会基本不变,即达到了饱和磁场下的动态屈服应力,如图1所示。

2 磁流变技术在汽车制动方面的应用

一辆汽车制动性能的好坏,主要从以下三个方面来进行评价:(1)制动效能,即制动距离与制动减速度;(2)制动效能的恒定性,即抗热或水衰退性能;(3)制动时汽车的方向稳定性,即制动时汽车不发生跑偏,侧滑以及失去转向能力的性能。

汽车的制动效能是汽车迅速降低车速直至停车的能力,它是制动性能最基本的评价指标,评定制动效能的指标是制动距离和制动减速度。

磁流变制动器(MRB)较之传统的液压制动器,具有结构简单、能耗低、制动延时短、制动力矩可调可控等优点而得到人们的重视与研究,具有广阔的工程化应用前景和巨大的商业价值。磁流变制动器可分为圆盘式和圆筒式两类。由于圆盘式制动器体积小,转动惯量低,因此国外研究得较多。但圆盘式制动器不适应在很高的转速下使用,此时则可考虑圆筒式制动器。与磁流变阻尼器相比,国外研究磁流变制动器较晚,至今还没有形成商品化的车用磁流变制动器。而国内对磁流变制动器的研究就更少,且多为圆盘式制动器。

2.1 圆柱形磁流变液制动器。

圆柱形磁流变液制动器是最常见、最基本的结构形式,磁流变液制动器结构如图2所示。磁流变液制动器的主要由线圈、左右壳体(定子)、圆柱形制动鼓(转子)、磁流变液、轴承、O型密封圈、铜套、转轴等组成。制动鼓安置在左右壳体中间,在壳体和制动鼓之间充满磁流变液,转轴带动制动鼓旋转。若线圈不通电,磁流变液呈液态,制动鼓和壳体互相分离,而当线圈通电后,壳体内部的线圈将在壳体和制动鼓圆柱表面的间隙内产生径向磁场,磁流变液受到磁场的作用成为类固态形式,使流体的粘性阻力增加,屈服应力增加,壳体(定子)通过链状类固态的磁流变液对转子产生剪切制动力矩。由于粘塑性流体的屈服应力是磁场强度的函数,因此通过控制线圈中的电流强度来调节磁场强度,就可以调节流体的剪切应力,从而调节制动器定子对转子的制动力矩。

从公式τy(B)=a·Bn中可知,磁流变液的屈服应力τy(B)与磁感应强度成正比。为了增加径向磁感应强度,设计了隔磁铜套。圆形铜套除了隔磁作用外,还有保护线圈的作用,保护线圈免受高速流动的磁流变液的冲刷。为了减少制动鼓的转动惯量及有利于制动器的散热,制动鼓设计成中部凹槽结构。在灌注磁流变液时,为了防止产生气泡,在左壳体上加工有两个孔(一个加油孔,一个出气孔,出气孔径比加油孔小)。灌加注时先把制动器倒放,使左壳体朝上,再从加油孔慢慢加入磁流变液,以另一个出气孔缓慢溢出磁流变液为准,然后把两个孔用螺钉堵住。

2.2 盘式磁流变液制动器。

盘式磁流变液制动器最接近于现代轿车普遍采用的机械盘式制动器的结构型式,是最接近于在现代轿车实际应用的一种结构型。盘式磁流变液制动器如图3所示。盘式制动器主要由线圈、壳体、盘形制动盘、磁流变液、O型密封圈、铜套、转动轴、圆锥滚子轴承等组成。制动盘安置在壳体的中央,其间充满磁流变液,铜套具有隔磁和保护线圈的作用。制动盘置于转动轴的一端,转动轴通过凸缘与制动盘用螺栓联接成一体。考虑到制动盘采用悬置式布置,所以采用两个圆锥滚子轴承支承。采用O型密封圈进行密封,O型密封圈具有结构简单、密封性能好、耐温抗压、耐腐蚀等优点。当线圈通电时,壳体内部的线圈将在壳体和制动盘的间隙内产生沿制动盘的轴向磁场。为了达到在输出电流一定的情况下获得较大的制动力矩的目的,采用了靠近制动盘边缘附近处间隙较小,而制动盘中央附近间隙设计的较大的结构,这样磁力线更多是从边缘间隙小处通过。为了防止产生气泡,采用了在右壳体上加工两个孔,一个加油孔,一个出气孔。加油孔直径比出气孔径稍大。在灌磁流变液时先把制动倒放,右壳体朝上,再从加油孔慢慢加入磁流变液,以另一个出气孔徐徐溢出磁流变液为准,然后把两个孔用螺钉堵住。

