（机械工程专业论文）电流变液智能制动器实验装置的设计与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本课题来源于国家自然科学基金研究项目的子项目。主要研究智能电流变液制 动装置的结构设计，动力性能以及在汽车制动器的研究应用。 汽车是主要的交通工具，是科学技术发展的标志。汽车的制动性能是汽车主要 f 的性能之一，它直接关系到交通安全。现阶段汽车制动器主要有机械盘式和鼓式两 面大类。其缺点是制动性能和水衰性及汽车制动时方向稳定性等方面均较差，开发 研制结构向参数可变的、智能化的电流变液制动器成为必要，y 电流变液制动器是以智能材料一电流变液( e i e c 仃o r h e o l o 百c a if i u i d s 简称e r 流 体) 为工作介质，从而实现制动器性能的智能化。本文在对电流变液的工作机理及 流变力学分析、e r 流体与电极间的相互作用分析的基础上，对电流变液制动器的 制动力矩进行了深入的分析，并与传统的汽车制动器( 鼓式和盘式) 进行了比较， 讨论了电流变液制动器的优点。设计了制动装置实验台，并对实验装置中各结构及 参数进行了选择和设计，推导了电流变液制动器阻力矩的计算公式。讨论分析了电 流变液的种类、电场的大小、电极间的距离及电场的面积( 改变制动器的直径及宽 度) 、传动系统界面状态及尺寸等参数对制动力矩的影响，通过对制动嚣的热平衡 分析计算验证其具有实用价值。 电流变液制动器作为一种新型智能化制动器有显著的优点，具有广阔的发展前 途。 烂讯雠罗电罗电严应 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sc o m e s 行o mt h es u b j e c ta tn a t i o n a ls c i e n c ef u n dr e s e a r c hp r o j e c t i ts m d i e st h es t r u c t i l f e d e s i g n o fi m e l l e c t u a l i z e d e r ( e l e c t m h e o l o 酉c a lf l u i d s ) b r a k i n gd e v i c e ，p e r f b m a r i c e a n dt 1 1 e a p p l i c 抓o ni n m ea u t o m o b i l eb r a k e s - a u t o m o b i l ei s p r i n c i p a l t r a 伍c i m p l e m e n t ，i t i st h e s y m b o l o fs c i e n c ea n d t e c h n i q u ed e v e l o p m e n t b r a l ( e c h a r 舵t e r i 蛳ci si t so n 8 p r i m a f yp e r f b r n l a i l c e i l lt h a th w i l la f f e c tt h e 椭f n cs e c t y i nm o d e ma g e s a u t o m o b i l eh a st 、v o t y p e s ：d i s c b r a k ea n dd n l mb m k e i t sd e f b c t s a r et 1 1 e s e ：b a db r a k ep e r f b r 玎昀n c e 、b a dh e a t - r e s i s t a n tn a t u r e 、b a dw a t e rd a m p i n gq u a l i t y 卸db a ds t a b i l i z a t i o no fd i r e c 廿o n s oi t i s n e c e s s a r y t o d e v e l o p n e we r w i t hv a r i a b l es t r u c t t l r e p a r 锄e t e r s a n d i n t e u e c t u a l i z e dc h a r a 训蚶c e r u s 髂i m e l l e c t u a l i z e dm a t e r i a l sa s w o r k i n gm e d i 啪，r e a l i z m g t h e i n t e l l e c t u a i i z i n go fb r a k ep r o p e 代i e s t h i sp a p e rm a k e sd c e p 锄a l y s i s o nt h eb m k e t o r q u e o fe r o nt h eb a s i so ft l l e p r i n c i p l e 、h y d r o m e c h a l l i c sa i l a l y s i s a i i dt l l