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智能 材料 汽车 冷却系统 中的 应用 设计

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智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计,智能,材料,汽车,冷却系统,中的,应用,设计

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目 录一、绪论11.1发动机冷却系统11.1.1发动机冷却系统的功能11.1.2冷却系统调节的工作原理11.1.3冷却系统调节的主要途径21.2目前风扇离合器及存在的问题31.3磁流变液离合器31.4本课题的主要工作4二、磁流变液52.1磁流变液的组成52.1.1磁性颗粒52.1.2载 液62.1.3添加剂62.2磁流变液的性能72.2.1磁流变液的性能要求72.2.2 磁流变液的物理性能72.2.3磁流变液的化学性能82.2.4磁流变液的力学性能82.2.5磁流变液的质量因数102.2.6几种磁流变液的性能112.3磁流变效应152.3.1 磁流变效应的特征152.3.2 磁流变效应的机理152.3.3磁流变液的磁畴理论162.3.4磁流变液的链化模型172.3.5影响磁流变效应的因素182.4磁流变液应用于离合器22三、圆筒式磁流变离合器233.1圆筒式磁流变离合器工作原理233.2圆筒式磁流变离合器理论分析233.2.1 数学模型233.2.2 流动分析25四、磁流变离合器设计294.1磁流变离合器的失效形式和设计准则294.1.1最大有效转矩294.1.2粘塑性滑动和打滑294.1.3失效形式304.1.4 设计准则304.1.5圆筒式磁流变离合器的关键尺寸304.2圆筒式磁流变离合器的设计方法324.2.1原始数据及设计内容324.2.2设计方法324.3圆筒式磁流变离合器设计334.3.1圆筒式磁流变离合器结构334.3.2圆筒式磁流变离合器设计计算35结束语45致 谢46参考文献47附录 英文文献翻译4857智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计摘要由于冷却水温与发动机的许多工作性能有着直接或间接的关系，如果冷却水温保持最佳的温度范围内，不仅可以提高发动机的动力性、减少废气的产生、还可以减少燃料消耗量、增强发动机工作平稳性。磁流变液 (MRF)是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料，它在无外加磁场作用时呈现牛顿流体的流动特性，然而在强磁场作用下，其表观粘度可在毫秒级的短时间内增加几个数量级以上，并呈现类似固体的力学性质，而且粘度的变化是连续、可逆的，即一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。圆筒式磁流变离合器是一种利用磁流变液剪切应力来进行离合的一种装置，它传递的力矩随外加磁场的变化迅速变化。在没有磁场作用的情况下，磁流变液处于液体状态，离合器的离合力矩仅为粘性阻力。当有一个外加磁场作用时，磁流变液中的极性粒子马上被极化并沿着磁力线方程成链状分布。这种链状结构就使磁流变液的剪切应力增大，表现出塑性体的特性，因此离合器就可以传递一定的力矩。力矩的大小可以通过调节磁场强度的大小来控制。磁流变离合器具有传动平稳、均衡、结构简单、紧凑、操作简便、能耗低、寿命长等优良性能。本文首先对磁流变液的材料及流变特性进行了介绍，对磁流变液本构模型进行了分析。对磁流变液的传力方式进行了讨论，并根据剪切模式建立了磁流变液的传力模型，完成了圆筒式磁流变离合器的设计，得出了基本设计公式。关键词：冷却系统；磁流变液；离合器；传力模型；几何设计方法The Intelligent Material Is Used For Car Cooling System Of Application And DesignABSTRACT Its well known that cooling water temperature is very important to diesel engine.If cooling water temperature can keep in the optimal ange of cooling water temperature, diesel engines power can be improved,and less exhaust gas produced, reduce fuel wastage and engine work more calmly. Magnetorheological(MR) fluids consist of stable suspensions of particles in a carrying fluid such as silicone oils, responding to an applied magnetic field in their rheological behavior. In the absence of applied magnetic field, MR fluids exhibit Newtonian-like behavior. Upon application of a magnetic field, the suspended particles in the MR fluids become polarized and aligned in the direction of the magnetic field. The fluids behave as a semi-solid having a controllable yield stress . An MR fluid clutch device achieves braking by shear force of the MR fluid.An MR fluid clutch has the property that its torque changes quickly in response to an extenral magnetic field.In the absence of an applied magnetic field,the torque is the viscous force of MR fluids in liquid state.When the external magnetic field is applied,the suspended particles in the MR fluids become polarized and gathered to form chain-like structure. These chain-like structures restrict the movement of the MR fluids,thereby increasing the yield stress of the fluids.The clutch can be achieved by utilizing the shear stress of the MR fluids.The torque can be adjusted continuously by changing the magnetic field strength.In this paper,the rheological behavior of MR fluids are introduced and the constitutive equation is analyzed, then, the design method of the MR fluids clutch is investigated theoretically.The equation of the torque transmitted by the MR fluids in the clutch is derived to provide the theoretical foundation in the design of the clutch.Keywords: Cooling System;Magnetorheological fluids(MRF);clutch;mechanical mode;geometric design method一、绪论1.1发动机冷却系统1.1.1发动机冷却系统的功能发动机冷却系统对发动机整体性能及可靠性、耐久性有很大影响。发动机运转时，与高温燃气相接触的零部件（如气缸盖、气缸套、活塞、气门等）受到强烈的加热，它的强度下降，而且热应力很大。如果发动机得不到充分冷却，即过热，会产生很多不良后果。如:机械强度降低，甚至可能出现热变形，破坏零件之间的配合间隙，引起零件强烈磨损，严重时，还可能发生零件断裂事故.高温也会引起气缸壁机油变质，使之失去润滑性能，甚至结焦。高温还会引起发动机充气系数下降，使其功率降低。另外，气缸套和活塞的最大热负荷受润滑条件的限制，温度超过240C，就会因机油碳化，使活塞环胶结失去弹性并刮伤缸壁，磨损加剧;轻金属活塞的热应力是受温度制约的，随着温度的增加，铝合金的强度将很快降低，温度达到380-500以上，就不可能保证可靠运转。反之,冷却系统的冷却能力过强，也是非常有害的。发动机过冷，散热损失的热量多，发动机工作的热效率低，功率下降而耗油增加:零件过冷，膨胀量不足，相互之间的配合间隙大，零件在运动过程中相互碰撞，运转噪音增大且加快磨损速度:冷却温度低，会恶化混合气的形成和燃烧，使发动机工作粗暴，增加机油粘度和摩擦功率1。因此，冷却系统的重要作用是使发动机尽快升温，并使其保持恒温：将受热零件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下工作。