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目 錄
一、緒論 1
1.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng) 1
1.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的功能 1
1.1.2冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的工作原理 1
1.1.3冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要途徑 2
1.2目前風(fēng)扇離合器及存在的問題 3
1.3磁流變液離合器 3
1.4本課題的主要工作 4
二、磁流變液 5
2.1磁流變液的組成 5
2.1.1磁性顆粒 5
2.1.2載 液 6
2.1.3添加劑 6
2.2磁流變液的性能 7
2.2.1磁流變液的性能要求 7
2.2.2 磁流變液的物理性能 7
2.2.3磁流變液的化學(xué)性能 8
2.2.4磁流變液的力學(xué)性能 8
2.2.5磁流變液的質(zhì)量因數(shù) 10
2.2.6幾種磁流變液的性能 11
2.3磁流變效應(yīng) 15
2.3.1 磁流變效應(yīng)的特征 15
2.3.2 磁流變效應(yīng)的機(jī)理 15
2.3.3磁流變液的磁疇理論 16
2.3.4磁流變液的鏈化模型 17
2.3.5影響磁流變效應(yīng)的因素 18
2.4磁流變液應(yīng)用于離合器 22
三、圓筒式磁流變離合器 23
3.1圓筒式磁流變離合器工作原理 23
3.2圓筒式磁流變離合器理論分析 23
3.2.1 數(shù)學(xué)模型 23
3.2.2 流動(dòng)分析 25
四、磁流變離合器設(shè)計(jì) 29
4.1磁流變離合器的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 29
4.1.1最大有效轉(zhuǎn)矩 29
4.1.2粘塑性滑動(dòng)和打滑 29
4.1.3失效形式 30
4.1.4 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 30
4.1.5圓筒式磁流變離合器的關(guān)鍵尺寸 30
4.2圓筒式磁流變離合器的設(shè)計(jì)方法 32
4.2.1原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)內(nèi)容 32
4.2.2設(shè)計(jì)方法 32
4.3圓筒式磁流變離合器設(shè)計(jì) 33
4.3.1圓筒式磁流變離合器結(jié)構(gòu) 33
4.3.2圓筒式磁流變離合器設(shè)計(jì)計(jì)算 35
結(jié)束語 45
致 謝 46
參考文獻(xiàn) 47
附錄 英文文獻(xiàn)翻譯 48
47
智能材料在汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)
摘要
由于冷卻水溫與發(fā)動(dòng)機(jī)的許多工作性能有著直接或間接的關(guān)系，如果冷卻水溫保持最佳的溫度范圍內(nèi)，不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、減少廢氣的產(chǎn)生、還可以減少燃料消耗量、增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)性。
磁流變液 (MRF)是一種在外加磁場作用下流變特性發(fā)生急劇變化的材料，它在無外加磁場作用時(shí)呈現(xiàn)牛頓流體的流動(dòng)特性，然而在強(qiáng)磁場作用下，其表觀粘度可在毫秒級的短時(shí)間內(nèi)增加幾個(gè)數(shù)量級以上，并呈現(xiàn)類似固體的力學(xué)性質(zhì)，而且粘度的變化是連續(xù)、可逆的，即一旦去掉磁場后，又變成可以流動(dòng)的液體。
圓筒式磁流變離合器是一種利用磁流變液剪切應(yīng)力來進(jìn)行離合的一種裝置，它傳遞的力矩隨外加磁場的變化迅速變化。在沒有磁場作用的情況下，磁流變液處于液體狀態(tài)，離合器的離合力矩僅為粘性阻力。當(dāng)有一個(gè)外加磁場作用時(shí)，磁流變液中的極性粒子馬上被極化并沿著磁力線方程成鏈狀分布。這種鏈狀結(jié)構(gòu)就使磁流變液的剪切應(yīng)力增大，表現(xiàn)出塑性體的特性，因此離合器就可以傳遞一定的力矩。力矩的大小可以通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度的大小來控制。磁流變離合器具有傳動(dòng)平穩(wěn)、均衡、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、操作簡便、能耗低、壽命長等優(yōu)良性能。
本文首先對磁流變液的材料及流變特性進(jìn)行了介紹，對磁流變液本構(gòu)模型進(jìn)行了分析。對磁流變液的傳力方式進(jìn)行了討論，并根據(jù)剪切模式建立了磁流變液的傳力模型，完成了圓筒式磁流變離合器的設(shè)計(jì)，得出了基本設(shè)計(jì)公式。
關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)；磁流變液；離合器；傳力模型；幾何設(shè)計(jì)方法
The Intelligent Material Is Used For Car Cooling System
Of Application And Design
ABSTRACT