e a n a l y s i s o f n o nb e t w e e ne r n u i d sa n dp o l 器，锄d c o m p a r e se r w i mc o n v e 眦i o n a l a u t o m o b i l e b r a k e ，n n a l l y d i s c u s s e s a d v a n t a g e s o fe r i ta l s od e s i 驴sam wt e s t b e d ， 1 e c t sa n d d e s i g n se v e r y s t r u c t i l r ea n db p a r a m e t e r s ， d e d u c e st h ec a l c u l a t e d e q u a t i o n s o fm s i s t a n t t o r q u e s o fe r i nt h ee n di td i s c u s s e s t y p e s o fe r 、 m a g n i t l l d e o fe l e c 打i c 丘e l d 、d i s 诅n c eb e t w n p o j e s 、 a 肥ao fe l e c 研c 丘e l d 、出e i n n u e n c et ob r a k et o f _ q u eo fc o n v e n t i o 髓li n t e r f a c es t a t e柚dd i m s i o na l l d 廿位 i i k e i t sa c t u a lv a l u c sh 罄b e e nt e s t e db ym eh e a tb a i a n c ec a i c u l a n o n s t h ee r h a sa t a b l ea d v a m a g e s 锄dan e wi n t e l i e c t u a l i 嚣db r a k e t h e a r e l n f i n i t e - s p e e dr u i a t i n g t ob r a k ef b f c eh 勰a 、v i d ec o n 奸o i i e d 礴n g e ，b i g 他s p o 璐ev e l o c n y 蛳di s s yc o i l 廿o l l e db y c o m p u t e r t h u s s ow em a ys a y t i l a ti th 鹞a w i d e l yd e v e l 叩i n g 凡t u 弛 k e ”o r d s ：i m e l l e 咖i i 孺db r a l 【e ：e r e r e f f b c t ；b m k e 2 武汉理工大学硕士学位论文 1概述 1 1 课题来源及国内外研究现状 一、课题来源 本课题来源于国家自然科学基金研究项目的子项目。主要研究智 能电流变液制动装置的工作原理、结构设计，动力性能以及在汽车制 动器上的研究应用。 二、国内外研究现状 电流变液技术是一种高新技术，这一技术在工业中的应用被誉为 是“继半导体以后的叉一革命”，其关键技术在于电流变液体 ( e i e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d ) 电流变液体被称为是一种智能材料。 最早从事电流变体研究的是美国人w m w i n s l o n ，1 9 4 7 年，他首次 报道了电流变效应。w i n s l o n 在液体( 连续相) 中加入一定量的固体颗 粒( 不连续相或分散相) ，制成电流变体。实验表明，在外加电场的作 用下，电流变体表现出明显的牛顿体行为，特别是剪应力与剪切速率 成正比。电流变体可由不加电场的液体状态，变成为粘胶状态。响应 时间只需几毫秒，并且可逆。因此，可以有效地用外加电场控制这种 悬浮体的粘滞性。 早期开发的电流变液，即传统的电流变液，绝大多数含有一定的水 分，是具有高介电常数的小颗粒和低介电常数油液的均匀悬浮状液体， 通常由两部分组成，即分散介质和分散相。分散介质一般是具有粘度 低、导电率低、介电常数低等特殊性能的流体，如矿物质油、硅油、 植物油等。分散相是指分散于液体中的粒子，它是产生电流变效应的 关键因素。只有选择合适的分散相材料，才能得到明显的电流变效应。 当外加电场强度大大低于某个临界值( 通常是几k v m m 左右，电流密 度为1 0 一1 0 。a c m2 ) 时，电流变液表现为液态；而大大高于这个临 界值时。电流变液将变成固态。两者之间的转换时间，可以达到毫秒 的量级。 茎望里三查兰堕主兰垡笙茎 一一 经过近期5 0 年的研究，人们总结出了电流变材料特性的一些基本 要求，但要获得理想的电流变( e r ) 效应，需特别注意满足以下条件： ( 1 ) 介电不匹配性在e r 材料组成中，最主要的是满足分散相 和连续相的介电不匹配性。在外加电场的作用下，这种介电不匹配性 将导致悬浮液内部产生不均匀的电场，粒子极化后就会沿电场方向形 成链状、柱状的纤维结构。 ( 2 ) 材料的性能要稳定即长期使用和储存后有良好的重复性。 由于e r 液为固一液两相动力学不稳定系统为解决粒子的沉降问题， 应尽量使粒子的密度与连续相介质的密度相一致，即满足密度匹配性。 另外，在e r 液中还可添加表面活性剂。 ( 3 ) 高屈服应力、低电场强度即希望在较低的电场强度下获 得高的动态剪切应力。目前国际上电流变液的水平是在4k v m m 的电场 强度下，动态屈服应力为1 5 kpa ，较高要求是达到l 5k p a 以上。 另外，还要求e r 液具有较低的零场粘度( 0 i l0p a s ) ，且 不会引起腐蚀和密封件、轴承件等的磨损。 商业化的电流变体还须具有优良的温度稳定性、对外加电场的良好 频率响应特性，以及在相当低的电场强度下显示良好的电流变效应。 通常，含水的电流变体具有以下缺点：当温度升高时，会增加电荷在 粒子间的流动，从而导致大量的电力消耗，同时，高温时逸出的水会 腐蚀电流变体的工作设备，此外，长期放置还会出现沉淀等。1 9 8 6 年 和1 9 8 8 年，英国的b l o c k 和k e i l y 及美国的f i l i s c o 和a r m s t r o n g 相 继发现了基本无水和基本上无吸附水的电流变液，这大大提高了电流 变液的应用范围，也大大刺激了人们研究e r 的新的热情。这些无水电 流变液体的材料大致有以下几种类型： ( 1 ) 硅酸铝盐( a l u m i n o s i c a t e s y s t e m ) 粒子材料结晶或层 状硅酸盐，没有毒性，具有较好的电流变效应，最重要的是价格低廉， 这类电流变液的商品化很有潜力。 ( 2 ) 半导体粒子( s e m i - c o n d u c t i n gp a r t ic l e s ) 材料半导体 材料低的导电率及不溶性都是不利因素，但这对靠极化机理作用的e r 液是非常合适的。加上半导体材料具有较低的热导电系数，因此，是 一类理想的电流变液材料。这类e r 液具有比含水e r 液宽得多的工作 2 茎堡堡三莶兰堡主兰壁堡壅一 温度范围和少得多的电源消耗。其中，聚苯胺粒子由于具有化学及热 力学性质稳定、电性能可调、比重与油接近、成本低等特性，所得到 的屈服应力较大，因此，作为一类很有希望的电流变材料倍受研究者 的重视。 ( 3 ) 复合粒子( c o m p o s i t ep a r t ic l e s ) 材料 设法使e r 液的电 诱导屈服应力提高，导电率降低，就是在悬浮液表面涂上绝缘层以避 免粒子的直接接触，从而阻碍电荷在粒子间跃迁，达到降低导电率的 目的。o ts u b o 和e d a m u r a 及其他研究者设计了不同的粒子绝缘层组合， 但更优化的复合粒子及复合粒子与e r 效应的关系，还需要进一步研究， 以便指导设计符合实际需要的高屈服应力、低导电率的电流变材料。 这些无水电流变体的发展，使其可以在低温( 一4 0 ) 下正常工作。 实际上这些无水电流变体并不是真正不含水，只是含水相当低( 如 百万分之等) 。这种变流体在高温下工作得较好。 世界上已有许多公司、科研机构已致力于这方面的研究。 日本是一个多风多地震的国家，在结构振动控制方面进进行了不少 的研究，并提出了较多具有实用价值的控制机构的具体形式。如日本 川股重提出了质量泵装置，它利用加于支撑上的波纹管挡板面积与导 管截面积之差来减少输入的作用，从而达到减振的目的。应用这种装 置可把响应减小2 0 。美国的3 m 公司设计了一种粘弹性耗能器，利用 二块t 型钢板和中间钢板的相对位移带动夹于其间的粘弹性材料层的 变形来耗能。美国纽约1 1 0 层的世界贸易中心的二层塔楼中安装了上 万个这种能耗器，其抗振效果极佳。 电流变液及其应用的研究，在我国正处于新的研究领域，其研究工 作主要集中在国内的一流高校。1 9 8 8 年，国家自然科学基金会把有关 电流变液技术的基础研究列为“七五”期间的国家自然科学基金重大 科研项目的子课题。土木工程是从8 0 年代开始的，武汉工业大学的瞿 伟廉教授在高层建筑和高耸结构风动控制方面，应用现代控制论探讨 了结构风振型控制的一般计算理论和方法，还对u 型水箱对建筑结构 的地震响应的控制进行了研究，并将其应用到厦门九洲大厦的抗风设 计中去，这是我国结构风振控制理论应用于工程实际的第一例。进入 9 0 年代，西安交通大学、清华大学、华中科技大学、复旦大学等均己 茎堡堡三查兰堡圭兰堡堡塞一 投入人力和物力进行电流变液的机理、材料和可能性方面的研究工作。 近2 0 年来，电流变液系统的智能结构，除了作为智能阻尼器用于 建筑、机械结构的减振之外，己扩展到其他各个领蜮，吸引了越来越 多的人员从事这方面的研究，促进了这门交叉学科的发展- 本论文将 对智能控制组件一一电流变液阻尼器作为制动器进行设计与研究，并 将其应用到汽车制动装置中去。 1 2 电流变液装置的应用 最近几年，在西方国家，尤其是美国、日本、英国和德国，大力 开展了电流变液在电场感应下，在液态和固态之间相互转变的研究。 