（固体力学专业论文）磁流变液离合器的设计与试验分析.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位沦文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除j ，文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位沦文作者签名：氏劣 签字日期： 。，年阳。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，口以采用影e j j 、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权 0 。 本学位沦文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 签字日期： 。年( 月1 二日 翩签名渤。再 垄翌型兰塑堡奎 塑至 摘要 磁流变液( m r f ) 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1 旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。磁流 变效应连续、可逆、迅速和易于控制的特点使得磁流变液装置将广泛应用在汽车、 机械、建筑、航空、医疗等领域。被认为是未来最具前途的智能材料之一 磁流交液离合器是一种利用磁流变液剪切应力来进行离台的- e o o 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j j 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与样品加工，得出了基本设计公 式，并对该离合器的性能进行了测试分析，实验证明磁流变液基于磁场强度的改 变可以传递不同的转矩与转速，磁流变液离合器有很大的二i ：程应用前景。 关键词：磁流变液离合器传力模型实验分析 至垦奎堂堕堡壅 垒呈! ! 坠里 a b s t r a c t m a g n e t o r h e o l o g i c a l ( m r ) f l u i d sc o n s i s to fs t a b l es u s p e n s i o n so fp a r t i c l e si na c a r r y i n gf l u i ds u c ha ss i l i c o n eo i l s ，r e s p o n d i n gt oa na p p l i e dm a g n e t i cf i e l di nt h e i r r h e o l o g i c a lb e h a v i o r i nt h ea b s e n c eo fa p p l i e dm a g n e t i cf i e l d ，m rf l u i d se x h i b i t n e w t o n i a n l i k eb e h a v i o r u p o n a p p l i c a t i o no f am a g n e t i cf i e l d ，t h e s u s p e n d e d p a r t i c l e si nt h em rf l u i d sb e c o m ep o l a r i z e da n da l i g n e di nt h ed i r e c t i o no ft h e m a g n e t i cf i e l d t h ef l u i d sb e h a v ea sas e m i - s o l i dh a v i n gac o n t r o l l a b l ey i e l ds t r e s s t h ey i e l ds t r e s so fm rf l u i d si n c r e a s e sa st h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l di n c r e a s e s t h e f e a t u r ep r o v i d e s r e v e r s i b l e ，q u i e t ，r a p i dr e s p o n s e i n t e r f a c e sb e t w e e ne l e c t r o n i c c o n t r o l sa n dm e c h a n i c a ls y s t e m s a nm rf l u i dc l u t c hd e v i c ea c h i e v e sb r a k i n gb ys h e a rf o r c eo ft h em rf l u i d a n m rf l u i dc l u t c hh a st