It's 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 engine's 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、緒論
1.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)
1.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的功能
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能及可靠性、耐久性有很大影響。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，與高溫燃?xì)庀嘟佑|的零部件（如氣缸蓋、氣缸套、活塞、氣門等）受到強(qiáng)烈的加熱，它的強(qiáng)度下降，而且熱應(yīng)力很大。如果發(fā)動(dòng)機(jī)得不到充分冷卻，即過熱，會(huì)產(chǎn)生很多不良后果。如:機(jī)械強(qiáng)度降低，甚至可能出現(xiàn)熱變形，破壞零件之間的配合間隙，引起零件強(qiáng)烈磨損，嚴(yán)重時(shí)，還可能發(fā)生零件斷裂事故.高溫也會(huì)引起氣缸壁機(jī)油變質(zhì)，使之失去潤滑性能，甚至結(jié)焦。高溫還會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)充氣系數(shù)下降，使其功率降低。另外，氣缸套和活塞的最大熱負(fù)荷受潤滑條件的限制，溫度超過240'C，就會(huì)因機(jī)油碳化，使活塞環(huán)膠結(jié)失去彈性并刮傷缸壁，磨損加劇;輕金屬活塞的熱應(yīng)力是受溫度制約的，隨著溫度的增加，鋁合金的強(qiáng)度將很快降低，溫度達(dá)到380-500℃以上，就不可能保證可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。反之,冷卻系統(tǒng)的冷卻能力過強(qiáng)，也是非常有害的。發(fā)動(dòng)機(jī)過冷，散熱損失的熱量多，發(fā)動(dòng)機(jī)工作的熱效率低，功率下降而耗油增加:零件過冷，膨脹量不足，相互之間的配合間隙大，零件在運(yùn)動(dòng)過程中相互碰撞，運(yùn)轉(zhuǎn)噪音增大且加快磨損速度:冷卻溫度低，會(huì)惡化混合氣的形成和燃燒，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，增加機(jī)油粘度和摩擦功率[1]。因此，冷卻系統(tǒng)的重要作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)盡快升溫，并使其保持恒溫：將受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去,保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。冷卻系統(tǒng)既要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱,也要防止冬季發(fā)動(dòng)機(jī)過冷。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)之后,冷卻系統(tǒng)還要保證發(fā)動(dòng)機(jī)迅速升溫,盡快達(dá)到正常的工作溫度
1.1.2冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的工作原理
目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多采用強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋和氣缸體中都有水套。水泵將冷卻水從機(jī)外吸入加壓，使冷水在水套內(nèi)流動(dòng)，帶走鄰近部件的熱量。冷卻水吸熱后自身溫度升高，進(jìn)入車前端的散熱器(水箱)內(nèi)。由于汽車前進(jìn)和風(fēng)扇的抽吸，外界冷空氣通過散熱器，帶走散熱器內(nèi)冷卻水的熱量并送入大氣。當(dāng)散熱器中的冷卻水得到冷卻后，在水泵的作用下，再次進(jìn)入水套.如此循環(huán)不斷地冷卻了發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件。
圖1.1冷卻系統(tǒng)的圖解：管道系統(tǒng)是如何連接的
1.1.3冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要途徑
現(xiàn)代汽車一般都采用改變通過散熱器的空氣量或改變冷卻水的流量來控制冷卻的效果。
一是調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量。冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與風(fēng)量成正比;而風(fēng)量與風(fēng)速成正比例關(guān)系。在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)速與單位時(shí)間散熱量成正比;而散熱量與冷卻液的溫度變化值(即溫度差)成正比.因此，通過控制冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可以控制冷卻液的溫度。在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速升高，單位時(shí)間內(nèi)的散熱量增多，會(huì)降低冷卻液溫度;風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，單位時(shí)間內(nèi)的散熱量減少，會(huì)提高冷卻液溫度。
