用小钢辊和磁流变液设计磁流变制动器的新方法

用小钢辊和磁流变液设计磁流变制动器的新方法 摘 要 当变刚度材料被圆柱形的滚筒碾压，在变形过程中产生的阻抗力被认为是提高了磁流变制动器的阻力矩。本文提出了一种新方法，用上述提到的能够被看做钢辊的大号磁粒子提高磁流变制动器的阻力矩。在滚筒和运动部件表面之间，由于圆柱形滚筒和线接触，钢辊有助于产生一个比传统的更大的磁场和更大的阻力矩。在这篇文章中，新的磁流变制动器被设计，与传统的典型的磁流变液制动器相比，它能产生一个更大的阻力矩。为了证实滚筒的影响，被提出的新式磁流变制动器与传统的磁流变制动器做了一个比较。这 两种磁流变制动器是用相同的磁路和材料参数设计成的。新提出的磁流变制动器的性能与传统的磁流变制动器相比较，被证实可产生超出传统磁流变制动器 200%的力矩。 关键词 ：磁流变制动器，磁流变液，小钢辊，制动力矩，功能流体 1. 介绍 典型的磁流变液是一种功能液体，在惰性的载波液体中有悬浮的磁粒子。这种微粒的按大小通常是 1um 到 10um,被添加到液体中，例如矿物或硅酮油。磁流变液也包含少量的添加剂，影响微粒的极化和悬浮结构抵抗沉降的稳定性。然而， 他们可能忽视了在建模 中 流体的机械响应 。磁流变液 有别于传统的 “ 磁性流体 ” ，它 包含的粒子尺寸要小得多 ,通常在 10 纳米的顺序。 在这种规模下， 布朗运动的影响更大 ,在有磁场存在的情况下，它 防止粒子形成原纤维 1。 当磁流变液 流动时 ,剪切应变发生在流体 中， 剪切应力 的 分布发展 穿过 流体。 这种应力分布 可以 通过 使用基本的流体 力学 的粘性流方程 来 计算 2。 当一场以正常的流动方向，设置了磁性粒子成为许多平行链（纤维）和放在流。由于流体或磁 极 运动这些纤维都 被打断然后立即重组 。不断打破和重组 使 这些纤维产生抵抗力，抵抗流体或磁 极 运动 ，引起组成 剪切应力 的 场依存 性。 在大多数情况下，这部分远大于 &牛顿流体 的 粘性剪切应力 ， &是 应变率 。 磁流变液的第一次发展是由雅各伯 拉比诺 （ 1948） 在美国国家标准统计局报道的。到目前为止，已经有许多的研究注重于以基本的材料产生更好磁通密度和减小简单运动的磁粒子的大小，如温斯洛 （ 1949） 和其他粒子。磁流变液现在被发展并应用于很多执行器，例如汽车减震器，减震器，离合器，刹车，空气阀，液压阀，假肢（医学的腿和手），运动设备，机械零件表面加工抛光，以及其他 3 12 。 在磁流变液的常规应用到旋转设备时，这仍然有一个悬而未决的问题：力或力矩比较弱。这些器件以磁流变液的剪切模式 发展，这主要的原因由于力比较小。许多研究都被尝试利用一个多层旋转盘来解决这个问题。这些研究已经成功的解决了这一问题，但这些设备的结构已经变得越来越复杂和沉重。 在本文中，提议用小型钢辊设计的磁流变制动器实现了基于水动力润滑，可塑性，和电磁理论的半自动制动器的更好性能。它希望用一个更高的磁导率来增加磁通和改变磁通的方向进入磁流变区域。磁区是由磁极（墙）的边界围城的空间，其中充满了典型的磁流变流。这些区域有一个特殊形式，被称为水动力模型，在磁场淬火。它产生了力变形的效果和力从流体动力润滑性过程。当施加一个强大的 磁场，这些区迅速成为抵抗该装置运动的强大障碍。最后，磁流变制动器的阻力明显增加。此外，这篇文章对磁流变制动器提出了基于部分上述理论的数学模型。 2. 新方法的基本原理 在这一部分中，宾汉塑性模型被用来解释了磁流变液的特性和基于变形理论和改进的磁场所提出的方法的基本原理。磁流变制动器的传统理论不适用于新提出的磁流变制动器，因为传统的磁流变环境被特殊的磁流变区域边界改变，这是对辊的几何参数主要的结果。 