参考文献

[1]王鸿云,郑惠强,李泳鲜.磁流变液的研究与应用[J].机械设计,2008,5(7):5-17.

[2]张德惠,李冬梅,赵华洋等.磁流变液装置及其在汽车中的应用[J].内蒙古民族大学学报(自然科学版),2005,4.

[3]黄金,廖林清,林昌华.圆柱式磁流变制动器的设计分析[J].功能材料,2006,5(8):66-88.

磁流变液制动器第4篇

1 磁流变效应的链化机理

所谓磁流变效应,是指施加磁场后,磁流变液的性能迅速发生变化,由粘性流态转为类固态,并具有一定的抗剪能力。从微观角度讲是由于磁场作用下,两极板间形成的链束状结构阻碍了流体的正常流动,使其呈类固态。链化微结构的形成也被实验观察证实,随磁场强度的增加,颗粒逐渐成链[1,2]。

1.1 链化机理的定性解释

颗粒在磁场下成链或链束的定性解释,代表性的有磁畴理论、相变理论和偶极矩理论。

磁畴理论认为,磁流变液中的颗粒是磁体,磁体中相邻原子间存在强交换耦合作用,促使相邻原子的磁矩平行排列,形成自发磁化饱和区域即磁畴。无外磁场作用时,不同磁畴的磁矩取向不同,颗粒不显磁性;有外磁场作用时,与磁场成较大角度的磁畴体积缩小,颗粒显示磁性,并相互吸引成链。随外加磁场不断增强,磁畴逐渐沿外磁场方向排列,颗粒磁性增强,磁流变液的剪切应力也增强[3]。

相变理论认为,在零磁场中,弥散在载液中的悬浮颗粒随机分布,迁徙和转动受热波动影响,是自由相。施加磁场后,颗粒被磁化,受场强的影响,颗粒相互靠拢呈有序排列,变为有序相。随场强增大,有序相以长链为核心,吸收短链,使链变粗,形成固态相[4]。

偶极矩理论认为,铁磁颗粒在磁场作用下形成磁偶极子,因偶极矩作用而成链,具体过程为:磁场作用下铁磁性颗粒产生极化→形成磁偶极子→颗粒因磁偶极矩作用产生运动→颗粒沿外磁场方向定向排列→颗粒排布有序化,呈链束结构→宏观表现为磁流变效应[5]。

磁畴理论只是理论上的解释,在实际计算中难以应用。相变理论无法解释链强度的问题。偶极矩理论的基础是静磁相互作用,形式简单,便于计算分析。

1.2 链化机理的定量分析

链化机理的定量分析采用的是数值模拟方法,运用牛顿第二定律,结合计算机手段,对磁流变液的成链过程进行有效模拟和实时分析。

李海涛等从力学角度出发,分析了2个磁化颗粒处于不同位置的受力特点及相对运动趋势,研究了磁流变液的成链机理,说明了铁磁颗粒间的引力和斥力分量是导致颗粒聚集并分成多条并列链的原因,并模拟了外加磁场作用下磁流变液的链化结构,发现形成稳定的链状微结构时磁流变液颗粒间的内部能量最小[6]。