h ep r o p e r t yt h a ti t st o r q u ec h a n g e sq u i c k l yi nr e s p o n s et oa n e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d i nt h ea b s e n c eo fa na p p l i e dm a g n e t i cf i e l d ，t h et o r q u ei st h e v i s c o u sf o r c eo fm rf l u i d si nl i q u i ds t a t e w h e nt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l di sa p p l i e d ， t h es u s p e n d e dp a r t i c l e si nt h em rf l u i d sb e c o m ep o l a r i z e da n dg a t h e r e dt of o r m c h a i n 1 i k es t r u c t u r e t h e s ec h a i n 1 i k es t r u c t u r e sr e s t r i c tt h em o v e m e n to ft h em r f l u i d s ，t h e r e b yi n c r e a s i n gt h ey i e l ds t r e s so ft h ef l u i d s t h ec l u t c hc a nb ea c h i e v e db y u t i l i z i n gt h es h e a rs t r e s so ft h em r f l u i d s t h et o r q u ec a nb ea d j u s t e dc o n t i n u o u s l yb y c h a n g i n gt h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h i nt h i sp a p e r , t h et h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fm rf l u i d sa r ei n t r o d u c e da n dt h et h e c o n s t i t u t i v ee q u a t i o ni sa n a l y z e d ，t h e n ，t h ed e s i g nm e t h o do ft h em rf l u i d sc l u t c hi s i n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y t h ee q u a t i o no ft h et o r q u et r a n s m i t t e db yt h em r f l u i d si n t h ec l u t c hi sd e r i v e dt op r o v i d et h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o ni nt h ed e s i g no ft h ec l u t c h t h er e s u l l so ft h ee x p e r i m e n to ft h em r fc l u t c hs h o wt h a tt h em rf l u i dc o u l d t r a n s m i tt o r q u ei nr e s p o n s et oa ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d k e y w o r d s ：m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d s ( m r f ) ，c l u t c h ，m e c h a n i c a lm o d e l ，e x p e r i m e n t t i 重鏖盔兰堡圭丝塞 ! ：! ! 宣 1 引言 1 1 磁流变液的研究现状 磁流变液是种极具发展前途和工程应用价值的智能材料。性能良好的磁流 变液在磁场的作用下能产生明显的磁流变效应，即在液态和固态之间进行快速可 逆的转化，这种转化是在毫秒级的时间内完成的。在该过程中，磁流变液的粘度 保持连续、无级的变化，整个转化过程极快且可控，能耗极小，可实现实时主动 控制【1 6 】。 磁流变液的发现，可以追溯到二卜世纪四十年代，是当时美国国家标准局 r a b i n o w 首先提出这个概念的，当时人们在实验过程中发现向流体中加入某些可 磁化的微粒，在磁场作用下流体会发生粘弹性的改变，不过这种现象只是在一般 流体报告中进行过介绍。