2.1 宾汉塑料模型和典型的磁流变液操作 纤维的作用是产生剪 切 应力，这在很大程度上是独立的应变 率。这通常被称为屈服应力，记为 Y。宾汉塑 料 模型 的 应力 -应变率关系 为 yuBy )(0（ 1） 其中 B 是磁场， 是动力粘度， U /y是应变率。 流的初始运动需要克服静态屈服应力 ， )(0, Bsy ，这往往比动态屈服应力更大，yudy ,。模型能够显示磁流变液的 特性特别是在磁流变设备如刹车，磁流变阻尼器，等等。 对可控的磁流变液屈服压力的一个常见应用是离合器或制动器。流体的主要能力是承受没有达到毁坏的剪切变形，快速的响应时间，和磁流变液离合器或制动器的耦合器的平滑控制。磁流体的应用是电阻轴承应用一个令人失望的结果，这就是摩擦的力或力矩。这样的扭矩将在第 3 节解释。在这些应用中，磁流变液处于剪切模式。 磁流变液在这些应用中的缺点是当他们的链在外力下受拉时，磁粒子之间为弱连接。由于屈服应力的能力，产生的阻力是有限的。因此，磁流变设备的一个新结构提出了。 2.2 被提出 的新方法 在剪切模式，阻力的方向（这被称为制动力的结果）工作 在 固体块 上 （这个块将分布 在 多 磁流变 区）如下磁性颗粒链 的 长度方向。在这个方向，磁性纤维容易中断 当 磁盘移动 时 ，如图 1 所示。此外，分离磁性颗粒的进行液 对 降低电磁环境具有很大 影响。携带的液体可以被视为一种不可转让的磁环境。由于弱抵抗力 ， 这种环境的大小增加时磁性颗粒减少。然而， 磁流变 设备可以通过减 小一对滑盘 （磁极）之间的 间隙尺寸 来增加其 阻力 矩 。这个间隙尺寸应大于极限值。 用更 小 的间隙 ， 易于 从这个 间隙 产生 较 大的阻力，但它 的制造 和装配需要一个更困难的条件。这是剪切模式 的 一个重要缺点。因此， 为了研究，磁流变区和 磁场方向 被考虑在内 。 （ a） 无外加磁场； （ b） 与应用磁场和无外力；和 （ C） 磁性颗粒 在 外加磁场和外力的应变方向 。 图 1.剪切模式下的磁流 变液操作 在小型钢辊不仅 产生 了一些 影响， 如圆柱形的动态效果 ， 又将 磁流变区分散到许多当地的 磁流变空间 ，随着磁极的边界和辊面和充满磁流变液。它可以改变磁性纤维的方向，但它既不妨碍运动和减少系统的磁流量。 该模型如图 2 所示。如图所示在图 2 中，正是从这个模型理解了从原来的尺寸减小到硬化区的实际间隙，因为真正的间隙尺寸小于钢辊的尺寸。这些硬化区应该解构使辊的运动可能。作为一个结果，阻力生成。然而，磁场很容易硬化 MR 流体在固体的表面的运动部件（磁极）即使是由辊运动破碎。产生的阻力从这一物理现象称为制动扭矩。 图 2. 使用滚筒设计的新模型 与圆筒形的滚子，大部分的制动力矩导致磁流变液在滚筒运动下的变形过程。这种阻力可由塑性理论构建，这说明了变形材料的屈服应力和变形过程所需的外力之间的关系。当滚 筒试图越过局部磁区，它打破了磁性粒子的联合。在外加磁场下，磁流变液的屈服应力通过调节其刚度来控制。因此，在制动力矩与外加磁场成正比的运动部件上，打破磁流变的固体阶段的变形过程需要一个变外力。以圆柱形式滚筒，滚筒表面于运动构件的滑动面之间的接触在运动过程中不改变几何关系。由于这个特性，磁极也发生了变化。磁性粒子的方向链也改变了，如图 3 所示 14 。磁性纤维方向的改变有助于滚筒压缩这些磁性纤维，在滚筒试图越过磁流变区时。因此，本文提出的运作模式不同于一个传统的磁流变制动器或离合器的剪切模式。 图 3.圆柱形磁场图 （ a）变形模型 （ b）板法原理 图 4.磁流变 液块固态的变形模型 当施加磁场时，运动直到轧制力达到临界值才发生，即最小临界力打破硬化磁流变区。