2 磁流变液行为的宏观本构描述

磁流变液最典型的宏观行为表现在不同磁场强度和剪切应变率下的剪应力变化。描述和预测磁流变液的剪应力,对磁流变装置的设计至关重要。宏观现象学的本构描述,以Bingham模型最具代表,包括以下拓展模型。

2.1 Bingham模型

考虑到剪切应力是磁场强度和剪应变率的函数,在稳态剪切条件下,磁流变液的本构关系可用Bingham粘塑性模型描述[7]。此模型中,总的剪切应力τ为:

式中:τ0是外加磁场引起的磁流变液屈服应力,与外加磁场强度H相关;η是零磁场粘度,与磁场强度无关;是剪应变率。

2.2广义Bingham模型

Bingham模型无法描述磁流变液剪切变稀现象,把此模型稍加修改,变为广义Binglam模型[8],即:

式中:指数n反映磁流变液剪切变稀的程度。

2.3 非线性模型

胡海岩等[8]提出了略有不同的非线性模型,以拟合磁流变液的剪应力:

式中:参数μ同样反映磁流变液剪切变稀的程度。

2.4 双粘度模型

为进一步描述磁流变液在屈服前的流体特性,可把屈服前和屈服后的特征分开描述,用双粘度模型[9]表示为:

式中:ηB为屈服前外加磁场作用下磁流变液的表观粘度;η为屈服后磁流变液的粘度;rs为双粘度模型退化成Bingham模型时的屈服应力;τB是动态屈服应力。τB可表示为:

式中:a、b是材料参数,B是磁感应强度。引入粘度系数k,k=η/ηB,τs与τB之间满足τs=τB(1-k)。

基于Bingham模型的本构方程相对简单,难以精确描述磁流变液的行为,一些研究者通过其它宏观方法描述剪切应力。Yalcintas等对磁流变液屈服前的行为进行研究,引入剪切模量(由储能模量和损耗模量两部分组成)表达剪应力与剪应变的关系[10]。Li等分别测定了不同磁流变液的储能模量和损耗模量[11,12,13]。Bakuzis等计算了磁流变液的磁体力[14]。Chen等基于内变量的演化建立了磁流变行为的宏观理论[15]。Dorfmann等描述了三维非线性本构行为[16]。Rosensweig等从连续介质的概念出发,视磁流变液为宏观均匀物质,运用动量守恒定律建立了屈服应力的层状模型[17]。司鹄等发展了非经典粘塑性本构模型,描述磁流变液的弹粘塑性特征[18]。现象学模型虽形式简单,便于工程应用,但难以揭示磁流变液宏观响应特性的深层次物理背景及主要影响因素的作用机理。

3 基于微结构的微观分析描述

作为偶极流体系统,磁流变液最有趣的特征是其丰富的微结构形态[19],如链状、柱状、条状等,其形态及变化决定了磁流变液的宏观特性。通过对微结构及变化的观察研究,更能揭示磁流变液的力学机理,弥补宏观现象学模型之不足,于是发展了微观分析模型来描述磁流变液的宏观行为。

微观分析模型基于外磁场作用下颗粒成链柱状结构的事实,通过对链化结构的简化处理,得到磁流变液的宏观剪应力。微观分析模型主要有以下几种。

3.1 单链模型

单链模型的基本思路是假设磁流变液的铁磁颗粒在磁场作用下形成一条条完整的单链,通过分析计算颗粒间的相互作用力得到一条链的响应特性,再通过统计方法得到磁流变液的宏观行为描述。

在颗粒磁力的计算方面,存在2种方法,一种是运用Maxwell应力张量,通过考虑磁场的分布特征来进行计算。Ginder等在考虑了磁饱和效应的影响后,采用有限元方法计算单链中颗粒间的作用力,进而算出了磁流变流体的屈服应力[20]:

式中:γ是剪应变,W是包含单链的圆柱半径,F是圆柱单元底面上的力,可根据Maxwell应力张量及有限元软件求得。Bossis等运用相同方法,从单链变形对屈服剪应力的影响得到磁流变液屈服剪应力的描述[21]。张培强等也建立了类似模型,此模型可以分析颗粒体积分数、饱和磁化强度等对磁流变液性能的影响[22]。彭小强等在Bossis磁力计算的基础上,采用电磁力学与流体动力学相结合的方法,进而建立了磁流变液的剪切屈服应力模型[23]。

另一种是假设颗粒磁化为磁偶极子,运用偶极子理论来分析。Carlson等从颗粒磁极化的角度,得到了磁流变液准静态应力响应[24]:

式中:JP为磁偶极矩,μ1为载液的相对磁导率,μ0为真空磁导率,ε为粒子链的剪应变,Φ为颗粒的体积百分率,h为相邻颗粒间隙与此对颗粒间距离的比值。Shkel等把均匀磁场中孤立球磁化解与偶极子模型相结合,得到了单链模型描述的磁流变液特性[25]。Zhu等利用偶极子理论和安培定律建立了单链模型,并描述了磁流变液的屈服应力[26]。

上述模型都是假设颗粒链沿磁场方向平行排列,因此在链逐渐倾斜的过程中,得到的剪应力先变大后变小,即它只能描述磁流变液的屈服应力,不能描述屈服后流动状态下的剪应力。考虑到在外加磁场作用下,铁磁性颗粒不可能全部沿磁场方向排列为规则的直通链,不可避免地存在少数颗粒的排列方向不沿磁场方向,因此彭向和等假设偶极子链与磁场方向间夹角的分布规律服从正态分布,提出了描述不同剪应变和剪应变率下磁流变液剪切应力的表达式[27,28]。龚兴龙等也假设磁流变弹性体中颗粒链的分布满足一定规律,通过统计分析得到了相应的应力表达[29]。

3.2 结构模型

单链模型适合于颗粒体积分数和磁场强度不高的情况,因为高浓度、高磁场强度下单链会聚集在一起,磁流变液的微结构呈柱状或更复杂的形状。因此,研究者建立了相应的结构模型。Gross分析了体心立方结构和面心立方结构的能量,认为体心立方结构的能量小于面心立方结构的能量[19]。朱应顺等建立了体心立方结构下的剪切应力表达式,发现当颗粒体积比浓度较小时链状结构比柱状结构具有更高的剪切屈服应力,而当颗粒体积比浓度较大时柱状结构优于链状结构[30]。Gong等也分析了磁流变弹性体中颗粒呈层状和体心立方结构时的应力[31]。Li等利用含3类链的典型粗柱结构,从能量耗散角度分析了磁流变液的蠕变与回复特性[32]。

3.3 连续场模型

单链模型和结构模型都是基于铁磁颗粒的受力,系统是离散的颗粒。连续场模型则假设悬浮相颗粒是连续体,视为均匀的板(二维)或者柱(三维),计算磁流变液的屈服应力。

Tang等假设磁流变液在二维状态下由很多平行板组成,得到磁流变液的平均剪应力[33,34]:

式中:μ0=4π×[7,10]H/m为真空磁导率,χ‖和χ⊥是平行和垂直于板的磁化率,H0为外加磁场,α为板与磁场的夹角。Tang等进一步假设磁化颗粒在三维模状态下聚集呈圆柱状,两端连于极板,得到了磁流变液三维状态下的屈服应力。此模型可分析颗粒的堆积密度、磁饱和颗粒间的作用等因素对屈服应力的影响。Rosenweig提出了平均场连续模型,运用Maxwell应力张量和非对称应力分析,得到了无退磁条件下的流变液静态屈服应力[17]。Lemaire运用虚能原理计算了类似的问题[35]。Zhu等基于稀磁流变液中形核控制结构演化的模型,分析了磁场强度、渗透性和表面张力的影响以及柱结构的生长、柱间间隔的磁场强度和体积分数的依赖性[2]。