从二十世纪五十年代到八十年代期间，磁流变液的发展 非常缓慢。进入九十年代，随着计算机水平的提高和科技的发展，磁流变液的研 究重新得到了重视和发展，寻找具有强流变学效应，快速响应以及稳定性和耐久 性好，能耗低的磁流变液材料已经成为材料科学研究的重点课题。为了解决悬浮 颗粒的沉淀问题，改善离子表面的化学成分，探寻更好的添加剂，则成为主要的 研究方向。有很多需要采用磁流变效应的新型器件，例如：汽车、飞机、桥梁和 建筑物的震动吸收，阻尼器、旋转自动器，大型光学元件的表面抛光，医疗用物 理疗法的器件等，这些原器件对磁流变效应的要求，更进一步促进了这类研究。 此外，磁流变液的流变学、链化理论、平衡与非平衡结构、动力学问题等也引起 了研究者们新的兴趣。许多知名企业，如美国l o r d 公司、福特公司，德国b a s f 等都致力于该领域，并取得了很大进展。 近年来，随着计算机直接控制技术在智能减振、传动及智能结构等领域的应 用，人们对磁流变液及其在振动中的应用进行了大量的研究工作，一些与材料和 装置有关的专利和文献引起了不少学者和工程技术人员的关注。美国l o r d 公司 的研究者利用铁钴合金和铁镍合金微粒做了实验研究，实验表明用合金微粒制备 的磁流变液比传统的磁流变液有更高的屈服应力；关于磁饱和对磁流变的影响， 美国f o r d 汽车公司的g i n d e rj m 等进行了大量的研究工作，他们利用有限元分 析得出结论：磁流变液的最大剪应力与微粒磁饱和时磁场强度的平方成正比；为 了提高磁流变液的屈服应力f o r d 公司的研究人员利用磁性液体作为载体液，产 生了共同的磁化效果，增大了粒子之间的作用力，从而使磁流变液的屈服应力大 为提高；据有关资料报告目前磁流变液最大的屈服应力为2 5 0k p a ，而传统的磁 流变液的屈服应力为8 0k p a 重庆大学硕士论文 l 引言 目前，美国从事磁流变液研究的有e x x o n 公司、f o r d 公司、l 0 r d 公司和一 些大学、科研机构等，其中f o r d 公司和l o r d 公司的产品代表世界先进水平，有 关的研究单位已经开发成功磁流变液减震器、阻尼器、离合器和流体控制阀。国 内从事磁流变液研究的单位主要集中在大专院校，例如复旦大学、中国科技大学、 重庆大学、西北工业大学等单位，虽然已经发表不少的研究报告，但一般还都限 于试验探索，工程化应用的研究较少，距实际应用还有大量的问题需要进一步研 究。关于磁流变液材料的流变学性能、磁学特性、宏观与微观结构的机理研究也 取得了一定的进展。但是尚未完全弄清磁场作用下磁流变液的流变机理，几乎没 有一种可行的理论来指导磁流变液的制各。 一般说来，在没有外加磁场作用的情况下，要求磁流变液具有较低的粘度( 在 2 5o c 时约为0 2 。0 3 p a s ) ，尽管增加磁流变液中可磁化微粒的浓度可以提高其屈 服应力，但磁流变液的粘度也会随着上升。目前对于这一问题有两种解决方法： 通过改变基液的成分来降低载体液的粘度从而降低磁流变液的零磁场粘度； 提高单个可磁化粒子的磁化率。 外界温度对磁流变液的影响是一个非常重要的问题：据文献报道，在 一2 0 o c 。1 5 0 o c 温度范围内，温度对磁流变液的影响较小，在建筑结构和机械工 程中，温度对磁流变液的影响可以基本可以不于考虑。 沉淀问题是磁流变液研究的关键技术之一，对磁化粒予和磁性载体液的浓度 控制显得很重要。要达到匹配的效果，其方法主要有使用空心可磁化粒子或在浓 度匹配较好的粒子表面( 如聚合物、空心玻璃微粒等) 镀磁性物质，镀的工艺最 好采用蒸发和非电化学方法；另一种阻止沉淀的方法就是用悬浮粒子的摇变性 ( 摇溶现象) ，既在载体液受到剪应力作用时，粒子易于流动。目前，磁流变液 的沉淀稳定性是阻碍磁流变工程应用的关键因素，还有许多问题值得从事材料科 学的专家和学者探讨。 1 2 磁流变液的应用前景 磁流变液在未来工业中有着广泛的应用前景。 通过前面介绍，从中可以看出它的最大特点就是可控制性，随着外加磁场的 变化而发生流体流变性能的变化，人们也因此称之为“智能流体”。这种新型介 质材料具有极高的应用价值。 作为磁流变科学的核心技术，磁流变液的性能对磁流变技术应用起着至关重 要的作用，它直接决定了磁流变器件的体积、重量、效率和机械性能。因而良好 的磁流变液必须具备下列性能：磁流变液所具有的磁流变液应是一种可逆变 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。而磁导率 2 型堂堕主丝苎 ! ! ! 童 很大，尤其是磁导率的初始值和极大值必须很大；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，这种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。 作为智能材料，磁流变流体与电流变流体一样在其适应结构中意义非凡，对 各种构件的智能化起到决定作用。