冷却系统既要防止发动机过热,也要防止冬季发动机过冷。在发动机冷起动之后,冷却系统还要保证发动机迅速升温,尽快达到正常的工作温度1.1.2冷却系统调节的工作原理目前汽车发动机多采用强制循环水冷系统。发动机气缸盖和气缸体中都有水套。水泵将冷却水从机外吸入加压，使冷水在水套内流动，带走邻近部件的热量。冷却水吸热后自身温度升高，进入车前端的散热器(水箱)内。由于汽车前进和风扇的抽吸，外界冷空气通过散热器，带走散热器内冷却水的热量并送入大气。当散热器中的冷却水得到冷却后，在水泵的作用下，再次进入水套.如此循环不断地冷却了发动机的高温部件。 图1.1冷却系统的图解：管道系统是如何连接的1.1.3冷却系统调节的主要途径现代汽车一般都采用改变通过散热器的空气量或改变冷却水的流量来控制冷却的效果。一是调节冷却风量。冷却风扇的转速与风量成正比;而风量与风速成正比例关系。在发动机稳定运行状态，风速与单位时间散热量成正比;而散热量与冷却液的温度变化值(即温度差)成正比.因此，通过控制冷却风扇的转速可以控制冷却液的温度。在发动机稳定运行的状态下，风扇转速升高，单位时间内的散热量增多，会降低冷却液温度;风扇转速降低，单位时间内的散热量减少，会提高冷却液温度。二是调节冷却水流量。目前调节水温流量主要通过节温器来实现。节温器通常安装在发动机冷却水出口与散热器之间的管段上，其作用是根据冷却水的温度，改变冷却水在水系中的循环路线，控制通过散热器冷却水的流量，调节冷却强度，以确保发动机在最佳温度范围内工作。另外，通过改变水泵的转速可以改变冷却水的流速，即改变冷却水的流量；而冷却水的流量与散热能力成比例关系.因此，可以通过改变水泵的转速来调节冷却能力。风速是决定散热器散热能力的主要因素.散热器前风速主要取决于风扇的转速，亦即取决于发动机转速。当发动机大负荷工作时，风扇转速下降，散热器冷却能力降低2。1.2目前风扇离合器及存在的问题 气动风扇离合器3与汽车压缩气体供给系统相连，利用压缩气体做动力使离合器接合，离合器分离则靠弹簧力。电磁风扇离合器依靠电磁力接合离合器，断电则分离离合器。这两种离合器风扇转速不可调，风扇只能运行或者关闭。因此控温不理想、节油效果不好、噪声大。但结构简单、成本较低。继续改进例如气动风扇离合器贮气筒经过供气管路中的一只电磁阀向离合器供气等；电磁风扇离合器做成有刷式。这些措施可以改良冷却性能却导致装置复杂、可靠性变差以及成本升高。目前对冷却系统的控制多由硅油风扇离合器控制冷却风扇转速实现硅油风扇离合器是一种以硅油为传递介质，并由散热器后面气流温度控制的液力传动离合器。它由感温元件随发动机的温度变化调节主、从动盘之间硅油注入量来控制和调节风扇的旋转速度。发动机温度升高，风扇转速上升，冷却效果增大；反之，转速下降，冷却效果减小。该风扇离合器可随发动机的温度高低来调节风扇的转速，使风扇风量去适应发动机的负荷，使发动机保持在合适的温度下工作，从而达到延长发动机使用寿命、降低噪声和减少发动机功率损失的作用。但是它不是一个真正的离合器，它由输入输出部件之间硅油的剪切作用提供转矩，既不能锁紧成1:1的同步传动，又不能完全的分离。这使得输入输出之间总存在一定的转速差，一般输出转速为输入转速的30 %90 %。虽然传统的硅油风扇离合器理论上输出的转速无级可调，但由于其结构相对复杂，调速灵敏性不高，温度变化时风扇转速变化不能及时跟上，不能准确地控制发动机的冷却状态，且增加了燃油的消耗。因此，研究新型风扇离合器，设计一种结构比现有硅油风扇离合器更简单，且能够准确控制发动机冷却状态的新型风扇离合器就显得非常必要。1.3磁流变液离合器美国学者Rabinow4在1948年发明了磁流变液及磁流变离合器，并在1915年申请了磁流变液传递转矩器件的专利5.从50年代到80年代，磁流变液发展一直非常缓慢。进入90年代，磁流变液的研究重新焕发了生机;特别是，自1995年起，两年一届的国际电流变液会议也易名为国际电流变液与磁流变液会议6-8，促进了磁流变液和磁流变器件的研究和开发。磁流变液(MRF)是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料，它在无外加磁场作用时呈现牛顿流体的流动特性，然而在强磁场作用下，其表观粘度可在毫秒级的短时间内增加几个数量级以上，并呈现类似固体的力学性质，而且粘度的变化是连续、可逆的，即一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。磁流变液9作为一种新型的智能材料，它的表观粘度和屈服应力可用外加磁场连续调控。基于这一特性设计成的磁流变器件具有响应时间快、结构简单和能耗低等一系列优点。这使磁流变液在工程技术领域具有广泛的应用前景10-16。磁流变液在离合器中的应用是充分利用磁流变液在外加磁场作用下能产生磁流变效应的特长和传统的机械设计方法，去开拓为实现规定功能的磁流变液离合器新装置和新产品。尽管机械设计方法是一种传统的方法，但是开发利用磁流变效应而构思的磁流变液离合器，则充分考虑了磁流变效应以及其工作介质 磁流变液体的某些特殊条件。利用磁流变液体在外加磁场作用下产生的磁流变效应1718使磁流变液能够用于离合器的主要依据是: 磁流变效应能够使磁流变液体的表观粘度在一定的条件范内实现连续变化，此变化可以控制并且可逆。 磁流变效应能够使磁流变液体在外加磁场作用下，具有一定的屈服强度，并且随着外加磁场强度的增加，磁流变液体的屈服强度增加，即磁流变液体的屈服强度可由外加磁场连续调控。 磁流变效应能够使磁流变液体，在一定条件下由液态变成固态，使其失去动流性。 磁流变效应的响应时间非常短，响应速度快。 实现磁流变效应的能耗低。 控制磁流变效应的信号容易获得，即通过外加磁场强度。 易与计算机技术结合实现智能控制，进行智能机械开发。磁流变液离合器是一种利用磁流变液剪切应力来进行离合的一种装置，它传递的力矩随外加磁场的变化迅速变化。在没有磁场作用的情况下，磁流变液处于液体状态，离合器的离合力矩仅为粘性阻力。当有一个外加磁场作用时，磁流变液中的极性粒子马上被极化并沿着磁力线方程成链状分布。这种链状结构就使磁流变液的剪切应力增大，表现出塑性体的特性，因此离合器就可以传递一定的力矩。力矩的大小可以通过调节磁场强度的大小来控制。磁流变离合器具有传动平稳、均衡、结构简单、紧凑、操作简便、能耗低、寿命长等优良胜能。1.4本课题的主要工作本文首先对磁流变液的材料及流变特性进行了介绍，对磁流变液本构模型进行了分析。对磁流变液的传力方式进行了讨论，并根据剪切模式建立了磁流变液的传力模型，得出了基本设计公式，完成了圆筒式磁流变离合器的设计。二、磁流变液磁流变液是将微米尺寸的磁极化颗粒分散溶于绝缘载液中形成的特定非胶性悬浮液体，因而其流变特性随外加磁场变化而变化。未加磁场时，磁流变液的流变特性与普通牛顿流体19相似，若加一中等强度的磁场作用时，其表观粘度系数增加两数量级以上，当磁流变液受到一强磁场作用时，就会变成类似“固体”的状态，流动性消失。一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体，这种可逆转变可以在毫秒量级内完成。2.1磁流变液的组成磁流变液21主要由磁性粒子、载液和添加剂三个部分22组成。 图2.1 磁流变液的组成磁性颗粒的关键问题是制作，目前磁性颗粒的制作方法主要有：共沉法、热分解法、超声分解法和沉积法。2.1.1磁性颗粒磁性材料主要是 Fe3O4 、Fe3 N、Fe、Co、Ni等固体微粒，其中磁饱和度最大的微粒是铁钴合金，它的磁饱和度能达到2.4T，但考虑价格问题，实际应用最多的是纯铁粉和羰基铁粉23，磁饱和度为2.1T。其他材料的磁饱和度都比铁粉低。磁性颗粒的直径一般为0.1-100m，常见值为3-5m。只有氧化物颗粒的直径能达到约30 nm , 但是这种氧化物颗粒的磁饱和度较低, 配制的MRF 产生的应力最大约为5 kPa 。磁流变液中的固体颗粒在磁场作用下产生的磁极化，是磁流变液产生磁流变效应的核心。因此，固体颗粒材料的化学性质和物理性质，对磁流变液的性能起着决定作用。根据磁流变效应的机理研究结论，对固体颗粒有以下要求，即:1.在外加磁场作用下，磁性颗粒具有磁化效应;在撤除磁场时，磁性颗粒具有退磁效应。2.磁性颗粒材料的磁导率要大，尤其是磁导率的初始值和最大值必须要大;3.磁性颗粒材料应具有较大的磁饱和强度，从而给磁流变液内的磁性颗粒相互间提供最大能量。4.磁性颗粒材料应能够在足够宽的工作范围内保持稳定的性能;一般要求的.工作范围为-40oC 150oC。5 磁性颗粒与基液的比重要相适应，以防止磁性颗粒在基液中沉淀过快;6.磁性颗粒的大小要适当，形状要合理;磁性颗粒的大小一般在110m范围内，形状一般是球形的，也有椭圆形的;7.磁性颗粒材料应具有稳定的化学性能和物理性能:8.磁性颗粒材料应耐磨、无毒和对其接触材料无腐蚀性。2.1.2载 液载液是磁流变液的主要成分，其性能对磁流变液具有直接的影响24，一般来说，磁流变液的载液应具有如下的特点: 高沸点、低凝固点。这可以确保磁流变液具有较宽的工作温度范围; 适宜的黏度，磁流变液的零磁场条件下应具有较低的黏度, 要求载液的黏度越低越好, 但黏度不能太低，否则沉降稳定性变差。此外，载液还应该具有化学稳定性好、耐腐蚀、无毒、无异味、价格低廉等特点。目前MRF载液主要有以下几类。(1) 非磁性液体基载液主要有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等。为确保颗粒的悬浮稳定性, 并增加整个磁流变液的流变学性质,一般需要使用添加剂, 如加入各种表面活性剂(如油酸)或保护性胶体物质(如硅胶、硅氧化物等),防止磁性颗粒沉淀及不可逆转的海绵状絮凝。绝大部分的研究和应用都使用这种类型的磁流变液。美国Lord材料公司的3种商品化磁流变液是载液分别为合成油、硅油和水的羰基铁粉磁流变液。水基载液可以克服传统有机载液的聚合、老化、细菌繁殖且易燃等特点, 但要加入一些抗沉淀剂、增稠剂或流变改性剂等来使液体变稠以降低颗粒沉降。