二是調(diào)節(jié)冷卻水流量。目前調(diào)節(jié)水溫流量主要通過節(jié)溫器來實(shí)現(xiàn)。節(jié)溫器通常安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水出口與散熱器之間的管段上，其作用是根據(jù)冷卻水的溫度，改變冷卻水在水系中的循環(huán)路線，控制通過散熱器冷卻水的流量，調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳溫度范圍內(nèi)工作。
另外，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速可以改變冷卻水的流速，即改變冷卻水的流量；而冷卻水的流量與散熱能力成比例關(guān)系.因此，可以通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)冷卻能力。
風(fēng)速是決定散熱器散熱能力的主要因素.散熱器前風(fēng)速主要取決于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，亦即取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷工作時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降，散熱器冷卻能力降低[2]。
1.2目前風(fēng)扇離合器及存在的問題
氣動(dòng)風(fēng)扇離合器[3]與汽車壓縮氣體供給系統(tǒng)相連，利用壓縮氣體做動(dòng)力使離合器接合，離合器分離則靠彈簧力。電磁風(fēng)扇離合器依靠電磁力接合離合器，斷電則分離離合器。這兩種離合器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不可調(diào)，風(fēng)扇只能運(yùn)行或者關(guān)閉。因此控溫不理想、節(jié)油效果不好、噪聲大。但結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。繼續(xù)改進(jìn)例如氣動(dòng)風(fēng)扇離合器貯氣筒經(jīng)過供氣管路中的一只電磁閥向離合器供氣等；電磁風(fēng)扇離合器做成有刷式。這些措施可以改良冷卻性能卻導(dǎo)致裝置復(fù)雜、可靠性變差以及成本升高。
目前對冷卻系統(tǒng)的控制多由硅油風(fēng)扇離合器控制冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)．硅油風(fēng)扇離合器是一種以硅油為傳遞介質(zhì)，并由散熱器后面氣流溫度控制的液力傳動(dòng)離合器。它由感溫元件隨發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度變化調(diào)節(jié)主、從動(dòng)盤之間硅油注入量來控制和調(diào)節(jié)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度。發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速上升，冷卻效果增大；反之，轉(zhuǎn)速下降，冷卻效果減小。該風(fēng)扇離合器可隨發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度高低來調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)扇風(fēng)量去適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在合適的溫度下工作，從而達(dá)到延長發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命、降低噪聲和減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失的作用。但是它不是一個(gè)真正的離合器，它由輸入輸出部件之間硅油的剪切作用提供轉(zhuǎn)矩，既不能鎖緊成1:1的同步傳動(dòng)，又不能完全的分離。這使得輸入輸出之間總存在一定的轉(zhuǎn)速差，一般輸出轉(zhuǎn)速為輸入轉(zhuǎn)速的30 %～90 %。雖然傳統(tǒng)的硅油風(fēng)扇離合器理論上輸出的轉(zhuǎn)速無級可調(diào)，但由于其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，調(diào)速靈敏性不高，溫度變化時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化不能及時(shí)跟上，不能準(zhǔn)確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻狀態(tài)，且增加了燃油的消耗。
因此，研究新型風(fēng)扇離合器，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有硅油風(fēng)扇離合器更簡單，且能夠準(zhǔn)確控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻狀態(tài)的新型風(fēng)扇離合器就顯得非常必要。
1.3磁流變液離合器
