磁流变离合器文献综述

离心式磁流变离合器的分析与设计

1.1引言

磁流变液(Magnetorheological fluids，简称MRF)是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。在磁场的作用下，它能在液态和类固态之间进行快速转化，同时转化的过程是可控、可逆的。目前其主要应用领域为机械、交通、舰船、航天、车辆、建筑等军用和民用等行业。但是磁流变液及其磁流变液器件发展到现在还有许多的难点和不足，它的应用有待于进一步开发研究。已有的动力学模型研究成果存在关系式复杂、物理意义不明确及关键参数较难确定的问题；在磁流变液阻尼器磁路方面的设计研究仍不够成熟，磁路及结构设计有待进一步优化；阻尼器动力学模型需建立更简洁，便于控制应用的模型；阻尼器结构设计存在尺寸与效率优化问题等等。基于更全面地跟踪和了解磁流变液及其应用研究发展趋势的目的，归纳梳理磁流变液与所面临的亟待解决的问题、当前研究的热点问题以及最新研究进展

1.2研究现状

1.2.1磁流变液的研究现状

1948年Rabinow发现磁流变效应【1】，并最早发明了磁流变液并设计了磁流体离合器。但是由于为产生磁场所需的线圈体积大，增加重量，磁流变液的应用受到了限制；而电流变液所需的电场则较容易实现。同时，磁流变流体的总响应时间受上升时间f=L／R(L一～线圈的电感，R一一线圈的电阻)的限制，处于10。1-10一s范围内，而电流交流体的总响应时间可达ms级。故在随后的研究中，人们对电流变材料及其应用的研究给予了极大的关注，电流变学得到了飞速的发展，各种不同母液和悬浮微粒的电流变材料相继研究成功，之后人们又研究成功了一些电流变器件。进入二十世纪八十年代初期，随着智能材料和结构系统的问世，电流变学的研究取得了可喜的成就；涌现出不少有关电流变材料和电流变器件的专利，并对一些应用领域研制了专用的电流变器件。

在这个时期，磁流变技术一直处于停滞不前的状态，很少引起人们对此领域的关注，直到上世纪八十年代末期，学者们相继发现电流变材料的剪切应力小，要求的电源电压较高等等一系列技术问题一直无法解决，因而自1990 年以来磁流变液才重新引起了研究者们的兴趣

。磁流变液的屈服应力，适用温度范围，稳定性等都大于电流交液。

后来，学者们加大对磁流变液研究，并取得一系列成果。白俄罗斯学者Shulman．Z．E和Kordonsky．W．I．在磁流变材料研究中取得较大进展，随后美国Lord公司、Ford汽车公司、Dephi公司、德国的BASF公司都开展了磁流变材料的研究工作，并取得了可喜的进展。目前已有商业化的磁流变液问世，各国学者的研究工作使人们进一步了解磁流变材料的流变机理和宏观特性，为磁流变学的研究奠定了坚实的基础。美国Lord公司进行了开创性的工作，该公司先后报道了多种合金制备的磁流变体，所采用的悬浮相为铁一钴合金、铁一镍合金、铁一钴一钒合金等超细粉末。实验结果表明：当固体悬浮相的体积比为0．25时；在70000e的磁场强度作用下，这些磁流交液的剪切屈服应力可达50KPa【2】。美国Ginder，J M，Davis LC等人对磁流变液的屈服应力进行了有限元分析【3】。德国BASF AG已研制出了稳定的纳米级磁流变液【4】。法国Nice大学在磁流交液的机理研究，特别是在微观结构分析方面做出了很多工作，得出研究结果表明：

在剪应力作用下磁场中的磁流变体由六方密排向层状结构转变，发生该结构的转变的临界应变为0．1 5【5】。美国福特汽车公司的Ginder 和Davis【6( 1994) 以及南伊里诺大学的美籍华人陶荣甲等人分别用有限元和数学分析的方法分析了磁场与剪切屈服强度的关系。他们的研究表明: 磁流变液处于低场强时其屈服

应力(H 0 为外加磁场场强) ; 高场强时, ; 而在粒子饱和时( 磁饱

和磁矩为Ms) , , 其抗剪模量也有相应的关系, 该实验小组给出了羰基铁作为磁流变液悬浮颗粒的实验验证数据。Tang 等人以及Jolly 等对磁流变液的

理论屈服强度也利用成链理论做了一些数值分析。美国通用汽车公司

Foister 和Gopalsw amy 等人研制了磁流变液及磁流变离合器【7-8】。Kordonski 等人在磁流变液的性能以及磁流变抛光、密封等应用研究方面取得了重大进展【9】

我国对磁流变液的研究起步较晚, 自1996 年之后才有相关文献发表。目前已经在材料制作和流变机理和工程应用方面取得了一定的成就。中国科学技术大学【10】新鲁对磁流变液的机理及阻尼器的性能进行了研究; 金昀研制了两套磁流变液屈服应力测试系统【11】陈祖耀等人用新方法制备了超细磁性粉末和磁流变液;复旦大学【12 】潘胜、Jiang 等人研制了磁流变液及测量仪器，国内研究磁流变液的单位还有电子科技大学【13】尔滨建筑大学【14】北工业大学【15】庆大学、上海交通大学【16】重庆理工大学等等