在这个时候，变形应力达到屈服应力，这即是磁流变液的剪切应力。变形模型如图 4（ a），而每单位宽度沿运动部件方向产生的阻力卷 F（ N / mm）表示在式（ 2b）。这个方程是建立在板法原理 13 和 15 ，这被显示在图 4（ b）和式（ 2a）。 c o s)(2s i n)(2)( RdkRdqphphdph （ 2a） )2()1(c o s2)c o s()1(2 nnnr o l l cc s okqc s okqkRTRkF （ 2b） 这是由公式（ 3a）和（ 3b）合成的 )2t a n11(t a n)1)(1( 2)c o s(2l n (2)2( 12nnn ccccchcRkq （ 3a） )2t a n11(t a n)1)(1(2)2t a n11(t a n)1)(1(2)l n(2)2(1121cccccccccchhkq nn（ 3b） 其中 q+ 和 q（ N / mm2）表示出口和入口两侧的压力； K（ N / mm2）是在纯剪切应力 K =（ B）时的屈服应力，这取决磁流变液的特性和磁场 B（特斯拉）；中和角 n（ rad）是屈服应力 = 0 N 为零的一个角，常数 12 2Rhc ；和 （ rad）的有用的硬化磁流变区的弧度制。 图 5.计算流体阻力影响的水动力模型 阻力的剩余部分的摩擦阻力，这是磁流变液的预防效果当滚筒向内移动它。这种力量可以从流体动力润滑理论计算 16 。计算流体摩擦力的数学模型被提出在图5 中，与固定坐标系统 OXY 和 XYO1。 广义的雷诺兹方程如公式 （ 4a） )(6)(12)( 3 yUtypy （ 4a） 在滑动轴承模型中，滑块以一个恒定的速度 U 和固定的几何参数移动，使 H 和X 对时间独立。对于不可压缩的润滑油 （ = const） 以恒定的速度和固定的几何形 条件，式 （ 4a） 可以简化为式 （ 4b） 。 xHUxpHx 6)( 3（ 4b） 基于润滑的剪切方程 （ 1-5a） ，在流体膜的速度分布的影响粘度 ，膜状 H，MR 流体膜速度和压力梯度，如式 （ 5） 16 . UHHyHyyxpu )(21（ 5） 从式 （ 1） 和式 （ 5） ，在磁流变液中的剪切力在式（ 6）表示为 )(1)2(21()(120 UUHHyxpB （ 6） 流体的初始运动需要克服静态屈服应力 ， S O=B，这往往比动态屈服应力更大 ， d=U /Y。模型表明，磁流变液的特征在磁流变制动和磁流变阻尼器的应用。从静态屈服应力所产生的流体阻力 ， S O=B表示式 （ 7a） 为 m ax0)( 1)(BF B （ 7a） 从动态屈服应力所产生的流体阻力， d=U /Y表在式（ 7b）为 )1(t a n1161m ax11 AARUF （ 7b） )1(tan)(83)(41)(831)1(tan)(21)(211m a x12/51221m a x221m a x1m a x12/3121m a xAAAAAAAAAAA )12(,12,2 22m axm i n2m i n1 RhcRhARhA s i n1,2,2 m ax1m ax2m i n Rhhhh 每一个单位宽度辊的总阻力是的抵抗力的总和如公式 （ 2b） 和方程 （ 7a-7b） ，和表示式 （ 8） ，当机械摩擦作用的影响，如轴承的摩擦，等等被忽视。 FFFF Br o l l )(（ 8） 在常规情况下，一个磁流变制动器或离合器的阻力仅仅是带有剪切应力的并行滑动板的动力结果，如式 （ 9） grB )(0（ 9） 其中 R 是制动盘的半径， g 为磁流变间隙， 是制动盘的旋转速度。 