(2) 磁性液体基载液 即用胶体状的磁流体作为载液(如铁磁流体) , 使磁流变液的屈服应力大为提高。由于载液(磁流体)的密度提高, 使磁流变液的稳定性增强。(3) 特殊型载液由于某种特殊的要求,往往要选择具有特殊性质的载液, 比如既可以导电又可以导磁的载液,将0.150.2mm尺寸的铁磁颗粒(例如含4%Si的硅钢)分散在含有0.5m石墨颗粒的未聚合的环氧树脂基体中可制成多用途磁流变液，这种树脂基体的黏度系数为300Pas(20)。使用高黏度的载液可以有效防止磁流变液的沉降。2.1.3添加剂磁流变液母液的密度一般为1g/cm左右，而悬浮颗粒的密度为 78 g/cm ,由于磁性颗粒的密度远远大于母液的密度而造成的磁性颗粒的沉降一直是很难解决的问题之一。此外，悬浮颗粒的直径一般仅为几个微米，比表面积大,也容易团聚而沉降。目前解决此问题最为有效的方法就是添加不同类型的表面活性剂，一般是亲油基和亲水基这两种性质不同的结构组成的低聚物，它的亲水基可以吸附在磁性颗粒的表面，而亲油基像“鞭梢”一样扩散在母液当中。磁性颗粒吸附表面活性剂以后，由于亲油基的“鞭梢”相互缠绕及排斥，一方面会增加颗粒的体积，减少它们相互吸引碰撞的机会；从而降低由于颗粒与母液的密度差而造成的颗另一方面会在母液内部形成一个相互作用的三维骨粒沉降。2.2磁流变液的性能2.2.1磁流变液的性能要求一般来说，良好的磁流变液必须具备下列性能: 磁流变液所具有的磁流变效应是一种可逆变化，它必须具有磁化和退磁两种过程，这种流体的磁滞回线必须狭窄，内聚力小，而磁导率很大，尤其是磁导率的初始值和极大值必须很大25; 这种悬浮液应具有较大的磁饱和，以便使得尽可能大的“磁流”通过悬浮体的横截面，从而给颗粒相互间提供尽可能大的能量; 这种液体在接上交流电的工作期间内，全部损耗(磁滞现象，涡流等)都应是很小的一个量; 这种液体中的强磁性粒子的分布必须均匀，而且分布率保持不变，这样才能保证其具有高度的磁稳定性能;为了防止磁流变液被磨损并改变性能，液体必须具有极高的“击穿磁场、 一般说来，这种液体的稳定性应不随温度的变化而改变，即在相当大的温度范围内应具有较高的稳定性; 构成磁流变液的原材料应廉价而不是稀少的。2.2.2 磁流变液的物理性能 磁流变液中，颗粒和基础液的比重，特别是混合后两者的比重是否会由于巨大的失配而引起沉淀。 颗粒材料的磁导率，颗粒的大小、形状及分布。 基液的凝固点、沸点和闪点的温度，以及它的粘度和粘温特性。2.2.3磁流变液的化学性能 颗粒、基础液和添家剂的化学成分，以及其分子式和结构式。 颗粒、基础液和添家剂的化学稳定性，它们在储存和使用过程中，是否会发生化学变化，引起性能的变质，特别是氧化、分解等。 使用中是否会产生有害人体和环境的毒性物质。2.2.4磁流变液的力学性能 图 2. 2给出了当温度T、磁流变液中颗粒的浓度C以及剪应变率为常数时，某磁流变液的动态屈服应力与磁感应强度B的关系曲线26, 。 图2.2 与B的关系曲线 图2.3 与B的关系曲线 图2.3给出了当温度T、磁流变液中颗粒的浓度C以及剪应变率为常数时，表观粘度。与磁感应强度B的关系曲线，图中为零磁场强度时磁流变液的粘度。 图2.4给出了当温度T、磁流变液中颗粒的浓度C以及磁感应强度B为常数时，磁流变液的剪切应力与剪应变率的关系曲线。剪切应力随剪应变率的变化而变化的特性称之为流变特性。 图2.4 流变特性曲线 图2.5 粘度特性曲线 图2.5给出了当温度T,磁流变液中颗粒的浓度C以及磁感应强度B为常数时，磁流变液的表观粘度27与剪应变率的关系曲线。表观粘度随剪应变率的变化而变化的特性称之为粘度特性。 图2.6给出了当磁流变液中颗粒的浓度C、磁感应强度B以及剪应变率为常数时，磁流变液的表观粘度与温度T的关系曲线。表观粘度随温度T的变化而变化的特性称之为粘温特性28 图2.7给出了当磁流变液中颗粒的浓度C,磁感应强度B以及剪应变率为常数时，磁流变液的动态屈服应力与温度T的关系曲线。 图2.6 粘温特性曲线 图2.7 与T的关系曲线 图2.8给出了当磁感应强度B、温度T、以及剪应变率为常数时，磁流变液的表观粘度与磁流变液中颗粒的浓度C的关系曲线。 图2.9给出了当磁感应强度B,温度T以及剪应变率为常数时，磁流变液的动态屈服应力与磁流变液中颗粒的浓度C的关系曲线。 图2.8 与C的关系曲线 图2.9 与C的关系曲线 2.2.5磁流变液的质量因数磁流变装置的机械能密度由下式给出 （2.1）式中为机械能密度;为动态屈服应力;为剪应变率。磁流变装置的磁能密度由下式给出 (2 .2)式中为磁能密度:B和H分别是磁感应强度和磁场强度；是在磁流变液流体中形成磁场的特征时间。把机械能密度和磁能密度的比值定义为流体的效率，用表示。 (2 .3) 由以上的推导可以得到以下几个质量因数: (2 .4) 由式可以看出，与体积V成反比,其单位为Pa/s,提高这个质量因数可减小磁流变液的有效体积，缩小装置的尺寸;另一方面，磁能可表示为 (2 .5) 由上式可以看出，体积的减小可降低磁能损耗。对于重要敏感的应用中，可以改变这个质量因数，来克服较大的流体密度，即: (2 .6) 式中为磁流变液的密度，也与磁流变液体积成反比，其单位为m/s3最后，在磁场变化范围很大的应用中，建立在功率基础上的一个无量纲的质量因数由下式给出 (2 .7) 增大这个质量因数将减小磁流变液传动装置的磁能损耗。运用这三个质量因数可以对各种不同的磁流变液的特性进行比较，这对磁流变液的选用提供了很重要的参考价值。2.2.6几种磁流变液的性能 1）MRF-132AD磁流变液MFR-132AD磁流变液可用在多种装置中，例如减振器、制动器、离合器、阀及弹性支座。在没有外加磁场的情况下，MFR-132AD磁流变液很容易地从使用装置的两个固定的或相对运动的圆盘或平板所形成的缝隙中流过。加上磁场后，缝隙内的粒子受到磁极化，这些受到磁极化的粒子沿磁场方向排成一列形成粒子链结构，这种链结构能阻碍磁流变液体在缝隙中流动，并可承受一定剪切力作用。通过改变所加磁场的强度，可以改变粒子间的吸引力，从而可以对MFR-132AD磁流变液体的流变特性进行连续控制。当所加磁场取消后，该液体可以在装置中自由流动。其性能数据如表2.1 表2.1磁流变液MRF132AD的性能 图2.10 20不加磁场时剪切应力与剪应变率的关系(MFR-132AD）图 2.10为 MFR-132AD的动态屈服应力与外加磁场的关系，当磁场强度H=0-200kAmp/m时，如磁场强度H分别为25kAmp/m，50kAmp/m，100kAmp/m，200kAmp/m时，屈服应力分别为8.037kPa、16.449kPa、29.159kPa和42.056kPa，这表明随着外加磁场强度的增加，屈服应力迅速增加:而磁场强度H 大于200kAmp/m时，如磁场强度H分别为225kAmp/m，250kAmp/m，275kAmp/m时，屈服应力分别为42.991kPa、43.738kPa和44.112kPa，这表明随着外加磁场强度的增加，屈服应力增加很缓慢，屈服应力逐步达到磁饱和。图2.11 屈服应力与磁场强度的关系(MRF132AD）2）MRF一14OCG磁流变液MRF-14OCG磁流变液可用减振器、制动器、离合器、阀及弹性支座，其性能数据如表2.2。表2.2磁流变液MRF一140CG的性能 图2.12 在40不加磁场时剪切应力与剪应变率的关系(MRF一140CG） 图2.13 屈服应力与磁场强度的关系（MRF一14OCG）图2.12表示了40不加磁场时，磁流变液材料MRF一14OCG的剪切应力随剪应变率的变化的曲线，当剪切应变率分别为100(1/s)、200(1/s)、400(1/s)、800(1/s)和1200(1/s)时，磁流变液产生的剪切应力为64.96pa、97.44pa、157.2pa、272.83pa和387.16Pa， 这表明随着剪切应变率的增大，剪切应力增大磁流变液表现出非牛顿流体行为。图2.13 为 MRF一14OCG的动态屈服应力与外加磁场的关系，当磁场强度H=0-200kAmp/m时，如磁场强度H分别为25kAmp/m、50kAmp/m、100kAmp/m和150kAmp/m时，屈服应力分别为14.254kpa、25.5kpa、44.029kPa和54.477kpa，这表明随着外加磁场强度的增加，屈服应力迅速增加;而磁场强度H大于150kAmp/m时，如磁场强度H分别为175kAmp/m和200kAmp/m时，屈服应力分别为57.75kpa和58.5kPa，这表明随着外加磁场强度的增加，屈服应力增加很缓慢，屈服应力逐步达到磁饱和2.3磁流变效应2.3.1 磁流变效应的特征磁流变效应是指磁流变液在外加磁场作用下，其流动状态(一般是指表示其流动阻力的表观粘度)和流体的屈服强度发生了强烈变化的现象。磁流变效应作为一种特殊的物理现象，一般具有以下特征:在外加磁场的作用下，磁流变液的表观粘度可随磁场强度的增大而增大，甚至在某一种磁场强度下，达到停止流动或固化，但当磁场撤除后，磁流变液又恢复到原始的粘度，即在外加磁场作用下，磁流变液可在液态和固态之间转换。 在外加磁场的作用下，磁流变液由液态至固态之间转换是可逆的。 在外加磁场作用下，磁流变液的屈服强度随磁场强度的增大而增大。 在外加磁场作用下，磁流变液的表观粘度和屈服强度随磁场强度的变化是连续的和无级的。 在外加磁场作用下，磁流变液的表观粘度和屈服强度随磁场强度的变化是可控的，这种控制可以是人控的或自动的。 磁流变效应的控制较简单，它只应用一个极易获得的磁场强度信号即可。 磁流变效应对磁场作用的响应十分灵敏，一般其响应时间为毫秒级。 控制磁流变效应的能量低，即由液态向固态的转换，不像物理现象中的相变要吸收或放出大量的能量。磁流变效应的上述特征是发展磁流变液在工程技术领域中应用的科学依据，在充分利用这些特征的基础上，就能够开发一系列性能优良、价格低廉、有市场竞争能力的新产品。2.3.2 磁流变效应的机理在外加磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒的磁极化是产生磁流变效应的原因。