1.2.2离合器的研究现状

在早期研发的离合器结构中，锥形离合器最为成功。它的原型设计曾装在1889年德国戴姆勒公司生产的钢质车轮的小汽车上。它是将发动机飞轮的内孔做成锥体作为离合器的主动件。采用锥形离合器的方案一直延续到20世界20年代中叶，对当时来说，锥形离合器的制造比较容易，摩擦面容易修复。它的摩擦材料曾用过驼毛带、皮革带等。那时也曾出现过蹄-鼓式离合器来替代锥形离合器。该结构采用内蹄-鼓式。这种结构型式有利于在离心力作用下使蹄紧贴鼓面。蹄-鼓式离合器用的摩擦元件为木块、皮革带等，蹄-鼓式离合器的重量较锥形离合器轻。无论锥形离合器或蹄-鼓式式离合器，都容易造成分离不彻底甚至出现主、从动件根本无法分离的自锁现象（当时所提供的材料符合体的摩擦系数变化很大，容易引起自锁）。现今所用的盘式离合器的先驱是多片盘式离合器，它是直到1925年以后才出现的。多片离合器最主要的优点是，在汽车起步时离合器的接合比较平顺，无冲击。早期的设计中，多片按成对布置设计，一个钢盘片对着一青铜盘片。采用纯粹的金属对金属的摩擦副，把它们浸在油中工作，能达到更为满意的性能。

在1920年出现了单片干式离合器，这和发明了石棉基的摩擦面片有关。但在那时相当一段时间内，由于技术设计上的缺陷，造成了单片离合器在接合时不够平顺等问题。第一次世界大战后初期，单片离合器的从动盘金属片上是没有摩擦面片的，摩擦面片是帖附在主动件飞轮和压盘上，弹簧布置在中央，通过杠杆放大后作用在压盘上。后来改用多个直径较小的弹簧（一般至少6个），沿着圆周布置直接压在压盘上，成为现今最为通用的螺旋弹簧布置方法。这种布置在设计上带来了实实在在的好处，使压盘上弹簧的工作压力分布更均匀，并减小轴向尺寸。多年的实践经验和技术上的改进使人们逐渐趋向于首选单片干式摩擦离合器，因为它具有从动部分转动惯量小、散热性好、结构简单、调整方便、尺寸紧凑、分离彻底等优点，而且由于在结构上采取一定措施，已能做到接合平顺，因

此现在广泛用于大、中、小各类车型中。

如今单片干式摩擦离合器在结构设计方面相当完善。采用具有轴向性的从动盘，提高了离合器的接合平顺性。离合器从动盘总成中装有扭转减振器，防止了传动系统的扭转共振，减小了传动系噪声和动载荷。

虽然上述的离合器设计较之前的完善，但随着社会的发展，人们对汽车的要求也就随之提高，比如传统的离合器反应慢，有冲击及噪声，发热严重，控制不便，传递力矩不大（重卡）等等缺陷

1.2.3离合器和磁流变液相结合的研究现状

国内将二者结合研究的还不是很多。郭崇志、万志维应用有限元数值分析, 建立了不同间隙下的有限元分析模型, 分析了圆盘式磁流变液传动器件在不同电流下磁感应强度沿半径方向的分布, 通过对数据结果进行分析、处理和拟合, 确定了磁感应强度和半径之间的关系。并将拟合的表达式带入转矩的计算表达式, 最终得出了不同电流下输出转矩和间隙之间的曲线。根据转矩与间隙之间的关系, 分析了间隙和电流的变化对磁流变液传动的影响, 最后得到了根据电流和间隙计算传动转矩的简单经验关系式, 误差分析表明所提出的经验公式对于工程应用具有足够的精度【17-19】，不过，郭崇志、万志维等人没有分析在相同磁流变液的情况下，不同间隙工作状况下的间隙。杨延荣等人分析了磁流变离合器的工作原理,针对一种圆盘式磁流变离合器模型,进行了离合器磁路的设计计算。应用Ansys软件进行了离合器的磁路建模和仿真分析,结果表明,设计的磁路满足要求,并拟合出了励磁电流与工作间隙中磁感应强度和离合器传递力矩的关系曲线,为进一步进行磁流变液离合器的结构设计提供参考【20】。麻建坐等人介绍了圆筒式磁流变离合器的工作原理,基于Bingham模型描述了磁流变液的流变特性,分析了磁流变液在两圆筒间的流动,得到了磁流变液的流速和离合器传递转矩的方程. 研究结果表明,磁流变液在离合器中的流动是黏塑性流动,随着外加磁场的增加,离合器中的磁流变液的屈服与未屈服分解面向两表面靠近,磁流变液传递转矩的能力增大【21】。基于以上的研究，各学者都是从某个方向的研究，如果结合转矩，间隙，磁路等等一起研究并再优化，这个也是值得去研究的

小结：

磁流变液的研究已经有50 多年的历史, 在材料性能、机理及应用均取得了很大的进展, 可以说磁流变液的应用前景是十分广阔的。然而, 对于这种新型智能材料研究目前还处在实验室阶段, 许多应用目前还只是构想, 与国外还存在很大

的差距。相信随着对磁流变液及其器件研究的不断深入, 将会有更多、性能更加优良的磁流变装置相继问世并商品化并得到更为广泛的应用。此外，商业化的磁流变液价格偏贵也会制约其推广应用，进一步提高其性价比也是值得做的

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