4 磁流变液行为的数值模拟描述

宏观本构描述基于现象学模型,微观分析描述则需对微结构简化处理,从数值模拟角度研究悬浮颗粒在外加磁场下的极化及相互作用是描述磁流变液行为的另一途径,它可以更全面地考虑磁流变液的组成和结构,深入地揭示颗粒间、颗粒与其它因素间的相互作用,获得更符合实际的微结构和磁流变液的宏观响应特性。由于实验研究仅能探测少量参数,理论分析必须依赖简化的模型,而数值模拟分析可用更多变量去模拟磁流变效应,得到有实际价值的信息。运用质点动力学模型进行数值模拟分析,不仅可以描述磁流变液的剪切应力,还可以观测结构的动态演化,得到对磁流变机理的新认识。

4.1 二维结构模拟

李海涛等模拟了二维状态下颗粒成链及其剪切流动过程,得到了流动时磁流变液的剪切应力,发现剪切时存在旧链断裂和新链形成,并模拟了高剪切速率下微结构的演变过程,发现新链形成速度小于旧链断裂速度,出现剪应力下降现象[36]。Ly等采用快速多极法,忽略布朗热运动的影响,运用牛顿第二定律,考虑粘性力、磁力、排斥力,模拟了磁流变液在不同颗粒体积分数下的微观结构[37]。杨仕清等采用Monte Carlo方法和Metroplis算法,从磁流变液中各种相互作用势出发,模拟了100个铁颗粒在二维正方形体系中的场致微结构变化[38]。

4.2 三维结构模拟

稳恒静态磁场条件下,Climent等模拟了颗粒成链的三维演化过程,发现磁场达到一定强度后,颗粒克服热运动的影响开始成链,随着时间的延长,链和颗粒相互作用形成更长的链状结构,链的长度与时间呈幂律关系[39]。Scherer等模拟了表面裹覆聚合物的铁磁颗粒在磁场作用下的链化形态[40]。Martin等模拟了磁流变液在磁场中的微观结构,施加剪切运动,发现链状结构变成沿剪切方向的带状结构,并得到了剪应力和Mason数的关系[41]。

旋转动态磁场条件下,Murashov等运用分子动力学和布朗动力学,模拟了强相互作用对磁流变液的影响,发现旋转磁场能诱导磁流变液的空间分层[42]。Melle等模拟了旋转磁场下的磁流变液行为,发现颗粒链也随磁场发生转动,磁场旋转频率逐渐增加,链的长度因阻力的影响逐渐变短[43]。张培强等模拟发现,在旋转平面内结构呈盘状聚集,其垂直平面内呈层状聚集,并解释了成因[44]。王瑞金分析了旋转磁场下不同Mason数对应的磁流变液聚合链形态[45]。

5 展望

目前,国内磁流变液的研究主要集中在器件设计和材料研发方面,且多数处于试验阶段,特别是在市场应用上与国外相比还存在差距。而要缩小差距,高性能磁流变液的配置至关重要。磁流变液的剪切强度、抗沉降性、零场粘度、稳定性、颗粒耐磨性等因素直接决定磁流变器件的性能。所以除了需要不断完善实验手段外,还需要对磁流变液的微观机理和行为描述作出更深入地研究。现阶段,理论研究虽取得了很大进展,但由于磁流变液组成成分的复杂性和影响因素的多样性,目前的模型还不能非常准确地预测磁流变行为,并且对磨损导致的颗粒表面质量劣化、高温导致的材料变化机理等方面涉足较少,所以,亟待深化理论研究,促进磁流变理论更为成熟得发展。

摘要：概述了解释磁流变液链化机理的3种理论即磁畴理论、相变理论和偶极矩理论,以及链化机理的定量分析和数值模拟。同时介绍了3种描述磁流变液行为的理论方法和途径即宏观本构描述、微观分析描述和数值模拟描述。上述磁流变液的基础理论研究对优化磁流变材料的配置和设计高性能磁流变装置具有重要意义。