将流体复合置于结构件中，通过改变磁场来改 变流体的应力，从而改变整个结构的刚度、强度，做到自动调节。目前，该智能 材料已在能量耗散控制领域获得成功的应用，在半主动振动控制领域、液压传动 和智能材料与结构等领域都有着广阔的应用前景。 目前磁流变液的应用领域广泛，如用在减振器、制动器、节流阀和阻尼器等 上。美国l o r d 公司在1 9 9 5 年的第五届国际电流变液、磁流变液及相关技术研讨 会上，展示了一种应用磁流变液的卡车座位减振器。这种减振器可以直接代替普 通减振器，使卡车座位的振幅减少2 0 5 0 ，大大减少了卡车司机在矿山等崎 岖道路上架车的危险。由磁流变液制成的耗能器可以在一4 0o c 1 5 0o c 的环境 下工作，且受杂质的影响比较小，适合应用于土木工程结构，在土木工程界受到 高度重视。磁流变液制动与离合器不仅能提高操作机动车辆刹车时的柔韧性，且 能节约大量有色金属。由于磁流变液制动器可以获得连续可变的制动力，若用于 开发轻便的健身器材，能更加真实地模拟自然力。此外，磁流变液在医学用途方 面，r s h e n g 等提出了新的思路，例如在肿瘤治疗方面，磁流变液可作为- l q j b 科肿瘤切除的辅剂，减少出血和活性癌细胞转移的机率。它还可以被广泛地应用 其它各个行业，如磁流变液抛光，磁流变液密封等等。 磁流变液的出现以及广泛应用，给许多领域带来了全新的变革，是实现机一 电一液一体化的一个十分有前途的发展方向，是一项极富挑战性的新型技术。目 前，磁流变液研究作为种高科技术开发项目，其应用具有巨大的潜力。正日益 受到科技界的高度重视，经过几十年，特别是近十多年的努力，从机理、材料性 能和应用角度都有了一定的进展，而且有一些设计已经商品化，进入产品市场， 但磁流变液的研究与技术开发还未进入一个完全成熟的阶段，无论理论上还是实 验上都缺乏系统性、基础理论和应用技术还有许多问题有待解决。在磁流变液的 屈服应力、零场粘度、性能稳定性上还有待于进一步改善。根据我国对磁流变液 及其应用研究现状。应从以下三方面着手：重视磁流变液基础理论的研究，研 3 重庆大学硕士论文 1 引言 凑，体积小，而阻尼力比较大，这能很好地满足各种场合的需要。特别适合于对 空间和重量都有限制的工业产品及装置，加上该阻尼器特有的可控性，能实现迅 速的无级阻尼力调节，这些优良特性使得这种阻尼器有着广阔的应用前景，可应 用于对减振有较高要求的装置。其次，在缸体的底部有一蓄能器。它在该装置不 仅起到了平衡作用，而且在其运动过程中，能充分搅拌磁流变液，从而起到了减 缓磁流变液沉淀的作用。但是，由于活塞杆上下腔的截面积不一样，而蓄能器调 节范围有限，这种阻尼器的行程一般都很小。 为了进一步增大磁流变阻尼器的阻尼力，使之可以应用于桥梁、大型建筑的 防振设计。另一种类型的阻尼器已经推出。这种阻尼器利用多级机构，从而产生 出较大的阻尼力。该阻尼器的阻尼力为f ：n f 。式中：n 为阻尼力控制的级数，f 为每一级所能产生的阻尼力。 该阻尼器左右部分均有活塞杆伸出，因而不存在截面积变化引起的缸容积的 变化，因而该阻尼器可以有较大行程，体积和工作阻力也可以设计得较大。 1 3 2 磁流变液应用于控制元件 磁流变液可以做成优良的敏捷控制元件，应用于汽车、航空航天、机械制造、 矿山等工业中，在可控机械部件间传递力或力矩。在这类的磁流变液元件中，离 合器、制动器都是典型的例子。 图1 2 磁流夏液制动器 f i 9 1 2t h eb r a k eo fm r f 基于磁流变液的制动器和离合器通常工作在剪切模式，也可工作于流动模式。 美国l o r d 公司制造的旋转式制动器是一种可控回转阻力、结构紧凑、运行平稳、 功耗较低的器件，已用于自行车式和台阶登攀式健身机。该制动器的剖面图如图 1 2 所示。其外径为9 2 m m ，最大耗散力矩为7 n m ，最大转速为1 0 0 0 r m m ，可把 最大机械功率7 0 0 w 转变为热能。当最大控制电流i = 1 a ( 电压为1 2 v ) 时，最大控 重庆大学硕士论文 1 引言 制功率为1 0 w 。它与速度反馈装置连接，可实时控制扭矩，从而迫使练习者保持 希望的目标速度。它的简单性和易控制性使得它可在广泛的范围内得到应用，从 可控的健身设备到精密的张力主动控制。c a r l s o n 就健身设备稍加修改( 如将图 1 2 中的壳体与主动轴连接，而将转盘与从动轴连接) 。即可制成磁流变液盘式离 合器。盘式离合器在转速较高时磁流变液的颗粒会因离心力而甩向盘的边缘。为 解决此问题，可采用圆柱式离合器。近年来出现的离合器专利设备一般采用电磁 铁控制，也可用永磁铁控制。磁流变液离合器的工作转矩相对较低，主要用于辅 助动力的可控传递，如汽车发动机与辅助装置( 如发动机，风扇) 间可控的动力 传递。l e e 对离合器的结构，磁场及磁流变液的粘度加以综合考虑，从理论上分 析了磁流变液离合器的扭矩传递特性，其分析结果与实验结果极为吻合，因而其 分析方法可用于磁流变液离合器的精确设计。 