磁极化是由磁场作用引起的，此外磁流变液的变稠和产生抗剪屈服现象，也是由于磁场引起的作用力形成的。整个磁流变效应的发生过程是：磁场作用下分散相颗粒发生磁极化形成偶极子现象带有偶极矩的颗粒产生定向运动（伴随着能耗）颗粒在磁力的作用下定向排列颗粒从无序随机状态到有序化、成链、成束或形成某种结构对外呈现明显的磁流变效应（即表观粘度增大、凝固以及呈现剪切屈服应力）。在磁场作用下固体颗粒的磁极化是产生磁流变效应的主要因素。固体颗粒的磁极化包括以下2个方面： 固体颗粒的体内磁极化，可以由磁畴理论来解释。在磁流变液中，每一个小颗粒都可以当作一个小的磁体。在这种磁体中，相邻原子间存在着强交换耦合作用。它促使相邻原子的磁矩平行排列，形成自发磁极化饱和区域，即磁畴。没有外加磁场作用时，每个磁畴中各个原子的磁矩排列取向一致，而不同磁畴磁矩的取向不同。磁畴的这种排列方式使每一颗粒处于能量最小的稳定状态。因此，所有颗粒平均磁矩为零，颗粒不显磁性。在外加磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外磁场反方向排列时的磁能，结果是磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。这时颗粒的平均磁矩不等于零，颗粒对外显示磁性，按序排列相接成链。 发生在固体颗粒与基础液两相接触的界面处的界面磁极化，这类磁极化可以为是固体颗粒与基础液的磁导率和磁极化率不同，在外加磁场作用下，有分子电荷在其中流动时，在界面处产生电荷堆积，形成电荷在颗粒表面的不均匀分布所引起的。在外加磁场作用下，颗粒发生上述所述的磁极化现象，于是定向移动形成偶极子链。当外加磁场强度较弱时，链数量少、长度短、直径也较细，剪断它们所需外力也较小。随着外加磁场强度的不断增大，取向与外加磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴开始向外磁场方向旋转，磁流变液中链的数量增加，长度加长，直径变粗，磁流变液对外所表现的剪切应力增强；再继续增加磁场，所有磁畴沿外加磁场方向整齐排列，磁极化达到饱和，磁流变液的剪切应力也达到饱和。2.3.3磁流变液的磁畴理论根据磁畴理论可以解释磁流变效应。在磁流变液中，每一个小颗粒都可以当作一个小的磁体。在这种磁体中，相邻原子间存在着强交换祸合作用。它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。没有外加磁场作用时，每个磁畴中各个原子的磁矩排列取向一致，而不同磁畴磁矩的取向不同。磁畴的这种排列方式使每一颗粒处于能量最小的稳定状态。因此，所有颗粒平均磁矩为零，颗粒不显磁性。在外加磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外磁场反方向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。这时颗粒的平均磁矩不等于零，颗粒对外显示磁性，按序排列相接成链。当外加磁场强度较弱时，链数量少、长度短、直径也较细，剪断它们所需外力也较小。随着外加磁场强度的不断增大，取向与外加磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴开始向外磁场方向旋转，磁流变液中链的数量增加，长度加长，直径变粗，磁流变液对外所表现的剪切应力增强;再继续增加磁场，所有磁畴沿外加磁场方向整齐排列，磁化达到饱和，磁流变液的剪切应力也达到饱和。2.3.4磁流变液的链化模型 磁流变液的链化过程磁流变液中的颗粒磁极化后的链化过程主要与外加磁场强度有关系。在外加磁场作用下，磁流变液中的相邻颗粒问存在着强交换藕合作用，以促使相邻的原子的磁矩平行排列，形成磁畴。当磁矩与外加磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外加磁场反方向排列时的磁能时，磁流变液中的颗粒平均磁矩不等于零，颗粒对外显示磁性，按序排列相接成链。其链化过程如图2.9所示，颗粒被当作一些刚性微球，它们代表磁性颗粒，图(1)表示无磁场作用时，颗粒无规律地分布在基础液中，这种情况下的动态屈服应力为零;图（2）表示在外加磁场H作用下，在时间t=0s时，颗粒磁极化后形成的偶极子;图(3)表示在外加磁场H作用下，在时间t=0.1s时，磁流变液中的颗粒按序排列相接成链，磁流变液的表现粘度、增加;图(4)表示增加磁场强度，在时间t=1s时，磁链的数量增加，直径变粗，磁流变液的动态屈服应力和表观粘度增大，对外所表现的剪切应力增强;图(5)表示当撤除外加磁场时，磁流变液材料迅速复原，其响应时间只有几毫秒。 图2.9 颗粒链化过程的微观图 磁流变液链化的集聚方式当有外加磁场作用时，颗粒被产生有序化的运动，这种运动从颗粒磁极化一开始就产生，直至有序化运动终止，达到相对稳定状态，形成某种固定的结构，即这些颗粒在磁场力作用下相互吸引，沿着N极和S极之间的磁力线方向形成链状结构，这一过程称之为链化过程。颗粒磁极化后在磁场及颗粒之间相互作用下的有序化运动，最终形成的结构，与单位体积内颗粒的数目、磁场强度及颗粒在基液中的Brownian运动(热运动)的干扰和摩擦阻力的影响等有关。根据固体颗粒的体积分数不同，在磁流变液中可能有四种形态的颗粒集聚方式，即:1)通链。这种链是由许多颗粒紧密联接而成，并粘附于两个平板之上，形成一个由许多颗粒构成的实体，这种链称为通链。2)支链。这种链的一端从一个平板开始，或粘附于一个平板之上，而另一端则终止于两平板间的某一位置，这种链称为支链。3)孤立链。这种链的两端与任何一个平板都不联接，而是漂浮在基础液中，类似一个有序排列的颗粒集团，这种链称为孤立链。4)束链。当固体颗粒体积分数达到一定数量时，有一些通链聚集而成为束链。2.3.5影响磁流变效应的因素影响磁流变效应强弱的主要因素有以下因素: 外加磁场的磁场强度在外加磁场作用下，磁流变液具有一定的屈服应力，并且屈服应力随外加磁场的增加而增加，这种现象被认为是磁流变效应的主要标志。 颗粒的磁饱和强度Carlson30人利用偶极子相互作用模型描述了磁流变液特性，建立了流变性能与悬浮相微粒饱和磁化强度的关系式 (2.8) 式中，为磁流变液的剪应屈服应力，和分别为悬浮相微粒的平均磁化强度和体积分数，为应变量，为介质相对磁导率，h为单链中微粒间隙宽度。该模型考虑了随外磁场增加伴随微粒的磁化饱和产生的磁非线性问题，能够用来评价磁流变体材料的磁学性能和力学性能。同时，利用所提供的微粒网内磁通密度分布机理对上述模型进行扩展，建立了复合流体的平均磁通密度与外磁场强度的关系式(2.9)及磁化强度的关系式(2.10)分别如下 (2.9) (2.10) 式中，B为磁流变体的平均磁通密度，是磁极化率，a为悬浮相微粒饱和磁化区和未饱和磁化区的比值，可作为B的函数来求，为悬浮相微粒饱和磁化强度。由式(2.9)可知剪应屈服应力与成正比，即选择高饱和磁化强度的悬浮相可提高屈服应力值，这与Ginder31等人的研究结果相一致。当悬浮相微粒磁化饱和后，剪切应力随磁场强度的增大变缓。随悬浮相体积分数的增大，剪切应力虽有较大幅度的增加，但同时会带来零场粘度的增大，屈服应力下降。另外，从磁流变体的B一H实验曲线可以看出饱和磁化后内察磁感应强度仍随磁场强度的增加而非常缓慢地增大。微粒间间隙增大，这被解释为微粒重构和磁场增加所致。对一定体积分数悬浮相的磁流变体，可通过得到磁化饱和时的内部磁感应强度值。该模型通过调整建模过程中参量值来补偿链间相互作用的影响。可以看出，选择高饱和磁磁极化强度的悬浮相可屈服应力。但当悬浮相颗粒磁磁极化饱和后，屈服应力几(H)随外加磁场强度的增加变缓。 磁流变液的磁化率固体 颗 粒 的 磁 化率是影响磁流变液剪切应力的另一个重要影响因素，不同的颗粒材料具有不同的磁学特性，其在不同磁场强度下的磁化率也会不同，导致磁流变材料的宏观特性也会不同。剪切应力随着磁化率的增加而增加，在磁化率较小时，增加的较快，在磁化率较大的情况下，增加的幅度不是很明显。要得到具有良好磁流变效应的磁流变液，应该选用磁化率对磁场强度敏感的材料做悬浮项颗粒。 颗粒体积百分数固体颗粒的浓度对磁流变效应有明显的影响，随着固体颗粒体积百分率的增大，相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大.实验发现，当介质百分率大于30%时，磁流变液易出现沉淀，将影响材料的磁流变效应。固体颗粒的浓度是指作为分散相的固体颗粒在磁流变体中所占的体积比。固体颗粒在磁场作用下磁极化，在两极间形成贯通的磁链，当固体颗粒数目较多时，更可在磁链基础上集聚成柱或网状结构，因而增加了磁流变液的粘度和阻力，甚至固化，具有明显增强屈服应力，亦即增强磁流变效应。体积百分数越大，由于分散相的固体颗粒数目多，形成的磁链也多;同时，体系的相对磁导率和磁磁极化率就越大，其磁流变效应就越强。因此，一般认为体积百分率越大，则磁流变效应越强。大量的实验表明，为了获得理想的磁流变效应，体积百分率应有一个合理的范围。因为，当体积百分率较低时，固体颗粒数目有限，在磁场作用下磁极化形成的磁链数目少，因而磁流变效应不明显。同时，体积百分率越低，进入明显磁流变效应所需的场强越高，甚至达到固体颗粒磁饱和场强。因此，体积百分率不能过低，一般不小于10%。此外，体积百分率也不能过高。因为，对于任何一个两相的悬浮液来说，当体积百分率过高时，会有一个结构上的突变，即由无序的固体颗粒逐步形成一种三维的网状结构，液体终止流动呈现固化特征，且伴随砧度和剪切屈服应力的增加。磁流变流体也具有这一特性，即在零场时，当体积百分率达到某一数值，固体颗粒也形成网状结构，出现固化状态。如果作用一个外加磁场，一般不会出现固体颗粒重新成链和成网的现象，只是可以强化已有的结构，因此磁流变效应不是很明显。此外，即使外加磁场使磁流变效应有所增加，当零场时就有了较高的表观薪度和剪切屈服应力，在外加磁场作用下，薪度和剪切屈服应力的变化幅度将很低，对要求有较大调节应力和豁度范围的工程应用项目是不利的。