如式 （ 8） 和式 （ 9） ，计算每单位宽度的力明显大于常规在传统的磁流变制动器的制动力矩。本文的计算力取决于宽度和滚轮的数量，这些是对提出的磁流变制动器或离合器的主要设计参数。此外，滚轮改变磁极；因此，它改变了磁性纤维的方向。磁场分布穿过磁流变区，这不同于传统的案例，因为它仅集中在有用的区。在这个有用的区域，磁场是以增加磁性材料的磁化强度 （） B M = F H 的，来制造辊，表示式 （ 10） 为 )(0 BHfHB （ 10） 来自磁化强度 M 磁通量的由永久偶极矩理论解释称为域 14 。当磁核心放在磁场，边线将发生变化。 B 和磁性材料的 BH 之间的关系被解释说明如图 6 所示。目前，该在磁化的几个阶段的域配置被表示。饱和磁通密度 sB，磁化强度 sM，和初始磁导率 i 也表明。在这个图中，没有令人兴奋的外部磁场 H = 0，内磁场的方向是被磁场边界分离。这边界使磁场内部的总和为零。当外部施加磁场，内部磁场试图改变它的方向，按照外部磁场方向，试图把这些磁边界融合在一起。在价值外部磁场强度 H，内部磁场的总和达到极限并饱和它。磁路中的磁场是外部刺激的总和，和一种材料的主人。在这个磁材料中，磁墙试图分 开这材料对许多当地的磁区称为磁域。这些磁墙的边界可以被认为是不可转让的磁环境。作为磁流变液结果的这一理论，当磁性颗的大小粒减小时，不可转移磁环境增加，因为它使磁壁增加。这些墙很容易分开重在一起的磁域，减少磁通。然而，这外加磁场的数学关系和磁流变区不是这个研究的主要问题。 最后，本文提出了一种新的方法来增加一个常规磁流变制动器或离合器的阻力。对上述概念的，新提出的与常规的磁流变制动器被设计和制造在相同条件下。这些设计将在下一节中解释。 图 6.磁通密度 B 或磁化强度 M 相对于磁场强度 H 的关系图 3.磁流变制动器的设计 在这一部分中， 研究了 制动扭矩和常规 磁流变 制动 器 间隙尺寸 的关系， 当 外罩和 电 磁线圈 与 所提出的 磁流变 制动 器相似时， 找出 了 最佳的 磁流变 间隙尺寸。 被提出的磁流变制动器的 材料和尺寸 与传统的 磁流变制动器 完全相同。 3.1 传统磁流变制动器的设计 有公式 （ 1） 可知，通过直接剪切应力产生的元力被表达在公式 （ 11a） 中，显示在图 7（ a） 上。 dFdFdF 11(a) dAgUdAHdFBy )(11(b) 其中， dA 是磁极面积 ,dA=drdL； dr 和 dL 被 定义 为磁极的 几何尺寸， dL=rd； U 是一个 点 在半径 处的速度， rU =r； R 为 磁流变 极点 的半径 ； r 的范围 是 ,Dd RRr ；g 是磁流变的 间隙尺寸。 （ a） 磁流变区域内原件的参数 （ b）单一的副作用 （ c）双面效应 （ b） 图 7.传统磁流变制动器的机械剪切机制 制动元件的元力所产生的扭矩表示式为（ 12a） rdFdT （ 12a） )()()(32 rdr d rgrrdr d rHTBy （ 12b） 对运动部件的耦合计算转矩以上是元转矩双积分。 d r drgd r drHTDdDdRRByRR 203202 )()( （ 12c） )(2)(32 4433dDdDBy RRgRRHT （ 12d） 本文的计算扭矩也同样从变阻器轴承的理论被发现在公式（ 13-23） 16 。在磁流变制动器，剪切操作发生在对运动部件的两侧面，如图 7（ b）。因此，总的转矩是在式（ 12d）中扭矩的两倍，如式（ 12e）所示为 )()(34 44332 dDdDBy RRgRRHT （ 12e） 在公式（ 12e）中的扭矩 T2 是间隙尺寸 g、转速 、磁极几何参数 RD， Rd 的函数。 