美国能源部于19 9 3 年发表了一项对电流变液研究需求进行评估的最终 报告称电流变液将使工业和技术的若干部门出现革命化的变革，这 些部门包括： ( 1 ) 自动化设备工业( 生产的设备包括：阀门、离台器、制动器、 控制设备、伺服机械、螺旋管、碾磨机、计算机控制力矩测试系统及 阻尼系统等) ( 2 ) 通用及专业机械工业( 如建筑机械、农场机械、油田机械等) ( 3 ) 油压机械( 如液压油缸、液压活塞、液压阀门、环循控制系 统等) ( 4 ) 交通工业( 如航天航空、力矩转换器、液体阀门、离合器、 油压动力方向盘系统、撞击吸收器、电子控制悬置系统、制动系统等) 目前，关于电流变液应用研究的一个热点是振动吸收装置。由于 e r 减振器没有运动部件，流动液体体积很小，重量、噪声都很小，因 此近年来关于e r 液在振动控制、减振装置领域的报道特别多。据第三 届国际电流变学术会议预测：e r 液装置近期最有可能商品化的应用领 域多数与隔振、减振有关，如：汽车和运输车辆的支架隔振器；工程 机械重型汽车的座椅和驾驶室隔振减振：汽车和机车的主动和半主动 悬挂中的可控阻尼减振器等。 e r 装置的原理是调节e r 的压力梯度( 流动模式) ，或提供动量转 换( 剪切模式) 。流动模式的e r 装置主要有：阀、泵、流动分配器 ( f l o w d is t r i b u t o r ) 、制动器( b r a k ep u s h e r ) 、风扇、发动机机座、 4 武汉理工人学硕士学位论文 振动调：1 i 器、力传动装置和结构振动阻尼器。剪切模式的e r 装置的典 型代表是：离合器羽l 制动闸。对于同样的e r 材料，在两种不同的方式 f 其屈服应力和e r 效应响应的时间都是不同的。在这些装置中，e r 效廊至少可经受住二百万个循环。 ( 1 ) 剪切模式e r 装置典型元件一一离合器、制动器 这类装置的l ：作原理是把电流变液放在有相对运动的机械部件之 间，通过控制电压，改变电流变液的粘度，从而控制机械部件的传递 的力和力矩的人小。这类装置的典型代表是离合器。与传统的离合器 相比其土要优点是：结构简单，机械磨损小，噪声低响麻快，可 调无级。无传统的齿轮传动系统。 ( 2 ) 流动模式的兆刑e r 元仆一一阀、减振器、发动机支座 这类装置的上作原理是使e r 流体在静止的管道中流动，通过改变 电压来改变流体的粘度，从而达到控制流体运动速度的目的。智能化 的液压阀是这类器件中的典裂例子，已设计山的电流变阀有多种。此 外，减振器是目前已有较好试验结果的e r 裟置。e r 减振器具有减振幅 度人可调范嗣宽等优点。由于减振器不要求e r 有很大的屈服应力和 非常快的响应及很宽的： 作范围因而e r 减振器可以早日走向市场。 美国的l u b r iz 0 1 公司已制造山i r 主动型电流变汽乖悬挂系统并已在 桶特公司的汽乖上进行了道路试验。结果表明，装备e r 减振器的汽乖 的减振效果明显。在路面情况较差时，普通车的速度一般都小于 5 6 k m h ，但装备e r 减振器的车子在速度达到9 6 k m h 时，仍可以平稳 行驶。这种e r 减振器设计前轮最人减振力为3 k n 。其最人功耗为2 0 w ( 电流4 m a ) 。 此外- 还有e r 发动机支座。这种减振装置所需的e r 屈服应力仅 为i 2 k p a ，因而目前的电流变液( e r f ) 是可以满足的。通过调1 ，e r f 的粘度从而可以有效地调节其动态刚度，达到减振的目的。在典型 的发动机：1 ：作转速范丽( 1 0 0 0 3 0 0 0 r m i n ) 发动机对正弦激振力的响 应，如发动机不平衡力约减少5 0 。由于e r 响应快且可控结构线位 移可小到n m 数量级，田而。目前人们正在研制蠕动马达及e r f 精确线 性驱动系统。 些坚些三盔兰堡! ：兰些堡苎一 ( 3 ) e r 触觉屏装置目前盲人识字是利刚凸字符号( b r a i l i 法) 实现 的，随着个人电脑和c d r o m 数据图书馆的发展，有人量信息存入磁盘、 光盘，而盲人无法接触这些信息。e r 触觉屏装置利川e r 效应在电场 作川f 使e r 古l 化，在装置外屏上形成盲人可以触及的点、线，从而使 盲人可以靠触觉辩字。 ( 4 ) e r 虚拟现实手套 虚拟环境( v ir t u a le n v i r o n m e n t ，简称v e ) 或虚拟现实( v i r t u a l r e a l i t y ) 系统是一种较新的技术，但目前缺少补充的触觉、动觉反馈 系统数据。抖je r 实现虚拟环境的表面反馈目前正在研制中，它是通过 e r 流体政变结构的刚度，以达到虚拟环境中实现触觉反馈。为了更方 便更灵活地得到触觉反馈，把e r 装置做成手套可以灵活地跟随手的运 动。 ( 5 ) e r 材料的麻用 卟复合梁：e r 复合梁是把e r 夹在结构的两夹层之间通过控制 屯压，调节e r 的粘度。使其在瞬间改变结构的刚度和阻尼的人小，以 达到减振的目的。 低温e r 流体与火箭燃料：一种高能燃料是把铝粉放在液态氧中制 成的悬浮液。由_ 丁这种燃料可通过计算机迅速精确地控制流动，不需 要机械传动部分，因而对_ 丁低温的应用具有特殊的魅力。