磁流变液制动器第5篇

1 磁流变液及磁流变液技术研究状况

磁流变液的主要组成分为软磁性颗粒、载液、稳定剂。根据组成和性能的不同,可将磁流变液分为微米磁性颗粒-非磁性载液型,纳米磁性颗粒-非磁性载液型、非磁性颗粒-磁性载液型、磁性颗粒-磁性载液型磁流变液[1]。软磁性颗粒主要有铁钴合金、铁镍合金、羟基铁等,使用最多的是羟基铁粉。它们具有高饱和磁化强度、高磁导率、低磁矫顽力、体积小、内聚力小等特点。可用来作为载液的液体有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等,载液应该具有温度稳定性好、化学稳定性好、挥发低、不会造成污染等特点。稳定剂一般是添加表面活性剂(油酸)或保护性胶体物质(如硅胶、硅氧化物等),它的作用是防止磁性颗粒沉淀及不可逆转的海绵状絮凝。

1.1 国外在磁流变液及应用上的研究

美国对磁流变液的研究较早,在技术上也较为成熟和全面。美国LORD公司在磁流变液性能研究和应用开发方面有很多成果,并将磁流变液商品化,该公司开发的磁流变液MRX-126PD,已用于大型载货汽车半主动悬架减振系统的磁流变减振器中[2];德国BASF公司的Kormann等人已研制出了稳定的纳米级磁流变液[3]。

1.2 国内对磁流变液的研究现状

国内对磁流变液的研究还处于初级阶段,但也取得了很多成果。如曹真等人采用水热法以简单原料一步合成出Fe_3O_4/PMMA纳米复合材料,并由合成的复合粒子制备得到具有较高剪切屈服应力和储能模型的磁流变液[4];李金海等人对磁流变液的配制及其流变模型的研究,其配制的磁流变液与美国商品化磁流变液性能相当[5];装甲兵工程学院技术保障工程系的张进秋等人根据履带车辆的使用环境,分析了履带车辆专用MRF的特定要求,配制了悬浮稳定的履带车用磁流变液[6]。武汉理工大学与江苏天匀新材料有限公司合作,程海斌等人研制了一种稳定的水基磁流变液,该磁流变液由磁性粒子60～90份,水基复配载液10～40份,添加剂1～10份组成,可用于磁流变抛光、土木工程和汽车的磁流变液减振器等[7]。

2 磁流变液减振系统

在车辆悬架中根据作动力的不同可以将悬架分为被动悬架、主动悬架和半主动悬架。被动悬架是传统悬架,它的结构简单,应用广泛,但总不能同时满足乘坐舒适性和操作稳定性,只能进行折衷;主动悬架可以实现阻尼控制但需要消耗大量的能量,结构复杂;半主动悬架是一种处于二者之间的性能比较好的减振系统,它可以以接近被动悬架的成本,达到接近于主动悬架的性能,其耗能远少于主动悬架系统,并且具有一定的失效保护性。三种悬架减振系统的机构如图1,半主动悬架减振系统工作原理图如图2所示。

m1-车桥、车轮等簧下质量;m2-车身、货物等簧上质量;k1-轮胎等效刚度;k2-悬架弹簧刚度;c2-悬架减振器阻尼系数;h-路面不平度;z1-簧下质量位移;z2-簧上质量位移

m1-非悬架质量;m2-悬架质量;kt-轮胎刚度;ks-悬架刚度;Cs-阻尼器的阻尼系数;Fd-可控磁流变阻尼力

3 磁流变液技术在载重汽车上的应用研究

载重汽车尤其是在矿区使用的矿用载重汽车,在装载行驶过程中将受到剧烈的冲击振动,而且有时路况改变得很严重,这些对汽车悬架装置和车架都会产生很大的作用力,此时为增加其行驶的平顺性和操作的稳定性,要求对路面作用力进行缓冲,传统上采用的是钢板弹簧作为弹性元件减振,并有辅助减振器,但是其减振器阻尼或弹性元件不可进行实时调节,采用磁流变液半主动悬架系统根据传感器所提供的信息,通过控制电流的大小实现对磁流变阻尼力的控制,进一步提高操作的稳定性和行驶平顺性。