目前，磁流变液的屈服应力在2 4 0 k a m 时就已达到1 0 0 k p a ，在低振频率 ( 1 5 h z ) 和1 6 0 k a m 时剪切模量可达2 5 0 0 k p a ，再进一步提高磁场和振荡频率可 以使剪切模量达到4 2 0 0 k p a 。此数值已达到通用粘弹材料的指标。另外，磁流变 液的屈服应力受磁饱和的影响，其极g 艮值在磁流变液内部完全达到饱和后才可以 得到。所以，随着制剂工作的深入研究，磁流变液的性能会得到改善，屈服应力 会得到进一步提高。屈服应力的提高会使传动、制动元件的性能变得更好，尺寸 变得更小。 另外，磁流变液还可以做成磁流变可控阀门，利用磁流变液在磁场作用下在 液态一固态可逆变化的特性，控制液压回路的开合，从而控制整个液压系统。用 该特征，我们可设计成固定特殊形状物体的柔性夹具和控制阻力大小的伸缩缸等。 1 3 3 磁流变液用于光学加工 磁流变抛光是一种磁场辅助的流体动力抛光技术，其加工对象主要是玻璃， 陶瓷、塑料等非磁性材料，对磁流变液加以改进，也可加工磁性材料。它可克服 传统抛光技术的某些限制：如抛光托盘需要定期修整以保证形状准确，在抛磨先 进的光学形状( 如非球面) 时适应性差及成本高等。磁流变抛光不仅能纠正光学 元件的形状误差，平滑很小的微观不平度，而且加工中不产生表面和次表面损伤。 将含有微米磁性颗粒与磨料的水基磁流变液置于旋转的托盘内，工件安装在旋转 的主轴上。旋转托盘将磁流变液送到工件的表面。在工件附近施加直流磁场，则 磁流变液在此处变硬，并被拖入由工件和托盘构成的间隙中。在与工件接触的小 区域上产生较高的切应力，使工件表面得以抛光。工件在每个位置的停留时间决 定了材料磨损量。这种工艺特点是流体磨具表面具有可控性和与工件表面的一致 性，抛光区域内磁流变液能不断更新，磨削及热传递具有传递性。磁流变抛光已 成功用于极高精度光学表面的抛光，可将光学材料表面的微观不平度减小到 墅奎堂堡主笙塞 ! ! ! 宣 0 0 0 1um 以下。各种光学表面形状( 包括非球形面) 已用多种不同质地的材料抛 出。k o r d o n s k i 和j a c o b s 等人对磁流变抛光的微观机理作了实验研究，分析了这 种工艺的优点，就多种磁流变抛光装置和方法申请了专利。k o r d o n s k i 利用 b i n g h a m 流体理论所作的分析表明，粘在移动托盘上的核( 未剪切的流体) 的形成 导致了工件表面极高的应力。他们还研究了工件表面应力与材料磨削量的关系。 j a c o b s 在改进磁路、流体传输系统和计算机控制软件的基础上设计了一种新型 抛光机。磁流变液位于竖直安装的轮缘上。操作者无需专门工具，就能对凸、凹、 平及非球形的玻璃表面进行自动抛光加工。j a c o b s 还对抛光玻璃、陶瓷、塑料 和其他非磁性材料的“标准”磁流变液进行了分析，找出其在抛光磁性材料时的 局限性，对其组成加以改进，通过实验证实改进的磁流变液在抛光磁性材料方面 也取得了同样的效果。此外，k o r d o n s k i 还提出用含有磨料的磁流变液在磁场中 形成具有高瞄准度的硬化喷射流，用于工件成型或抛光。 1 ，3 4 液压阀用于液压系统 磁流变液可以作为液压系统的工作介质，在磁流变液压阀( 转换器) 的控制作 用下，完成驱动器( 执行装置) 的动 作。在这种系统中，液压阀是一种无 移动元件的比例控制阀。它主要由装 有线圈、铁芯的导磁体及连接入口、 出口并穿过导磁体的流体通道等元 件构成。当磁流变液流经阀门的阻力 及阀门入口的压力增加，因而可减慢 或停止液体的流动。相比之下，传统 的液压比例阀显得既昂贵又易磨损。 k o r d o n s k y 提出一种液压缸活塞运动 图1 3 磁流变液压系统 f i g13t h eh y d r a u l i cs y s t e mo fm r f 控制方案如图1 3 所示。当电流通向对角的两液压阀( 1 、4 或2 、3 ) 的线圈时，阀 的阻力发生变化，导致活塞缸中产生压力差，从而活塞发生移动，通过预设线圈电 流，这种磁流变驱动器能实现复杂的运动。它的一个重要特征是执行装置能在定位 点可靠定位。k o r d o n s k i 设计了多种结构紧凑、通道优化的磁流变阀门及系统。 本文将在国外磁流变液技术发展基础上，结合工程应用中的实际问题，利用 现有条件与技术水平，进行磁流变液传力机理、磁流变效应的分析；分析磁流变 液传力特性的链化模型、本构模型，从而推导出磁流变离合器传递转矩的机械模 型：由此设计出磁流变离合器及其测试装置，并通过实验研究离合器的性能，分 析实验结果。 7 要! 薹! 堂堡主丝苎 ! 堕堕变塞盒堡望壁堕壅鎏 2 磁流变离合器用磁流变液 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 磁流变传动对磁流变液材料的要求 磁流变液在磁流变液传动中的作用主要是传递动力，另外也起冷却散热和润 滑作用，所以磁流变液必须具备如下性能 9 ： 1 满足传动要求的力学性能( 流变学性能) ：当温度凡磁流变液中颗粒的浓 度v 以及剪应变率，为常数时，磁流变液的动态屈服应力b 随磁感应强度口的 增加而增加。 