它的另一个 优点是利用e r 材料固态与液态变化的可逆性在运输时使其固化，而 在燃烧时再把它变为液体。另外，还可利用控制屯压大小有效地控制 燃料的粘度。 此外还有e r 光纤智能化复合材料、e r 材料用于隔声等。 当电流变液的性质由液态向类固态( 固态) 转变时，液体的粘度及 屈服剪应力明显增人转变的时间极短，并且可逆，变化是无极、连 续的，这种变化可由外加电场控制所需的能耗极小，可与微机结合， 实现实时控制。 电流变液装置具有许多传统机械装置无法比拟的优点：主要是可以 提高计算机控制能力，响应速度可大大提高，控制速度范围宽，变化 是连续无极的、阻尼控制设备和精度调节，可以减少重罱，提高能耗 效率。因此可以预料，随着科学技术的不断进步，电流变液装置在各 6 武汉理一r 人学颂：l 学位论立 个领域的应用将会越米越多。 三、新的电流变液材料 一是单相e r 流体：由= i 二上述粒子分散悬浮液的沉淀问题难r 克服， 人们开始重视单相e r 流体的研制。如弥敬在溶济中的液晶高分子e r 流体的研究，实验证实有的液品e r 流体在3 k v m m 的电场强度下，法 向麻力达到7 k p a ，由于它是单相的，故不存在沉淀问题也不存在颗 粒摩擦问题，并且液品在高剪切速率下，粘度增加很多。如有的液品 在2 k v m m 下，在剪切速率为0 4 s 时，粘度增加3 5 倍这与实际r 程巾要求在高剪切速率下e r 流体柚度增大相符。故液晶电流变液是值 得研究的。 二是m r e r 流体：磁流变液由于有较强的诱导剪切而受到广泛的 重视。通常磁流变液的剪切应力大约比也流变液的剪切应力火一个数 罱级。现在电流变学界比较一致的看法是磁流变液的效应是因为磁流 变液具有问有磁矩。这给电流变液指出一条可行的途径：寻找具有同 有电隅极矩的体颗粒。磁流变液的缺点是磁流变效麻响麻时间长， 这就限制了它在要求反应快的场合r 使川。 纯e r 流体响应快而m r 流体屈服应力人，故复合的电一一磁流 变液有较好的效果。目前砌f 制m r e r 流体的方法有两种。扯电场戏磁 场下，把分别有电流变效应和磁流变效应的粒子放入悬浮液中，或把 全成粒子放入悬浮液中。f u j i t a 等用第一种方法把磁粉和钡钛酸盐 ( b a r m m t i t a n a t e ) 放在煤油中，分别比较了电场和磁场作用下的效应。 结果是电场比磁场对m r e r 流体的效应更大。另外他们认为被磁场 极化的漂浮的磁粒子可减少液体的沉淀问题，冈此电一一磁流变液是 很有发展前途的。 武汉理工大学硕士学位论文 2汽车制动系统 汽中j ：业是现代化工业的支柱产业之一，对于工业化国家尤其如 此。汽印是主要的运输、i ：具，也是科学技术发展的重要标志。汽车的 制动性能是汽车的主要性能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长、紧急制动时发生侧滑等情况有关，故良好的 制动性能是汽车安全行驶的重要保证。国产汽车制动器的主要类型有 机械盘式和鼓式两大类其缺点是制动性能、抗热和水衰退性能及汽 车制动时汽车的方向稳定性锛方面均较差，甚至还有用具有致癌性十 大有害工业原料的石棉摩擦片，这在发达国家早已被限制。另一方面， 随着车辆向着高速重载化方向发展，制动器的尺寸、重量越来越小 使得摩擦片的表面积愈来愈难以达到汽车对刹车材料提出的越来越高 的要求。因此，开发研制结构参数可变的、智能化的电流变液制动器， 以代替石棉摩擦片式制动器，是十分必要的。电流变液制动器具有制 动力可无级精确调节、控制范围宽、响应速度可大大提高，并且便于 用计算机加以控制等诸多优点，因此这也是今后汽车制动系统的发展 方向。 2 。1 鼓式制动器 鼓式制动器有内张型和外束型两种。前者的制动鼓是以内圆柱面 为，i ：作面在汽车上应_ f j ，“泛：后者制动的，l ：作面则是外圆柱面，只 有少数汽车用作驻车制动器。 一、内张型鼓式制动器 内张型鼓式制动器都采用带摩擦片的制动蹄作为固定元件。位于 制动鼓内部的制动蹄在一端承受促动力时，可绕其另一端的支点向外 旋转，压到制动鼓的内倒面上，产生摩擦力矩( 制动力矩) ，其方向与 车轮的旋转方向相反。制动鼓将该力矩传到车轮后，由于车轮与路面 间有附着作用，车轮对路面作用一个向前的周缘力，同时路面也对车 轮作用着一个向后的反作h = | 力，即制动力。制动器不工作时，制动鼓 8 武汉理工大学硕士学位论文 的内圆面与制动蹄摩擦片的外圆面之间保持有一定的间隙t 使车轮和 制动鼓可以自由旋转。 如图2 1 所示等促动力内张型鼓式制动器主要由制动鼓、带 摩擦片的制动蹄构成，二者在工作时对车轮施加制动力矩( 摩擦力矩) ， 以阻碍车轮的转动。制动时，领蹄l 和从蹄2 在相等的促动力只的作 j 1 】_ 卜分别绕各自的支点3 和4 旋转，直到紧压在制动鼓上。旋转着 的制动鼓即对两制动蹄分别作用着微元法向反力的等效合力肌和肥， 以及相应的微元切向反力( 即微元磨摩力) 的等效合力n 和力。两蹄 上的这些力分别为各自的支点反力所平衡。由下领蹄和从蹄所受的法 向反力不等，在两蹄胯擦片一l ：作面面积相等的情况f ，领蹄摩擦片上 的单位压力较大因而磨损较为严重。 