其次，体积百分率过大，磁流变流体易出现严重的沉淀和板结，这将影响磁流变流体的工作效率。大量的实验表明，体积百分率的最佳范围大致在15%一30%之间。 温度温度对磁流变液的影响主要来自两个方面，即温度对颗粒热运动的影响和温度对磁性颗粒磁极化(主要是磁极化率)的影响。温度的升高对磁流变效应是增强还是减弱，主要决定这两方面的影响孰强孰弱。温度越高，颗粒的布朗运动越剧烈，颗粒在外加磁场作用下的成链越困难，磁流变效应就会减弱。此外，对液体本身而言，其粘度随温度升高而有一定程度的降低。实验研究证明，屈服应力在温度20一150范围内变化很小。 悬浮相尺寸固体颗粒的大小对磁流变效应有显著的影响。随着固体颗粒直径的增加，相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大，亦即磁流变效应相应增强。固体颗粒的大小，对磁流变效应的影响主要是由于颗粒在磁场作用下，颗粒间相互作用的磁力使得颗粒沿磁场方向形成磁链。颗粒半径r越大，两颗粒之间的场致磁力就越大，颗粒所成链的强度越大，具体则表现为磁流变效应越强;此外，颗粒尺寸越大，所要求产生明显磁流变效应的磁场场强越低，即越容易产生明显的磁流变效应。然而，颗粒尺寸过大，布朗运动所起的作用减小，颗粒在基础液中沉淀的趋势增大，容易导致磁流变体出现相分离，影响磁流变体的工作性能，反过来又会影响流体的磁流变性能。当然，颗粒尺寸过小，则布朗运动影响大，这虽然可降低沉淀的趋势，但由于布朗运动，颗粒不易稳定成链，磁流变效应的强度减弱。因此，颗粒尺寸既不能过大，也不能过小，应该根据具体的磁流变体材料选取最优值。Lemaire32等人对磁流变液屈服应力与悬浮相微粒直径的关系进行了系统研究，力图弄清理想磁流变体所对应的最佳的微粒尺寸。小微粒虽在Brownian运动作用下可防止沉积，但强烈的Brownian运动也阻碍产生最大屈服应力的链状结构的形成。当耦合系数1时，对极化能求导得到微粒间静磁作用力。然而来自静磁力的屈服应力，其中的为单位面积成链的微粒数，其量值，体积分数，为微粒半径，由此可见又是一个与半径无关的参数。在1的非Brownian运动作用下，这一结论应该是正确的。然而实际情况并非如此。研究目的在于确定对的影响对耦合系数的依赖程度，即到底多大时，才与无关。的表达式如下 (2.11) 式中K为Boltzmann 常数，T是温度。研究结果表明，即使在藕合系数高达103时，微粒尺寸仍对磁流变性能产生强烈的影响。与多分散系磁流变体相比，一定尺寸的单分散系式样具有更佳的磁流变效应。这些效果来自无流动条件下Brownian运动引起的结构起伏，该运动使单链中两临近微粒间距离大于平均分散的距离，链结构对机械运动的阻力恰恰来自这种加大的间隙，而不是依赖于平均距离。应该指出的是该结构模型显得过于简化，且采用的位置起伏的Monte Carlo。模型是基于一般偶极子近似。揭示微粒间距起伏变化的更准确模型应同时考虑多偶极子间的反应和真实的三维聚集体结构，如对渗透压和磁压平衡条件下形成的三维结构和稠化结构内真实体积分数的计算等。可磁极化颗粒直径对屈服应力的影响取决于祸合系数的大小，一定尺寸的单分散系比多分散系试样具有更大的磁流变效应。 可磁极化颗粒和稳定剂优良的磁流变液在零磁场条件下的粘度较小，具有良好的流动性，这就要求颗粒在磁流变液中的比例不能太大;而另一方面，磁流变液在一定的磁场下应具备良好的磁流变效应，这就要求可磁极化颗粒在磁流变液中的比例应尽可能大。稳定剂增大了磁流变液的粘度，有助于克服可磁极化微粒的沉积，稳定剂对不同基础液的亲和性是不同的。因此，用不同基础液配制磁流变液必须考虑稳定剂的比例。一般，采用预处理的可磁极化微粒来配制磁流变液己使分散相的不稳定性有所改善，稳定剂的比例应相应减少，使磁流变液的零磁场粘度下降。 壁面材料及表面粗糙度对切应力的影响Bossis 33 等人研究结果表明，流变性能测试仪间隙平板的材料和粗糙度对磁流变体的屈服应力有很大影响，最大应力值在使用具有一定表面粗糙度的导磁材料平板下获得，从而使磁流变体与壁面的相对滑移减小为零，即减小切应力的传递损失。壁面滑移被认为是理论屈服应力与实验值较大差别的重要原因之一。例如分别采用不锈钢和表面具有球状物的玻璃壁面材料对同种磁流变体进行测量，屈服应力相差4.5倍，尽管两种材料均属非磁化材料，但表面粗糙度相差很大，实验表明表观屈服应力随壁面粗糙度的增加而增大。又如，将同一磁流变体样品分别在非磁化材料铝和易磁化材料铁的锥板式薪度计中测量，其静态屈服应力表现出很大差别，铁锥板薪度计对微小的应变速率十分敏感，而铝锥板情况下应力随应变速率的变化较为缓慢，被认为滑移造成传递损失，前者则是在磁镜向力作用下克服了滑移。可以推论，若在所有操作条件下能有效地克服壁面滑移，则应力测试曲线会很好的符合理想的Bingham模型。大量实验表明，高磁场时改变壁面粗糙度将无助于提高剪力传递效率，只有选用更高磁导率和更高饱和磁化强度的壁面材料才有助于提高镜向磁极矩幅值，加强颗粒与表面的相互作用，提高屈服应力。2.4磁流变液应用于离合器由于磁流变液优良的物理特性、流变特性, 近几年来, 应用研究较晚的磁流变液有较强劲的发展势头, 在Lord 公司率先提供的几种商业化电磁流变液器件中, 几乎都是磁流变液应用器件。目前，磁流变离合器的工作模式传力模型为剪切模型。在两平行放置的平板之间，充满磁流变液，平板移动方向与磁场方向相互垂直，当有外加磁场作用时，这些颗粒在磁场力作用下相互吸引，沿着N极和S极之间的磁力线方向形成链状结构，这些颗粒链限制了流体的运动，因而增加了悬浮颗粒的粘度特性。需要有机械能量来使这些颗粒链状结构屈服，即磁流变液在外加磁场作用下产生了抗剪切应力的作用。随着外加磁场强度的增加，磁流变液的抗剪切能力愈强。当外力低于磁流变液的抗剪切能力时，磁流变液呈类固体状态;当外力超过磁流变液的抗剪切能力时，磁流变液的磁链被剪断，这时磁流变液呈液体状态。三、圆筒式磁流变离合器3.1圆筒式磁流变离合器工作原理磁流变离合器是依靠磁流变液的剪切力来传递转矩。根据磁流变液在器件中所形成的几何形状可分为圆筒式磁流变离合器、圆盘式磁流变液离合器和圆锥式磁流变液离合器。圆筒式磁流变离合器34的工作原理如图3.1所示，1为主动轴，3为圆柱形内筒，4为磁通，5为激磁线圈，6为圆柱形外筒，7为磁流变液，8为从动轴。与主动轴1相联接的主动件3为一圆柱形转子，外筒6与从动轴8联接，转子上嵌有激磁线圈5，磁流变液充填在圆柱形转子3和从动圆筒6的同心环形间隙中。当电磁线圈无电流时，磁流变液呈牛顿流体，此时由流体的粘性传递的转矩很小，而流体中的散砂似的悬浮粒子又不能阻碍主动件与从动件之间的相对转动，离合器处于分离状态。然而，当电磁线圈通入电流后，磁流变液中的悬浮粒子在磁场作用下产生磁化，沿磁场方向相互吸引形成链状，这种链状结构增大了磁流变液的剪切应，依靠这种剪切应力来传递转矩，从而将主动件与从动件接合起来，离合器处于接合状态。线圈断电后，磁流变液又迅速转变为牛顿流体，因此时由流体的粘性产生的转矩很小，不能带动从动件转动，离合器脱开。1-主动轴 2-密封圈 3-圆柱形内筒 4-磁通5-激励线圈 6-圆柱形外筒 7-磁流变液 8-从动轴图3.1 圆筒式磁流变离合器原理3.2圆筒式磁流变离合器理论分析3.2.1 数学模型如图3.2 所示，设内筒和外筒的半径分别为R1 、R2，1为主动件，3为从动件，主动件和从动件之间充满了磁流变液2，主动件以角速W1旋转，磁流变液受到剪切从而带动从动件以角速度w2旋转.为了分析离合器两圆筒间的工作间隙中磁流变液的流动，假设下列条件:(1)认为磁流变液不可压缩;(2)磁流变液的流动是稳态的;(3)在轴向和径向没有流动;(4)磁流变液的流动只是半径的函数;(5)不计体力;(6)认为磁场强度在工作间隙中的分布是均匀的;(7)磁流变液中的压力沿厚度方向不变。根据上述假设，选取圆柱坐标系(如图3.3所示)，在圆柱坐标系(r，z)中，设流速的分布为： （3.1）式中Vr，Ve，Vz分别为流体沿r，z方向的线速度，r为所研究的微圆环处的半径，W(r)为磁流变液在半径r处的角速度，它是半径的函数。 图3.2 磁 流 变 液 在 两 圆 筒 间 的 周 向 流 动在磁流变液内取一个微元体，磁流变液在作周向剪切流动时，微元体的受力如图3.3所示。取微元体沿z方向的长度为dl，将所有各力投影到微元体中心的切向轴上，得切向偏微分方程为 (3.2)式中，为为沿方向的切向压力，和磁流变液的剪切应力。由于微小，可以把取为，取为1。，根据剪切应力的互等关系，=，并略去二阶微量，方程（2.2）可近似表达为 （3.3)因磁流变液在同心圆筒中作剪切流动，假设沿方向的切向压力为常数,方程（2.3）变为 （3.4)磁流变液在两圆筒之间作周向剪切流动的方程可描述为 (3.5)式中，为流体的剪切应力，为流体的屈服应力，屈服应力是外加磁场H的函数，为流体的粘度，为剪应变率。图3.3 微元体应力分析3.2.2 流动分析解微分方程(3.4)得 （3.6）式中，cl为积分常数。由于，所以，方程(2.5)中的剪切应变率为 （3.7）式中为磁流变液流动的角速度沿半径方向的梯度,，由方程(3.5)、(3.6)、(3.7)可以得到角速度为 （3.8）式中c2为另一积分常数。 图3.5 磁 流 变 液 在 圆 筒 磁 流 变 离 合 器 中 的 速 度 分 布当不加磁场时，=0，磁流变液的流动表现出类似牛顿流体行为，如图3.5(l)所示，对牛顿流体其边界条件为 （3.9）外加磁场作用时，磁流变液表现出Bingham粘塑性体行为，在两圆筒间隙中有两部分:屈服区域的流动和未屈服区域的转动，如图3.5(2)所示，所以将界面定义为屈服区域与未屈服区域的分解面。设Ry为屈服区域与未屈服区域分解面处的半径，由式(3.6)可得剪切应力可表示为 (3.10)时，在区域磁流变液被屈服;而当 时，在区域磁流变液未屈服。在区域磁流变液流动的成立的边界条件为 (3.11)由式(3.11)定出常数后，再由(3.8)可得流速为 （3.12）在区域磁流变液类似固体一样转动，设转动的角速度为，可表示为 （3.13）下面讨论两种特殊情况:（1） ，此时两圆筒间的磁流变液都作粘性流动，其边界条件为 （3.14）由式(3.12)和(3.15)得积分常数为则再两圆筒间的磁流变液都作粘性流动的角速度为 (3.15)（2）时，圆筒间的全部磁流变液没有相对流动。 （3.16） 传递能力分析在半径r处流体传递的转矩T为 （3.17） 式中L为磁流变液在圆筒间的实际轴向长度。由于两圆筒旋转时，磁流变液在各层间传递的转矩均相等，同时作用于内外筒的转矩也相等，因此有如下关系式 （3.18） 设Le为磁流变液能产生磁流变液效应的当量轴向长度，由方程(3.5)和(3.18)得磁流变液传递的转矩为 （3.19） 输出角速度为 （3.20）四、磁流变离合器设计4.1磁流变离合器的失效形式和设计准则4.1.1最大有效转矩磁流变液离合器是由磁流变液的屈服应力传递转矩的器件，在其它条件不变的情况下，由方程(3.20)可知，磁流变液的屈服应力增大，磁流变液传递的转矩增大，磁流变液达到磁饱和时，屈服应力达到极限值，这个极限值限就制着磁流变液传递转矩的能力，磁流变液传递的转矩最大值为 （4.1）式中为磁饱和时的最大屈服应力，最大有效转矩与下列几个因素有关:(1 )最大屈服应力：最大有效转矩成正比。这是因为愈大，则转矩愈大，传递能力也就愈高。然而，最大屈服应力与，与磁流变液材料性能有关。最大屈服应力对转矩的贡献最大.(2) 零磁场时的粘度:最大有效转矩随粘度的增大而增大。这是因为 愈大，则转矩愈大，传递能力也就愈高.然而，零磁场时的粘度与磁流变液材料性能有关。与最大屈服应力相比，粘度对转矩的贡献很小。(3) 相对运动件之间的间隙h:，最大有效转矩与间隙成反比，间隙愈大则磁流变液传递的转矩就愈小。间隙取决于离合器设计的几何尺寸。4.1.2粘塑性滑动和打滑在外加磁场作用下，磁流变液表现出粘塑性体，离合器在结合的工作过程中，磁流变液与主动圆筒和被动圆筒之间都存在滑动，这是磁流变液传动正常工作时的固有物理特性。由于粘塑性滑动的影响，将使从动轴的角速度低于主动轴的角速度，其降低量可用滑动率来表示 （4.2）如果工作载荷超过磁流变液传递的最大有效转矩，磁流变液与圆筒之间就产生打滑。打滑将使从动圆筒的角速度急剧降低，甚至使离合器工作失效，这种情况应当避免。4.1.3失效形式磁流变离合器主要失效形式有:（1）磁流变液材料的失效:磁流变液主要由磁性颗粒、基础液和添加剂组成。磁性颗粒经长期使用后，外表面被磨损，性能会逐步退化，当性能退化达到一定程度时，磁流变液就无法正常工作，甚至失效。在高磁场强度和高工作温度范围内，长期使用和存放时，基础液会分解和氧化变质，使基础液的作用下降。(2) 主从动圆筒材料的失效:当离合器温升过高。油膜破裂，基础液失去润滑性能，颗粒对圆筒表面产生微切削作用，在离合器启动和制动时，会加剧表面的磨损，使间隙增大，影响转矩传递能力。4.1.4 设计准则没有外加磁场作用时，离合器传递的转矩主要是由磁流变液的粘性传递，这时离合器可靠的工作条件是:基础液所形成的油膜不遭破裂，而影响油膜破裂的主要因素是工作温度，主动圆筒表面的发热量与其单位表面上的摩擦功耗fPv成正比(f是摩擦系数，p平均压力，v主动圆筒表面速度)，限制PV就是限制温升， （4.3）式中pv为主从动圆筒材料的PV许用值。在外加磁场作用时，离合器传递的转矩主要是由磁流变液的屈服应力传递，这时离合器可靠的工作条件是:在保证磁流变液与圆筒之间不打滑的条件下，具有一定的寿命。保证磁流变液与圆筒之间不打滑的条件为 (4.4)式中T为离合器传递的许用转矩4.1.5圆筒式磁流变离合器的关键尺寸磁流变液离合器的关键尺寸是能产生磁流变效应的主动圆筒与被动圆筒之间的最小间隙和磁流变液的有效长度。方程(3.20)表明:由磁流变液传递的最大转矩由两部分组成，即最大屈服应力传递的转矩和粘性力传递的最大转矩，其大小分别为 （4.5）设所期望的可控转矩比为 （4.6）设h=R2-R1，间隙h愈小则磁流变液传递的转矩就愈大。然而，间隙是不能无限小的，所以引入磁流变液能产生磁流变效应的有效激活间隙的概念。在其它条件不变的情况下，为常数。由方程(4.5)可得在两圆筒间的磁流变液能产生磁流变液效应的有效厚度气为 （4.7）式中，m为磁流变液的零磁场时的粘度粘度与磁饱和时的屈服应力之比，l为长度系数，它等于磁流变液的实际轴向长度与能产生磁流变液效应的有效轴向长度之比l=L/Le，e为自然对数的底。在两圆筒之间的磁流变液的实际体积为 (4.8) 磁流变液能产生磁流变效应的有效体积为 (4.9) 由方程(4.5)和(4.9)可得有效体积为 (4.10)式中,，为离合器传递的功率，。由方程(4.9)可得在两圆筒间的磁流变液能产生磁流变效应的有效长度为 (4.11) 方程(3.7)和(3.11)式表明:当己知传递功率和转速时，设计人员可根据所期望的可控转矩比，选择磁流变液材料参数、内筒半径和长度系数，计算出he、Le和L.4.2圆筒式磁流变离合器的设计方法4.2.1原始数据及设计内容设计磁流变液离合器给定的原始数据为:传递的功率P，速度、预期的转矩可控转矩比、长度系数、传动位置要求及工作条件等。设计主要内容包括:磁流变液材料的选择、最高最低转速的确定、主要参数的选择及计算等.4.2.2设计方法设计的最主要任务是通过有关参数的选择计算，来保证预期工作要求的实现。在磁流变离合器的设计过程中，为了保证预期工作要求的实现，主要决定于下列参数的正确选择。 主动圆筒的半径R1的选择计算由式 (4 .1) 知道，半径R1增大或减小，都能引起转矩较大的变化.但是，R1的最大值受允许的径向尺寸限制，R1的最小值则受内部结构尺寸和强度要求的限制。所以，半径R1的选择方法是，在满足主动轴强度要求和嵌电磁线圈的径向尺寸空间下，尽量取最小值。 选择磁流变液材料从式 (4.7) 和(4.8)可以看出，磁流变液离合器中主动圆筒与被动圆筒间的间隙h和充填于整个装置间隙中的磁流变液的体积V都与磁流变液材料在零磁场下的动力粘度及磁饱和时屈服应力有关。在满足传递功率的情况下，为了使设计的磁流变液无级变速器的尺寸小而紧凑，应使这两个参数的值越小越好，这样可以使v值小，同时也可以使间隙h值小。为了达到这一目的，应尽可能降低零磁场下的动力粘度和尽可能提高外加磁场下磁饱和时的屈服应力。下面介绍美国lord公司生产的四种商用磁流变液这两个参数值。1)磁流变液MRF一132AD，=500(1/s)时，零场时粘度=0.09563Pa.s，外加磁场H=275kAmp/m时磁饱和时的屈服应力=44.112Ik.Pa.2)磁流变液MRF一140CG， =1000(1/s)时，零场时粘度=0323pa.s，外加磁场H=200kAmp/m时磁饱和时的屈服应力=58.5k.Pa.3) 磁 流变 液MRF一241Es， =1000(l/s)时，零场时粘度=0.103Pa.s，外加磁场H=225kAmp加时磁饱和时的屈服应力=68，1553k.Pa.4) 磁 流变 液MFR336AG，=07(0l)/s时，零场时粘度=0.352P.as，外加磁场H=350kAmp/m时磁饱和时的屈服应力=51.8382kPa 计算主动圆筒与被动圆筒之间的间隙h当磁流变液零场时粘度、动态屈服应力最大值、预期的转矩控制比、主动圆筒角速度口:和主动圆筒的半径凡确定后，根据式(4.7)可计算出能产生磁流变效应的有效长度he，从而可确定主动圆筒与被动圆筒之间的实际间隙h. 计算磁流变液的体积V由式 (4.10 )可计算出离合器中磁流变液能产生磁流变效应的有效体积的体积Ve，磁流变液的实际体积V=lVe。 计算实际轴向长度由式 (4.11)可计算出能产生磁流变液效应的有效长度le，实际轴向长度L=lLe4.3圆筒式磁流变离合器设计4.3.1圆筒式磁流变离合器结构 1-从动轴 2-螺栓 3-外壳 4-堵塞 5-线圈 6-转子 7- 螺栓 8-密封垫 9-螺栓 10-主动轴 11-键铜环 12-小端盖 13- 端盖 14-油封 15- 轴承 16-磁流变液 17-键 图 4.1 圆 筒 式 磁 流 变 离 合 器 结 构 图图4.1 为圆筒式磁流变离合器结构图，由以下部分组成:（1）主动部分:主动部分主要包括主动轴11、外筒3和支承端盖13所组成。主动轴和端盖与外筒用螺栓相联接以保证同步旋转，在外筒表面上加工有一个螺纹孔，以便磁流变液的装进和放出，并用螺塞4密封。（2）从动部分:从动部分主要包括内筒6和从动轴1所组成。内筒和从动轴用螺栓相联接，在内筒外表面加工有三个槽，以便绕线圈，在从动轴上加工了用于引出导线的小孔。（3) 传力部分:离合器用磁流变液传力，传力过程为:主动部分一磁流变液一从动部分。当电磁线圈无电流时，磁流变液呈Newton流体，磁流变液产生的粘性的转矩很小，而流体中的散砂似的悬浮粒子又不能阻碍主动件与从动件之间的相对转动，离合器处于分离状态。当电磁线圈通入电流后，磁流变液中的悬浮粒子在磁场作用下产生磁化，沿磁场方向相互吸引形成链状，这种链状结构增大了磁流变液的剪切应力，依靠这种剪切应力来传递转矩，从而将主动件与从动件接合起来，离合器处于接合状态。线圈断电后，磁流变液又迅速转变为Netwon流体，因此时由流体的粘性产生的转矩很小，不能带动从动件转动，离合器脱开。4) 磁场产生部分:磁场产生部分只包括电磁线圈5和内筒6，电磁线圈由低电阻导线圈制而成，外包绝缘、防潮塑料外壳，以自身弹性定位于导线轮体腔内壁。导线经主动轴的小孔与从动轴上的铜环相联接。电磁线圈与箱体外的电控设备相连可产生可变可控的磁场用以对磁流变液的力学性质进行控制。5) 支承部分:圆筒式磁流变离合器通过转动轴上的轴承15支承在从动部分。从动部分右端通过螺栓固定在箱体上。6) 润滑密封部分:磁流变液在内筒和外筒的腔体内工作，所以二者之间的结合面用密封垫8进行密封。滚动轴承采用深沟球轴承，润滑剂的选择可根据dn值(d为滚动轴承内径，n为轴承转速)，因dn=25500mm.r/min33.7mm，考虑到轴截面开有4个嵌线圈槽，应增大25%，取R1=43mm 间隙根据 式 (3.7)可计算出两圆筒之间能产生磁流变效应的有效间隙为he=0.3909mm，取实际间隙为he=lmm 外圆筒半径 R2=R1+he=44mm 计算有效体积和有效长度.