2 良好和稳定的物理性能：在重力场和离心场作用下，磁流变液中的磁性微 粒不产生明显的相分离现象；在高温下以及长期工作中，磁流变液不产生变稀现 象，具有稳定的性能。 3 良好的化学稳定性：磁流变液在各种外界条件下，如温度、湿度、长期贮 存等不应敏感，使它在长期使用和贮存过程中性能保持稳定，不发生退化、变质。 4 良好的磁学性能：磁流变液具有磁化和退磁效应，具有较大的磁饱和强度。 5 工作温度范围：在5 0 至- 1 5 0 。c 温度范围，磁流变液应保持性能稳定性。 6 无毒、无腐蚀，对环境不能造成污染。 2 2 磁流变液的材料组成 磁流变液一般由以下三部分组成，即：作为分散相的固体颗粒；作为分散介 质的基础液；为了改善磁流变液性能而加入的添加剂。 散布的固体颗粒 散布的铁磁体微粒呈球型，直径尺寸在1 - 1 0 “m 之间。微粒密度高达7 - 8 9 c m 3 由i s p 生产的羟基铁磁化合粉末是一种等级为s - 3 7 0 0 的高磁性磁微粒羟基铁磁 粉。羟基铁通过分解f e ( c o ) s 而得到，这样可以使生产出的球型微粒不致减少， 且效果不错 1 0 1 。该微粒性能稳定，可以压缩。 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 垩塑型塑望生燮 ! 燮鎏銮塑全墅旦燮堕銮堕 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： l _ 在外加磁场作用下，固体颗粒具有磁化效应；在撤除磁场时，固体颗粒具 有退磁效应。 2 固体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 固体颗粒材料应具有较大的磁饱和强度，从而给磁流变液内的固体颗粒相 互间提供最大能量。 4 固体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- - 4 0o c 1 5 0o c 。 j 固体颗粒与基液的比重要相适应，以防止固体颗粒在基液中沉淀过快： 6 固体颗粒的大小要适当，形状要合理：固体颗粒的大小一般在l l o f c a 范 围内，形状一般是球形的，也有椭圆形的； 7 固体颗粒材料应具有稳定的化学性能和物理性能； 8 固体颗粒材料应耐磨、无毒和对其接触材料无腐蚀性。 磁流变液的分散介质基液 磁流变液的分散介质基液，是磁流变液中固体颗粒的载体，并且是磁流 变液的重要组成部分，它对磁流变液的性能有重大影响 1 1 】。 基液的作用是将固颗粒均匀的分散磁流变液中，这种分散作用能保证在零磁 场时，使磁流变液仍保持n e w t o n 流体的特性：而在j f d h 磁场作用下，固体颗粒 能在液体中形成链化结构，产生抗屈服应力，并使磁流变液呈现b i n g h a m 流体的 特性，具有弹塑性。但是，基液并不是单纯为固体颗粒起分散作用，更重要的是 磁流变效应，是磁场作用下基液和固体颗粒所形成的两相悬浮液体的整体行为。 磁流变液的添加剂 磁流变液的第三种成分是添加剂，用来帮助固体微粒在流体中一直保持悬浮 状态。该添加剂有两种稳定性：凝集稳定性和沉积稳定性。凝聚稳定性阻止铁磁 微粒粘合在一起。沉积稳定性确保微粒不沉淀。两种稳定性都可维持其相应状态。 分散流动的低浓度组织，可以通过添加胶体组织添加剂而保持稳定状态。该 添加剂在基液的空间内形成了一个保护性的胶体结构，这种结构可以产生一种力， 来阻止磁性微粒沉淀和自然不可逆地凝结。此外，该结构还允许可逆的液化转变， 不抑制磁场中的组织结构的重组。硅胶就是一种这样的添加剂。它是一种特细的 非晶体二氧化硅颗粒。该粉末有很大的表面积，每一个微粒都现多孔结构，能吸 附大量液体或水蒸汽。在基液中，散布的铁磁体微粒被硅胶的表面结构所吸附， 从而均匀地分散在载体液中。 另外，散布的悬浮体在添加剂的作用下能处于稳定状念，从而使铁磁微粒形 重庆大学硕士论文 2 磁流变离合器用磁流变液 成一种空间结构。粒子界面活性剂能被用于象油酸这样的粘和稳定性物质。这些 添加剂在铁磁体微粒表面通过粒子键结合在一起。从而阻止了凝聚。添加剂的种 类应该慎重选择，要使它与基液相适应，并且能与其它添加剂一块发挥作用。 总之，磁流变液的添加剂在改善磁流变液的性能方面起着很重要的作用。一 般在磁流变液中加入添加剂的主要目的是： 1 ) 增强磁流变效应，因吸附于颗粒表面的表面活性剂，能提高颗粒的磁极 化能力，从而促进磁流变效应的加强。 2 ) 提高颗粒在基液中的均匀性。利用添加剂改善基液与固体颗粒表面间的 “润滑”性能，良好的润滑性可提高颗粒在基础液中分散的均匀性，因为润滑好， 颗粒之间的粘接少，在零磁场时不会自动地凝聚，可提高颗粒在基液中的分散性。 3 ) 利用添加稳定剂，以防止颗粒的沉淀。因为常用的稳定添加剂是“立体 式”的，它能够增加悬浮颗粒的稳定性，使颗粒不沉淀，使磁流变液处于一种凝 胶态，即颗粒与基液形成一个亚微粒群，在微粒群的空隙中含有大量的基础液。 