图2 一l等促动力制动器的制动蹄受力图 卜领蹄2 一从蹄3 ，d 一支点5 一制动鼓 9 武汉理下大学硕士学位论文 二、外束型鼓式制动器 外束州鼓式制动器的硎定元1 ，l ：可以是以内圆弧面为l ：作面的、弯 曲刚度较人的制动蹄，也可以是弯曲刚度很小的制动带。圈2 2 是外 柬型鼓式制动器的一种一一带式制动器的结构简图。制动时，拉动驻 午制动操纵杆，通过拉杆使凸轮板l 转动，制动带4 便两端拉拢而箍 紧制动鼓1 0 。放松驻车制动操纵朴刚，凸轮扳转回原位，制动带u 在 弹簧的作埘f 张开而解除制动。 燃泓 瓞汐 恻2 2交通s l i l42 型汽乖的带式中央制动器 _ - 凸轮板2 一扁紧螺幢3 一连接饭4 制动带组件5 一细弹赞 6 支架7 一螺栓8 一轲掸锖9 一调节蜾栓lo 制动破 0 o 正汉理t 人学坝士学位论义 2 2 盘式制动器 柱式制动器胯擦刖中的旋转元什都是以端面一l ：作的金属圆j j c 其 i 司定元件人体上可分为两类，一类是 ：作面不大的摩擦块与其金属背 扳甜1 成的 i ；i | 动块，每个制动器巾有2 4 个。另一类烛州定元仆的金属 背扳年l l 胖擦片也晕圆盘形。厉者只有少数汽1 i ( 土要是重型汽下) 采 朋为车轮制动器，个别情况下还可作为缓冲器。 幽2 3 是丰田一三f 冠汽午前轮制动器结构示简圈。制动斑3 刚5 个 螺钉2 阃定在前轮毂1 上：制动钳8 则刚2 个螺钉9 固定在前轿转向 节5 上。调整垫1 】月j 以调整制动钳的支座部分与制动盘的距离l ，使 不小r 一定值。 l 星| 2 3 丰i r 卜王冠汽车前轮制动器结构嘲 前轮2 一螺钉3 一制动盘4 一制动器护罩5 一转向节6 一油管支架 7 一扪罩加强i ；【8 一制动_ i l i l0 一味栓1 1 一调按垫片 武汉理_ t 人学硕i 学位论文 3 电流变液制动理论分析 3 1 电流变液的作用机理 在足够大的外加电场作_ = | f ，电流变液的表现粘度可在毫秒级的时 间内发生显著变化，这种粘度变化必然伴随着悬浮液结构的变化。一 般认为：在电场的作月j 下，两相悬浮液中的阎体微粒因极化作用在两 电极间沿电场方向形成纤维链链聚集形成柱。粒子的链状结构及纤 维状的形成已通过光学试验得到证实，研究者亦通过计算机仿真形象 地再现了i 乜流变液的纤维化过稃。 关i i 电流变液的作机理，目前主要有以f 几种理论， 一、静电极化模型 关于引起电流变作_ i j 的机理，绝大多数研究者将其归结为电流变液 中固体微粒间或内部的某种形式的诱导极化作用，普遍接受极化的形 式是界丽极化( i n t e r f a c “p 0 1 a r iz 8 t i o n ) 。基丁极化作川，研究者 厂影) ，j _ ) ，。 。7 t j 、n o 一0 、7 4 u ( 、f l ) ( ) ，、 ，一。( 、j 。r 1 、 一 - 7 c ) ! ， 。 l ：、二二 、u 、， ( h ) 末加i i i i 电m 极化前 ( b ) 加离电压栏化后 圈3 一l 电流变液极化示意图 提山了被“为接受的静电极化模型。其主要内容为：在高电压的作用 二o # 再 垫堡型三盔堂堡主堂垡堕苎 一一 f ，i 乜流变液中的粒r ，由丁极化发生电荷分离，正电荷向靠近负电 极的一端( 接地电极) 移动负电荷向靠近止电极的一端( 高电压输 入端) 移动，结果粒了两端寓含j h 负i 也荷，相邻的粒予由于静电吸 引棚且近接，形成链状结构，进而粗化形成粒子枉( 如图3 1 所示) 。 当粒了柱受到疵直方向的剪切外力作川时，粒予链首先发生一定 程度的变形，当内力达到其断裂极限时粒予链会分开。外力要破坏链 结构，势必会消耗更多的能最，能量的额外损火即表现为粘度的增大； 但同时粒子的电荷之间仍然存在静电吸引，链有重新建立的趋势，此 时屈服麻力就代表了名字断裂与链重新达到平衡时的外力。外力小于 屈服麻力时不足以破坏链结构电流变液则爆一定的刚性。 由丁是建立在极化作_ 日j 之上，静电极化模型首先强调的是粒予与 连续相介质之间存在介电不平衡。极化人小除与介电不匹配性有关外， 还与场强、粒了问的距离等其他参数有关。 二、“水桥”模型 对含有水的i u 流变液，极化模| ! l i ! 的反对者认为电流变液中粒予问 的静电引力不足以引起电流变效应，他们认为e r 效应主要来源于悬浮 液中水分子的作羽。在电场的作用下粒子极化后自由粒子迁移，水 山丁i u 渗透作川随白山离了到达粒7 两端，相邻粒了表面上的水分予 通过毛细管作用在粒予间连接成“水桥”，这就促使粒予紧密联系在一 起。宏观上呈凝胶态；电场消失后，水分子“退回”到粒子中，“水桥” 消失，悬浮液恢复流动态。 三、逾渗理论 逾渗理论认为电流变固体粒子之问的相互吸引作| j 及其作用范围 对电流变行为有很大的影响。如果作用范围很小。则计算出的电流变 体的临界体积分率高达6 4 ：当作用范围为粒予尺寸的3 8 ，临界体积 分率仅为3 2 ，表面作用能越大，临界体积分率值还可以进一步降低。 该理论认为，在某些临界体积分率较低的电流变体中观察到的表观粘 度在幅度上的增加很可能归功于粒子之间强烈的相互作用，即决定于 粒了极化的程度。 ! ! 坚些三叁堂塑：! ：堂些笙塞 一一 3 ，2 电流变液的力学特性 一、e r 流体的流变性 电流变液体在电场作用下的剪应力t 可以模拟为宾汉( b in g h a m ) 塑性体近似描述： r = 昭。r + rd ( 3 1 ) 式中q 。一一e r 材料的塑性粘皮，一般假定为常数： r 一剪切应变； r ，一一电场作用下e r 的宾汉或动态屈服廊力。 k p 过屈服 觚肫爿牟 ，1 i、 l l l _l f 一一弋 j ，切戍变 ( a ) 篓， ，7 ， i | ：雾二 ，一7 ，一r ，一一 ? ，7 ，弋。 1 1 1 13 2e r 流体的鲍切成力与应竖昀关系 塑性粘度对高电场不是很敏感而动屈服应力随电场强度的增加 而迅速增人。如图3 2 所示。 二、e r 流体与电极问的相互作用 含e r 液体的控制器主要有两类：固定电极式和移动电极式。周定屯 极式即是流体以流速驴在瓜差p 的作+ f 流动；移动l 乜极式即是一个 4 r 越s 毓 r 氆s 氰 茎堡丝三查堂堕圭堂些丝苎一 电极在外剪切力的作川下以匀速p 移动。假设r e 流体在稳定条件下为 理想的b in g h a m 塑性体，l 卜面描述e r 流体流速与压差及外剪力与电极 移动速度之间的关系。 ( 一) 固定r 乜极式 如图3 3 所示为一同定电极式控制器。设e r 流体为一维流动，忽 略体力和对流的影响。用动最守恒定律可导山剪廊力与轴向压力梯度 间的一阶差分方程，解方程可得： r = 一口r 2 ) ( 3 2 ) 式邙0 1 = 一d p 伯x = 沫数 k 、 、 u ? 、 压力i 。 、j ： ，材料一 可s 乒瓠 ；执 v v # ， 、i i 笼 图3 3 固定电极式e r 器件的结构原理图 上式代表在电极板间剪应力的线性分布，它取决于电极间材料的 类型。当电极间材料的压差产生的应力小于极限屈服应力时，r e 流 体不流动。 | j 式( 3 2 ) 可得使流体产生流动的极限压菇为： 5 些堡些三叁兰堡! 堂些堡苎一一 l ( d 卢d j )l = 2r 一 肖压著大于( 等于) 极限值时靠近电极处的材料屈服并开始流动 这灶 1 1 丁9 ，切麻力杜靠近极扳区域晟小，而狂远离极板处最人，高度 为 ，= 2r p7 ，取决于屈服应力和压差。则轴向速度的一阶差分方程可 表示为： 塑：丛盟 ( 3 3 ) 出行 式中 ，一一北屈服流体旁边的剪切区域的厚度。 假设在电极表面为非滑动边界条件，由上式可得极扳流体剪切区内 任一点的速度为： 心，= 唑= ( 等一守筹c 哟轨，c 。一a ， 非塑性区的均匀速度为： 驴等= 赤( p ，2 白鲥脚，s ， 式( 3 4 ) 、( 3 5 ) 根据流体流动的对称性，完整地描述了极板间 的速度分布。 单位极板长度的台成流速为： 兰：f 旦堡二! 鱼基旦兰堑2 6 1 2 p 2 ，7 定义尸和r 。分别为无最纲化压降和屈服应力，即 矿：丛芝p ：竺立 1 1 2 q ，71 2 q 刁 联立解上两式得： 尸一( i + 3 ，) 尸+ 4 ，= 0( 3 6 ) 式( 3 6 ) 的解提供了e r 流体流动的压差、流速及e r 材料特性和 器什几何尺寸的关系由于方程为三次多项式，同尸存在三个解，通 过对e r 材料特性的合理假设，对这个方程进行数值分析可知，尸4 的三 6 丛堡些兰尘堂堡：! ：堂些堡苎 个根都是实根，且方程是不能简化的。但对一种确定的确好e r 材料， 经计算可知其中只有一个根有物理意义，这即是压差与屈服应力之 间的关系。对丁“高速流”状态，h h 尸 2 0 0 时， e r 材料的 ( 3 8 ) a p = 警+ 孚 睁。， 。 6 南3h 在分析e r 流体器件中，由于屈服应力的存在，压降的分布经常是 受支配的多数情况f a p = 竿 其中c 值在2 至3 之间。取决于流动状态的方式它代表压降与屈 服应力之间的线性关系。 ( = ) 移动电极式 如图3 4 所示，加在电极上的外力分布在电极板的表面，导致e r 材料与电极表而的均匀剪切麻力，则剪切廊力与电极面积的关系可表 示为： f = ta 电极面积= 6 ，则可推山剪切力与剪切速率的关系： f ：m d + 挲 ( 3 - 1 0 ) 疗 些堡堡三盔堂堡主堂垡堡兰 一 外力寸糖参 r i 怒：囊沁、 速度书 ：努誓! 秘、 ：! ：j ， 、 、 图3 4 移动电极式e r 器件原理结构圈 式( 3 一1 0 ) 第一项是由于e r 材料的屈服应力引起的，称为传输力； 若假设材料是具有塑性粘度的n e w t o n i a n 流体则第二项称为粘性力 武汉理工大学硕士学位论文 电流变液的优异特性使得人们已经研制山一些r e 控制器，如液压 阀、离合器、减振器、机械卡具、导线缠绕控制器等。 本论文讨论的是i 乜流变液控制器在汽币刹乖装置中的应j u 。 本研究设计的圆柱盘式电流变液制动器，结构如图3 5 所示。它 由定予( 壳体等) 、转予和e r 液组成。定子和机架( 汽车后桥) 相连， 转了两端分别与传动轴及午轮连接。