由方 程 (3.10)计算出两圆筒之间能产生磁流变效应的有效体积为Ve=3.74410-6 m3由方 程 (4.1)计算出两圆筒之间能产生磁流变效应的有效长度为L=27.1lmm。计算磁流变液的实际体积和实际长度两圆筒之间能产生磁流变效应的实际长度为L=l.Le=64.13mm,取L=80mm由方程 (4.8)计算出两圆筒之间能产生磁流变效应的实际体积V=21.8510-6 m3转子三维结构如图4.6图4.6 转子3）从动轴的设计 轴的材料轴的材料主要是经过轧制或锻造的碳钢或合金钢。通常用的是碳钢，其中最常用的是45钢。对于受力较大或需要限制轴的尺寸或重量或需要提高轴径的耐磨性以及高低温、腐蚀等条件下工作的轴，可采用合金钢。为了提高轴的强度和耐磨性，可对轴进行各种热处理或化学处理，以及表面强化处理. 初步确定轴的最小直径轴的最小直径同前可得: （4.20） T1 输出转矩，由 （4.21）得 T=38.9N.m 代入公式（4.21）中，取d=22mm 轴的结构设计从动轴为一阶梯轴，从右端算起，第一段轴通过平键与半连轴器相联，右端需制造出轴肩限制半连轴器向右的移动。第二段轴上不安装零件，故只需对半联轴器进行定位即可，因此，取其直径为d2=25mm，为了安装方便，其右端与一个端盖固接为一体，该端盖通过螺钉与外筒连接，从而带动外筒转动，为了防止磁流变液的泄漏，在它们之间需加一密封垫进行密封。从动轴的结构如图4.7： 图4.7 从动轴4）轴承的设计 轴承39类型的选择轴承分两类:滚动轴承和滑动轴承。磁流变液离合器主机的轴承，主要承受因主机重力而产生的径向负荷，同时考虑轴向定位。但磁流变液离合器主要受径向负荷，因此根据尺寸要求选用深沟球轴承。 轴承的计算根据轴径d=25mm,查机械设计手册选取单列向心球轴承,，D=37mm,B=7mm轴承的当量动负荷为 （4.22）式中:P一轴承的当量动负荷（N）;R一轴承径向负荷(N);一动负荷系数。平稳或微冲击X=1.0-1.2，中等冲击X=1.2-1.80 轴承寿命为: （4.23）式中:L一轴承寿命(h);n-轴承转速(r/min); P-当量动载荷(N);C-.轴承的额定动负荷(哟，由手册查出。根据计算，选择轴承的型号为61805轴承的寿命由工作需要而定，一般不得小于10000h.轴承的结构如图4.8： 图4.8 轴承5）密封装置的设计 密封40选择密封装置用来防止工作介质的泄漏和外界灰尘、异物的浸入。其中起作用的元件，即密封件。被密封的部位是在个需要密封的偶合面之间。根据此偶合面在运转时有无相对运动，可把密封分为动密封和静密封。动密封有:0型密封圈、密封环、油封等。静密封有橡胶垫片、密封胶等。由于在该结构中，密封属于动密封，所以选择油封。 油封材料的选择由于油封唇口和轴的摩擦面发热，使唇口温度一般比工作介质高，温度越高，橡胶越易老化，油封的寿命也就越短，因此，选择氟橡胶油 油封的优点(1) 具有良好的耐磨性和耐油性，密封性能好，寿命长。(2) 对轴的振动、偏心、高速旋转都有一定的稳定性。(3) 油封的尺寸小，便于拆装，并使结构简单。油封的缺点是不能承受高压，只能作为轴承润滑油之类的密封。6）键联接的计算键41的类型可根据联接的结构特点、使用要求和工作条件选定。键的剖面尺寸(宽度和高度)通常是根据轴径从标准中选定。键的长度可参照轮毅长度从标准中选取，然后作强度计算。平键联接受额定转距T0作用时，键的侧面受挤压，主截面受剪切力，可能的失效形式是工作面压溃或键剪断。对于实际采用的材料和按标准选用的平键来说，压溃是主要的失效形式。因而平键联接的强度常按键侧的挤压应力来计算。 键的材料选择选择键的材料都是钢，查得许用挤压应力=100-120Mpa，取=110Mpaa强度计算轴与半联轴器用单键联接，其挤压应力为: （4.24） 式中:一键联接的挤压应力(Pa); T一额定转距(N.m); d一轴的直径(m); k一 键与联轴器 的接触高度，对平键可取为键高的一半;k=h/2 1一键的工作长度(m),对于圆头普通平键可取为键全长与键宽之差; 一 键联接许用挤压应力(MPa)在第一段轴上选用圆头普通平键，根据主动轴d=18mm，从动轴d=22mm，查得键的截面尺寸为:宽度b=6mm，高度h=6mm。取键长L=25mm e键的工作长度1=L-b=25-6=19mm。键与键槽的接触高度k=0.5h=3mm。其挤压应力为: （4.25）所选的键符合强度要求。键的标记为:键625.7）螺栓联结的计算在该离合器上的螺栓联结主要受转矩作用，靠联结预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来传递转矩。其主要失效形式是螺栓杆和孔壁的贴合面上出现压溃或螺栓杆被剪断，其设计准则是保证联结的挤压强度。 螺栓材料的选择选择螺栓材料为Q235，由手册查得材料的屈服极限=240MPa，安全系数S=1.5，所以螺栓材料的许用应力= s/s=240/1.5=160MP 强度计算轴上共有6个螺栓栓承受的工作剪力相等在转矩作用下，各螺栓受到剪切和挤压作用。假设各螺则螺栓承受的最大工作剪力的值为Fmax=Tmax/ri2式中 Fmax为螺栓的最大工作剪力;T为转矩; ri为第i个螺栓组的轴线到螺栓组对称中心的距离由已知数据有Fmax=19.1/(60.0595)=54.12N螺栓杆与孔壁的挤压强度为 （4.26）式中d0为螺栓杆的直径 lmin为螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度代人数据得 所以符合要求。 结束语本论文智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计，考虑到汽车冷却系统对发动机整体性能及可靠性，耐久性又很大影响，要求冷却系统可灵敏控制，所以选取了磁流变液离合器，实现快速，灵敏的控温。本文第四部分对磁流变液离合器进行设计，通过计算，得出符合要求的数据，说明此设计思路是正确合理的。致 谢本文是在朱石沙教授的悉心指导下完成的。承蒙朱教授的亲切关怀和精心指导，虽然他工作极其繁忙，但仍抽出时间给予我学术上的指导和帮助，特别是对于我的论文选题和框架设计提出了宝贵建议，使我获益不浅。朱老师平易近人的性格、广博的知识、深刻的思想和丰富的人生智慧对我产生了极大的影响。在此，谨向朱老师致以深深的敬意和由衷的感谢。感谢我的父母，他们在大学生活上给予我很大的支持和鼓励，是他们给予我努力学习的信心和力量。如果说这篇论文是我几个月研究的结晶，那么它所折射的光芒中更多的是我身边诸位家人、朋友的殷殷期望之情和拳拳关爱之心。感谢所有关心我、支持我和帮助过我的同学、朋友和亲人，在这里，我仅用一句话来表明我无法言语的心情，感谢你们！感谢各位百忙之中抽空来帮助完成论文答辩和指导的老师们!感谢一路陪我走来的每一位良师、挚友! 参考文献 1苏慧青，风扇离合器的结构与使用，使用维修，2004，10：42-452浦鸿汀，蒋峰景，磁流变液材料的研究进展和应用前景，化工进展，2005，24（2）：132-1363 易明，叶武平等.应用在未来汽车上的智能材料和结构.上海汽车，2001.8.4 沙凌锋，徐赵东.磁流变阻尼器的设计与分析.工业建筑，2008年第38卷第3期.5王廖沙.磁性流体的制备及其流变性能的研究，苏州大学硕士专业学位论文，2007.6龚兴龙，李辉，张培强，磁流变液的制备、机理和应用，杭州维科磁电技术有限公司7廖昌荣.汽车悬架系统磁流变阻尼器研究，重庆大学博士论文，2001.8司鹊，彭向和.磁流变材料的一种本构模型.固体力学学报2002.Vol.123.pp 16-20.9钟银辉.汽车磁流变减震器的分析与设计，重庆工学院硕士学位论文，2008.10Bossis G,Khuzir P,Lacis Setal.Yield behavior of magnetorhelorgical suspensions. Journal of Magnetism and Magnetic Materials.Vol:258-259,March,2003,258-259:456-45811黄金，廖林清圆筒式磁流变离合器的设计分析J功能材料，2006(5)：75976112潘存治，申玉良磁流变液风扇离合器的设计与试验研究J汽车工程，2005(2)：19519913濮良贵，纪名刚.机械设计（第8版）.2006(5)14成大先.机械设计手册单行本(第5篇).2004(1)15吴中泽，罗圣国.机械设计课程设计手册（第3版）.2006（12）16成大先.机械设计手册单行本(第6篇).2004(1)17成大先.机械设计手册单行本(第10篇).2004(1)18成大先.机械设计手册单行本(第4篇).2004(1)附录 英文文献翻译新工具使新机器设计最优当加工铝时，我们主要关心的是：铝粘住加工切削边缘的倾向；保证有好的碎片排屑形成切削边缘；和保证工具有足够的中心强度来承受切削力而不被破坏。技术发展，比如：Makino MAG系列，已经使工具商重新考虑任何工艺水平的机器技术。用正确的加工和编程思路是很重要的。材料，涂料和几何形状是与减小我们所关注问题相关系的工具设计的三个因素。如果这些因素不能一起很好的配合，成功的调整磨削是不可能的。为了成功进行高速铝加工，理解这三个因素是很必要的。使组合边缘最小化当加工铝时，一个失败的切削工具模式是，被加工的材料粘住工具切削边缘。这种情况会很快削弱工具的切削能力。由粘着的铝形成的组合边缘会导致工具变钝，以至不能切削材料。工具材料选择和工具涂料选择是被工具设计者用来减小组合边缘出现的主要工艺。亚微米微粒碳化物材料要求很高的钴浓度来获得良好的微粒结构和材料强度属性。随着温度的升高，钴与铝发生反应，钴使铝与暴露的工具材料碳化物相粘合。一旦铝开始粘住工具，铝会在快速的在工具上形成组合边缘，使工具不可用。在切削的进程中，减小铝粘合着的工具的暴露碳化物的秘诀就是找到正确的碳化物的平衡来提供足够的材料强度。在加工铝时，为了减小粘附，使用能提供足够硬度的纹理粗糙的碳化物来获得平衡，来使变钝变慢。