MRF-122 磁流变液被应用在这个设计中。其它参数在表 1 中列出的。 一些在间隙大小内变化，计算制动力矩的典型值见表 2。这一结果插值在公式（ 12e）。在这张表格中，一个传统的磁流变制动器设计的气隙的大小是从 0.25 毫米到 1.5 毫米选择的。然而，该间隙的限制在剪切率上起着重要的作用。在大多数研究中，为了易于制造和装配，实际间隙一般为 0.25 毫米至 2 毫米 12 。在本文中，即使间隙大小从 0.25 毫米到 0.5 毫米变化，所产生的扭矩也几乎相同 。因此，间隙大小设置为 0.5 毫米是为了制造方便。 表 1.传统磁流变制动器的设计参数 表 2.针对几种间隙尺寸的制动力矩的比较 3.2 新式磁流变制动器的设计 由公 式（ 8），每单位宽度的抵抗力 为 FFFF Bro ll )(每单位宽度的转矩如公式（ 13a） ， rFdrdTW )(（ 13a） 为随 着设备集成（ 13a），生成的一个宽度 W 单辊扭矩显示式（ 13b）和式（ 13C），其 数学参数 为图 8a。 WRRWddFrdrT （ 13b） )(2121 222ddWRRW RWRFFrT dd （ 13c） 因此， 1N 辊 宽 1 W 和 2 N 辊宽 2 W 生成的转矩在式（ 13d） 中 表达 为 )(21)(21 22222121 2211 ddddWW RWRFRWRFTTT （ 13d） （ a）单一效应 （ b）双面效应 图 8.新式磁流变制动机构 最后，双面转矩表示 为 式（ 13e） )()( 2222212 2211 dddd RWRFRWRFT （ 13e） 新式磁流变制动器的 参数被列在表 3 中。 3.3 制动力矩的比较 磁流变液 产生的转矩 和 屈服应力之间的关系如图 9 所示。在这图 中 ， 与传统的磁流变制动器相比，新式 制动 器 具有 更 优良的制动 力 矩。生成的扭矩，相对于旋转速度 的变化 ，如图 10 所示。 这 两种磁流变制动器的 结构如图 11（ a）和图 11（ b） 所示 ， 而且新式磁流变制动器与传统制动器的原型 分别 如 图 11（ c）和图 11（ d） 所示 。 为了 评价 新式磁流变制动器与 传统制动器 产生的力矩 ，在下一节中 在 相同的条件进行了实验。 表 3.新式磁流变制动器的设计参数 图 9. 磁流变 液的屈服应力和力矩 图 10. 转盘的转速和力矩 （ a） 磁流变间隙为 0.5mm 的传统制动器 （ b）被提出的磁流变制动器 （ c ） 传 统 磁 流 变 制 动 器 原 型 （ d）被提出的磁流变制动器原型 图 11. 磁流变制动装置的测试 4. 实验 4.1 实验系统 在图 12 所描述的实验设施中。PCI-1711 多功能卡用于控制当前 磁流变制动器的线圈并发送速度命令来控制交流伺服电动机的速度。扭矩传感器的扭转信号通过调制器被存储在 pci-1711 卡中。 （ a）试验系统框图 （ b）实验装置的照片 图 12. 实验装置 4.2 对应当前变化的阶跃响应 图 13 和图 14 分别显示了转矩在 50r/min 和 500r/min 速度的阶跃响应。在这些实验中，扭矩的变化是随着输入不同的电流而变化的，这些结果与相同的外部励磁场相比，被推荐的 磁流变 制动器生成的扭矩远远大于传统的 磁流变 制动器。 （ a）常规的磁流变制动器 （ b）被提出的磁流变制动器 图 13. 相对于目前的 50 rpm 的阶跃响应 （ a） 传统的磁流变制动器 （ b）磁流变制动器原型 图 14. 相对于目前的 500rpm 的阶跃响应 4.3 输出扭矩的特点 4.3.1 磁滞特性 调查的输出扭矩的磁