定予与转予分别作为正负两个电 极，形成e r f 电极板，e r f 液体充满整个定子与转予之间的空隙，即构 成e r f 制动器。 9 ，d 豳3 5 圆盘式l 乜流变液制动器的结构简图 卜壳体2 密封嘲3 一轴1 一螺授5 - 轴承孺6 一屯极 7 绝缘层8 一温度传感器9 一轴承l0 一氆嘲 丛堡型三查兰堕生堂堡堡兰 一 一 由于定了为高压电极，为了保证安 全，定了由三层材料组成：壳体、绝缘 层、l 乜极板如l 鲴3 6 所示。其结合面 之间采埘齿形相连，并_ j5 0 2 胶水相粘 使之能在制动时不冈受剪切力而分离。 制动过程的l ：作原理：汽车动力输 入轴与输山轴之间连接着电流变液制动 器。在无电场作用的情况下，由于r e 流体的粘度很低，因而输山轴与输入轴 壳体 极板 绝缘层 能自由旋转。肖外加电场时，旋转的r e幽3 6定予的结构 流体粘皮变得很人( 剪应力变人) ，阻碍输山输入轴的转动直至不能 转动从而实现制动。当电场断开时，液体叉恢复到低粘皮状态，使输 入输山轴能自由转动。 一、电流变智能制动器的阻力分析 根据图3 5 所示电流变制动器的结构，其l i 作而直径为口、宽度为 口、间隙为d 。i 乜流变液的剪切本构关系可川b in g h a m 流体来描述，即： t ( e ，t ) = t 。( 7 ) + qf t ) y( 3 一、 式中r 一一电极板表面的动态平均剪切应力： ，一液体摄氏温度 r 一一电流变材料静态剪应力： 口一_ 剪应变速率为零时的电流变材料的粘度系数； r 一一剪麻变速率； jll!广了1llij_-；j 亟堡墨! 叁兰堡：! ：堂丝笙苎 一 ( 一) 固定电极 剪切阻力尸r t j 、压著4 m 和塞面积月，的关系可表示为 口( ) =口一， ( 3 1 2 ) 式中4p 由( 3 9 ) 可知，活塞面积4 ，= 口2 4 为常数。假设电流 变液速度分布是线性的，以r r f ，代表电极问的速度变化，则剪切速率 rr c j 可简单表示为： ( 一电极间距) ( 3 1 3 ) 1 1 ) 式中则可得剪切阻力pr m ，= 笔”孙c 阳m 半卜 m 川 ( 二) 移动电极 加在电极的外力分布在电极的表面。则剪切阻力化， ( 幻= rf f ，j 一( 3 一1 5 ) 其中剪切应力rf e 由式( 3 1 1 ) 可知，假设电流变液速度 分布是线性的，电极面积= 口口一般假定为常数。将式( 3 一1 1 ) 、( 3 1 3 ) 代入( 3 1 4 ) 式中，则可得剪切阻力r j 与y r ，的关系： 似加卜州7 1 ) 半卜 ( 3 - 1 6 ) 上述分析是基于平板电极的假设，而对本文所设计的同心圆式制 动器，则需对上述理论进行修正。通常的修正方法包括对电流变液的 本构关系及针对不同结构的屯流变液器尺寸进行修正。 对于旋转式电流变液智能阻尼器( 制动器) ，可近似看成为移动电 极式，则剪切阻力为： 2 1 q u入 代 3打1 一 曲 ， )2 = ，1订p ( r 曲系关式m将n 矿 与 些坚型三叁兰塑! ：堂垡堡兰 卜屹咖+ 避一，仃) h 2 叫训+ 竿叩叫 式中r ，n 一一转予的内外半径2 一一转子宽度： 一一电极板间距离； n 一一转予转速。 上述方程中假设材料是具有塑性粘度的n e w t o n ia n 流体，每部分的 第一项是由于电流变液的剪切应力引起的，称为传输力，第二项称为 粘性力。 3 4制动过程的力学描述 一、鼓式和盘式制动器的制动力矩方程 制动器的制动力不是常数，而是随时间变化的。一般鼓式和盘式 制动器制动力矩方程可表述为： ( ) = 肌( 1 一p p7 )( n m )( 3 1 8 ) 式中肌一一静摩擦力矩( n m ) 卢一一与摩擦副的结构和轴向力有关的参数 ，一一制动时间。 丛坚些! 查兰堡：! ：兰堡笙塞 二、运动方程 制动物体的角加速度 f ( t ) ：堕( 卜p 一肌) j 式中，一一物体的转动惯量( k g m2 ) 度为 ( 3 一1 9 ) 将上式对时间积分并代入开始制动时物体的角速度uo 得出角加速 盱等e 圳k 茜， 将“r ，= 0 代入上式便可求出芦 ( 3 2 0 ) 根据实验数据回归山的曲线与上式曲线吻合即从同一实验的两 组数据回归出的式可以相互数学推导，这说明上三式较正确地描述了 制动过程。 对于车速为1 0 0 k m h 的汽印制动时一般所需时间为3s 左右。 三、电流变液制动器力矩表述 由于轴直径比转子直径小得多，故可忽略其对制动力的影响。理 论上，电流变液制动器的制动力矩由两部分组成： 7 j = 7 。十l( 3 2 1 ) 式中 n 丢巾， l 2 三肋。化为宽度系数一2 去) 式( 3 2 1 ) 中第一项( ，。) 是类似于普通流体流动所产生的粘性 阻尼矩，粘性阻尼力矩不依赖所加电场的大小只与液体的粘度、转 苎坚曼三奎兰堡主兰垡丝苎 一一 速和制动器的几何参数有关。它使制动器空载损耗，故要求此项越小 越好；第二项( l ) 是由类固态电流变液的动屈服应力而形成的剪切阻 尼力矩，剪切阻尼力矩随所加电场的大小而变化，是电流变制动器制 动力矩的可调部分。此项越大越好。 杏上：昱：翌嫂 j k nt q d q 茄 式中r ，偈取制动器的最大动屈服