工具涂料当尝试减小组合边缘时，第二个应该考虑的工具设计因素是工具涂料。工具涂料的选择包括：TiN, TiAIN, AITiN，铬氮化物，锆氮化物，钻石和钻石般的涂料（DLC）。拥有这么多的选择，航空航天磨削商店需要知道在铝的高速加工应用中哪一种工作最有效。TiN, TiCN, TiAIN, 和 AITiN工具的PVD涂装应用进程使这些选项不合适铝的应用。PVD涂装进程建立了两个使铝粘住工具的模式-表面的粗糙程度和铝与工具涂料之间的化学反应。PVD进程形成了一个表面，这表面是比底层材料更粗糙的。由这个进程形成的表面“凹凸”使工具中的铝在凹处快速集结。由于涂料有金属晶体和铁晶体特征，PVD涂料是可以和铝发生化学反应的。一种TiAIN涂料通常是包含铝的，这铝很容易和相同材料的切削表面粘合。表面粗糙度和化学反应特性将会导致工具和工作片体粘在一起，以致形成组合表面。OSG Tap and Die主导的试验中，人们发现在高速加工铝时，一个没有涂染过纹理粗糙的碳化物的工具的表面优于用TiN, Ticn, TiAIN, 或者ALTiN涂染过的工具。这个试验不意味着所有工具涂料将减小工具的表现。钻石和DLC涂料可生成一个非常光滑的化学惰性的表面。在切削铝材料时，这些涂料很认为是能非常有效的提高工具的寿命。钻石涂料被认为是表现最佳的涂料，但这种涂料要一个很可观的成本。对于表现价值，DLC涂料提供最佳成本，增加大约20%-25%的总工具成本，而寿命相对于未涂染过纹理粗糙的碳化物的工具来是，是增长得很明显的。 几何形状高速铝加工工具设计的拇指定律就是使微粒排屑空间最大化。这是因为铝是一种非常柔软的材料。Federate通常是可以增长的，它生成更多更大的微粒。Makino MAG-Series航空航天磨削机器，比如MAG4,要求额外关注工具几何休和工具强度。拥有强大的80-hp的心轴的 MAG-Series机器将折断工具如果他们不是用足够的中心强度设计的。总的来说，锋利的切削边缘一直都可以用来避免铝的延伸。一个锋利的切削边缘将形成高剪切和高表面清洁，形成一个更好的表面和使表面振动最小化。结果是用优良的纹理碳化物材料比纹理粗糙的碳化物材料更有可能获得一个锋利的切削边缘。但由于铝能粘住纹理好的材料，长久保持这各边缘是不太可能的。粗略的折衷方案纹理粗糙的材料是最好的折衷。那是一种很强大的材料，它能拥有一个可观的切削边缘。试验结果表明；在获得长的工具寿命的同时拥有好的表面的可以的。通过工具来进行油雾冷却是可以改进切削边缘的保持的。雾化逐渐使工具冷却，消除温度急增的问题。螺旋角度是一个额外的工具几何考虑因素。传统上来说，当加工铝时，带有高螺旋角度的工具已经被运用。高螺旋角度可以使微粒更快地从部分脱离，但却增加力和热，这是由切削运动导致的。一个高螺旋角被用在工具上，并且很大数量的凹槽可以使微粒排泄。当以非常高的速度加工铝时，由增加的力形成的热量可能会引起微粒与工具焊接在一起。此外，一个有很高螺旋角的切削表面将比低角度的更快产生微粒。仅仅利用两个凹槽工具设计使低螺旋角和足够微粒排泄区域成为可能。由OSG主导的延伸性试验中，当发展新工具流水线时，这被证明是最成功的方法。 英文原文New tools maximize new machine designsThe primary tooling concerns when machining aluminum are: minimizing the tendency of aluminum to stick to the tool cutting edges; ensuring there is good chip evacuation form the cutting edge; and ensuring the core strength of the tools is sufficient to withstand the cutting forces without breaking.Technological developments such as the Makino MAG-Series machines have made tooling vendors rethink the any state-of-the-art machine technology. It is vital to apply the right tooling and programming concepts.Materials coatings and geometry are the three elements in tool design that interrelate to minimize these concerns. If these three elements do not work together, successful high-speed milling is not possible. It is imperative to understand all three of these elements in order to be successful in the high-speed machining of aluminum.Minimize Built-Up EdgeWhen machining aluminum, one of the major failure modes of cutting tools the material being machined adheres to the tool cutting edge. This condition rapidly degrades the cutting ability of the tool. The built-up edge that is generated by the adhering aluminum dulls the tool so it can no longer cut through the material. Tool material selection and tool coating selection are the two primary techniques used by tool designers to reduce occurrence of the built-up edge.The sub-micron grain carbide material requires a high cobalt concentration to achieve the fine grain structure and the materials strength properties. Cobalt reacts with aluminum at elevated temperatures, which causes the aluminum to chemically bond to the exposed cobalt of the tool material. Once the aluminum starts to adhere to the tool, it quickly forms a built-up edge on the tool rendering it ineffective.The secret is to find the right balance of cobalt to provide adequate material strength, while minimizing the exposed cobalt in the tools for aluminum adherence during the cutting process. This balance is achieved using coarse-grained carbide that provides a tool of sufficient hardness so as to not dull quickly when machining aluminum while minimizing adherence.Tool coatingsThe second tool design element that must be considered when trying to minimize the built-up edge is the tool coating. Tool coating choices include TiN, TiAIN, AITiN, chrome nitrides, zirconium nitrides, diamond, and diamond-like coatings(DLC). With so many choices, aerospace milling shops need to know which one works best in an aluminum high-speed machining application.The Physical Vapor Deposition (PVD) coating application process on TiN, TiCN, TiAIN, and AITiN tools makes them unsuitable for an aluminum application. The PVD coating process creates two modes for aluminum to bond to the toolsthe surface roughness and the chemical reactivity between the aluminum and the tool coating.The PVD process results in surface that is rougher that the substrate material to which it is