3.1 载重汽车上磁流变减振器的基本结构

载重汽车磁流变半主动悬架减振系统是通过DSP进行控制的减振系统,主要由钢板弹簧、磁流变减振器、加速度传感器、DSP芯片等组成。其中磁流变减振器的基本结构如图3所示。磁流变减振器由工作缸、活塞杆、线圈、阻尼间隙、磁流变液等组成,活塞将工作腔分为上下两腔,电磁线圈绕在活塞内部,通过活塞杆引出,通入不同的电流产生相应的电磁场,这样磁流变液的流变特性会发生相应的变化从而实现对阻尼力大小的控制。

3.2 磁流变液技术在载重汽车上的应用与现阶段的不足

美国LORD公司开发的流动模式汽车座椅悬架减振器已用在大型载重汽车司机座椅半主动减震系统中,大大减少卡车司机在路面状况恶劣尤其是在矿区道路上行驶时的危险性,提高了汽车行驶平顺和操作的稳定性;LORD公司自制的磁流变液采用单出杆活塞缸结构,设计了一款用于大型载货汽车半主动悬架减振系统中的磁流变减振器[2]。Delphi公司的MagneRide是一种高性能、半主动悬架控制系统,它以来自监测车身和车轮运动传感器的输入信号为基础,作出实时响应,MagneRide是汽车产业首次采用不带机电控制阀和不使用小运动部件的半主动悬架系统,由以磁流变液介质为基础的单筒减振器、传感器和车载控制器构成,可以提供快速、平顺和连续可变的阻尼力,使车辆减少车身振动和增加轮胎与各种路面的附着力,使驾驶者能获得更好的行驶性能、安全性、舒适性和可靠性[9]。国内,在矿用载重汽车上的应用仅处于研究试验阶段,因此磁流变液减振系统在矿用载重汽车上的应用还处于初级阶段,但其良好的性价比和人们对汽车性能要求的日益提高,将会使磁流变技术在载重汽车行业中得到广泛的应用。

但是目前还存在一些技术问题需要改进:

(1)磁流变液减振器需要较高的沉降稳定性,这样才能具有较好的磁流变液性能,但普遍存在的沉降问题严重影响减振器的性能,沉降问题有待进一步解决;

(2)磁流变液减振器在工作时易泄漏,难密封,其漏磁现象也比较严重,对于磁流变减振器的性能造成一定的影响;

(3)磁流变液减振器在工作时散热也不太理想,会增加磁流变液的工作温度,所以要求磁流变液具有较为广泛的温度适应性;

(4)将磁流变减振器安装在载重汽车上进行试验时,响应情况不理想,往往得不到相应的响应。

磁流变液技术已经成为现阶段在国内外相当成熟的技术,将磁流变液减振器应用在载重汽车中将会有一个良好的应用前景。

摘要：介绍了磁流变液的基本组成和工作原理,以及磁流变液技术国内外的应用现状,分析了磁流变液减振系统,设计了磁流变液减振器的结构,阐述了磁流变液技术在载重汽车上的应用前景、应用现状及现阶段的不足。

关键词：磁流变液,减振器,应用前景,应用现状,不足

参考文献

[1]汪建晓,孟光.磁流变液研究进展[J].航空学报,2003,23(1):6-12.

[2]朱华.半主动悬架的研究现状与发展趋势[J].技术与应用,2009,18(5):33-35.

[3]Kormann C,Laun H M,Richter H J.MR fluids with nano-sized magnetic parti-cles[J].International Journal of Modern Physics B,1996(10):3167-3172.