添加剂在磁流变液中的含量较少，一般低于5 ，而稳定剂的含量则更少， 一般只占颗粒重量的0 0 5 0 0 3 。 2 3 磁流变液材料的性能 2 3 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 1 2 ； 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 3 2 磁流变液的物理。i 生能 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 重庆大学硕士论文 2 磁流变离合器用磁流变液 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 3 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 3 4 磁流变液的力学性能 图2 1 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f 。与磁感应强度b 的关系曲线【1 3 】，b = ，( 口) 。 爱耵) 图2 1 与b 的关系曲线 f i 9 2ld y n a m i cy i e l ds t r e s sv s m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h d ( t ) 图2 2 与b 的关系曲线 f i 9 2 2 t h ev i s c o s i t yv s m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h 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p 为常数 时，表观粘度7 。与磁感应强度b 的关系曲线，= f ( b ) ，图中为零磁场强度时 磁流变液的粘度。 图2 3 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r 与剪应变率，的关系曲线。剪切应力_ r 随剪应变率， 的变化而变化的特性称之为流变特性。 图2 3 流变特性曲线 f i 9 2 3t h ec u r v eo fr h e o l o g y f = f 口+ t 7 0 ， 矿( 1 s ) 图2 4 粘度特性曲线 f i 9 2 4t h ec u r v eo fv i s c o s it y ( 2 1 ) 重庆大学硕士论文 2 磁流变离合器用磁流变液 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，磁流变液的表观粘度与剪应变率，的关系曲线。表观粘度r 。随剪应变率 ，的变化而变化的特性称之为粘度特性。 图2 5 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p 为常数时，磁流变液的表观粘度，7 。与温度t 的关系曲线。表观粘度叩。随温度t 的变化而变化的特性称之为粘温特性【1 5 1 。 0 t ( 。) 荸八 。l 二t 。，0 。ll 。j 图2 5 粘温特性曲线 图2 6 与t 的关系曲线 f i g2 5 t h ev i s c o s i t yv s t e m p e r a t u r e f i g2 6 t h ed a n y m i cy i e l ds t r e s sv s t e m p e r a t u r e 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p 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 7 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 变液的表观粘度卵。与磁流变液中颗粒的浓度c 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p 为常数时，磁流变 液的动态屈服应力r 。与磁流交液中颗粒的浓度c 的关系曲线a k 。，。，0 l c ( )o l 。c ( ) 图2 7r n 与v 的关系曲线图2 8 与v 的关系曲线 f i g2 7t h ev i s c o s i t yv sc o n c e n t r a t i o n f i g2 8t h ed a n y m i cy i e l ds t r e s sv sc o n c e n t r a t i o n 2 3 5 磁流变液性能的影响因素 磁流交液的磁学性能 磁流变液传力机理是由于磁流变液在外加磁场作用下产生磁流变效应，而磁 流变液的磁流变效应完全是由于磁场的作用引起的。因此，了解磁流变液流体的 1 2 重塑i 兰登堡主堡苎 ! 咝堕壅塑鱼墨旦壁堕壅婆 磁学性能对于设计磁流变液器件是很重要的。 在磁流变液器件装置中，磁流变液流体表现出巨大的磁阻。这些磁性特性同 时说明了很有必要洞察流体内部微粒组织特点和组成。 h f m 口呻 彰 i 8 。建2 3 0 ，； e5 f f 惜 一一7 ，1 1 il n ：杆4 l l 图2 9 某磁流变液的磁感应曲线 f i 9 2 9m a g n e t i ci n d u c t i o nv sm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ho fc e r t a i nm r f 图2 9 给出了磁流变液流体的磁感应曲线( b h 曲线) ，图中h 为磁场强度； b 为磁感应强度；b - - h 曲线具有以下特征：当h 从零开始增大时，b 也逐渐增 大( 0 0 5 段) ；到达某点后，再继续增大h 时，b 几乎不再增加了，此时的磁感 应强度b 。称为饱和磁感应强度。 磁流变液剪切应力与饱和磁化强度的关系 c a r l s o n 等( 1 9 9 6 ) 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 2 ) ，并利用所提出的微粒网内 磁通密度分布机理对上述模型扩展，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 3 ) 及磁化强度的关系式( 式2 4 ) 。该模型考虑了随外磁场增 加伴随微粒的磁化饱和产生的非线形问题。该模型能够用来评价磁流变液材料的 磁学性能和力学性能。 f = 中，：“2 】p o h 3 ) i o 1 ( 2 2 ) 式中：r 为磁流变液的剪应力，j 。和 巾分别为悬浮相微粒的平均磁化强度 和体积分数，为应变量，m 为介质相对磁导率，h 为单链中微粒间隙宽度。 p o h = 陋一西( 1 一a3 j ，j ( 1 + 3 2 a 3j ( 2 3 ) 式中：b 为磁流变液的平均磁通密度，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 的函数来求解。 要丛查堂堡主笙奎 ! 堡亟奎曼鱼矍旦燮鎏壅堕 _ ，p = 3 2 a 3 b + ( 1 一a3 _ l ，j ( 1 + 3 1 2 中a 3 )( 卜4 ) 式中：l 为悬浮相微粒的饱和磁化率。 由式( 2 2 ) 可知，订f 比于j ：，即选择高饱和磁化强度的悬浮相可提高f 值， 这于g i n d e r 等( 1 9 9 4 ) 的研究结果相一致。当悬浮相微粒磁化饱和后，植随卸拘 增加变缓。随悬浮相体积分数中的增大，r 虽有较大幅度的增加，但同时会带来 零磁场粘度的增大。微粒间间隙增大，f 下降。另外，从磁流变液的b h s 实验曲 线可以看出饱和磁化后内禀磁感应强度仍随磁场强度增加而非常缓慢的增大，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液，可通过 甜。得到磁化饱和时的内禀磁感应强度。该模型通过调整建模过程中参量k 值来 补偿链间相互作用的影响。 磁流变液屈服应力与磁化率的关系 r o s e n w e i g 等( 1 9 9 5 ) 将磁流变液视作一种非对称弹性和磁性应力状态的连 续体，发展了其层状结构流变性能模型，建立了切应力与应变、磁化率、体积分 数和在整个成分和应变范围内与外加磁场强度的关系，并与偶极予和有限元法模 型进行了对比。该模型的特点是在非本构假定基础上简明表达了屈服应力与磁化 强度以及与张量磁化率间的关系，具体表达式如式( 卜_ 5 ) 。 盯。( 1 2 p 。h 0 2 ) = 西( 1 一巾归2 2 ( 1 + x x l + a , x l l + x ( a 一巾廿” ( 2 - 5 ) 式中，盯一一一一屈服应力x 一一一一一一磁化率 h 。一一一一一磁化强度m 一一一一一一体积分 该式表明：o ，与中不再呈线性关系，中一定时，随x 的增大，仃，增大。可 通过该模型求得最大屈服应力对应的体积分数。模型揭示了在一定应变量下，磁 化率由原来的各向同性变为各向异性，成为一个重要的物理参量。模型也研究了 剪切角对屈服应力的影响。该模型在反磁流变液( 悬浮相为非磁性，悬浮介质为 磁性) 上的应用也与实验值吻合较好。 磁流变液屈服应力的宏观与微观模型对比 b o s s i s 等( 1 9 9 7 ) 对磁流变液屈服应力的宏观与微观模型研究结果进行对比， 表面基于集聚体的各向异性的宏观模型仅对低磁化率( x 1 ) ，虽该宏观模型结果与单偶极子模型取得较好的 一致，但与多偶极子模型的屈服应力计算结果相差甚远，而后者对高磁化率情况 的计算结果更接近于实验值。悬浮相微粒间隙及中心连线相对于磁场方向的取向 被认为是确定屈服应力的重要参量。在较高应变下聚集体开裂时的应力计算值比 极低应变下标准模型计算值大。聚集体在切应变下变形和开裂的动力学模型被认 为是正确评价磁流变性能的途径。 2 3 6 磁流变液的质量因数 磁流变装置的机