美國學(xué)者Rabinow[4]在1948年發(fā)明了磁流變液及磁流變離合器，并在1915年申請了磁流變液傳遞轉(zhuǎn)矩器件的專利[5].從50年代到80年代，磁流變液發(fā)展一直非常緩慢。進(jìn)入90年代，磁流變液的研究重新煥發(fā)了生機(jī);特別是，自1995年起，兩年一屆的國際電流變液會(huì)議也易名為國際電流變液與磁流變液會(huì)議[6-8]，促進(jìn)了磁流變液和磁流變器件的研究和開發(fā)。
磁流變液(MRF)是一種在外加磁場作用下流變特性發(fā)生急劇變化的材料，它在無外加磁場作用時(shí)呈現(xiàn)牛頓流體的流動(dòng)特性，然而在強(qiáng)磁場作用下，其表觀粘度可在毫秒級的短時(shí)間內(nèi)增加幾個(gè)數(shù)量級以上，并呈現(xiàn)類似固體的力學(xué)性質(zhì)，而且粘度的變化是連續(xù)、可逆的，即一旦去掉磁場后，又變成可以流動(dòng)的液體。
磁流變液[9]作為一種新型的智能材料，它的表觀粘度和屈服應(yīng)力可用外加磁場連續(xù)調(diào)控?；谶@一特性設(shè)計(jì)成的磁流變器件具有響應(yīng)時(shí)間快、結(jié)構(gòu)簡單和能耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。這使磁流變液在工程技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[10-16]。
磁流變液在離合器中的應(yīng)用是充分利用磁流變液在外加磁場作用下能產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的特長和傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，去開拓為實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能的磁流變液離合器新裝置和新產(chǎn)品。盡管機(jī)械設(shè)計(jì)方法是一種傳統(tǒng)的方法，但是開發(fā)利用磁流變效應(yīng)而構(gòu)思的磁流變液離合器，則充分考慮了磁流變效應(yīng)以及其工作介質(zhì)— 磁流變液體的某些特殊條件。
利用磁流變液體在外加磁場作用下產(chǎn)生的磁流變效應(yīng)[17][18]使磁流變液能夠用于離合器的主要依據(jù)是:
① 磁流變效應(yīng)能夠使磁流變液體的表觀粘度在一定的條件范內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化，此變化可以控制并且可逆。
② 磁流變效應(yīng)能夠使磁流變液體在外加磁場作用下，具有一定的屈服強(qiáng)度，并且隨著外加磁場強(qiáng)度的增加，磁流變液體的屈服強(qiáng)度增加，即磁流變液體的屈服強(qiáng)度可由外加磁場連續(xù)調(diào)控。
③ 磁流變效應(yīng)能夠使磁流變液體，在一定條件下由液態(tài)變成固態(tài)，使其失去動(dòng)流性。
④ 磁流變效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間非常短，響應(yīng)速度快。
⑤ 實(shí)現(xiàn)磁流變效應(yīng)的能耗低。
⑥ 控制磁流變效應(yīng)的信號容易獲得，即通過外加磁場強(qiáng)度。
⑦ 易與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能控制，進(jìn)行智能機(jī)械開發(fā)。
磁流變液離合器是一種利用磁流變液剪切應(yīng)力來進(jìn)行離合的一種裝置，它傳遞的力矩隨外加磁場的變化迅速變化。在沒有磁場作用的情況下，磁流變液處于液體狀態(tài)，離合器的離合力矩僅為粘性阻力。當(dāng)有一個(gè)外加磁場作用時(shí)，磁流變液中的極性粒子馬上被極化并沿著磁力線方程成鏈狀分布。這種鏈狀結(jié)構(gòu)就使磁流變液的剪切應(yīng)力增大，表現(xiàn)出塑性體的特性，因此離合器就可以傳遞一定的力矩。力矩的大小可以通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度的大小來控制。磁流變離合器具有傳動(dòng)平穩(wěn)、均衡、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、操作簡便、能耗低、壽命長等優(yōu)良勝能。
1.4本課題的主要工作
本文首先對磁流變液的材料及流變特性進(jìn)行了介紹，對磁流變液本構(gòu)模型進(jìn)行了分析。對磁流變液的傳力方式進(jìn)行了討論，并根據(jù)剪切模式建立了磁流變液的傳力模型，得出了基本設(shè)計(jì)公式，完成了圓筒式磁流變離合器的設(shè)計(jì)。
二、磁流變液
磁流變液是將微米尺寸的磁極化顆粒分散溶于絕緣載液中形成的特定非膠性懸浮液體，因而其流變特性隨外加磁場變化而變化。未加磁場時(shí)，磁流變液的流變特性與普通牛頓流體[19]相似，若加一中等強(qiáng)度的磁場作用時(shí)，其表觀粘度系數(shù)增加兩數(shù)量級以上，當(dāng)磁流變液受到一強(qiáng)磁場作用時(shí)，就會(huì)變成類似“固體”的狀態(tài)，流動(dòng)性消失。一旦去掉磁場后，又變成可以流動(dòng)的液體，這種可逆轉(zhuǎn)變可以在毫秒量級內(nèi)完成。
2.1磁流變液的組成
磁流變液[21]主要由磁性粒子、載液和添加劑三個(gè)部分[22]組成。
圖2.1 磁流變液的組成
磁性顆粒的關(guān)鍵問題是制作，目前磁性顆粒的制作方法主要有：共沉法、熱分解法、超聲分解法和沉積法。
2.1.1磁性顆粒
磁性材料主要是 Fe3O4 、Fe3 N、Fe、Co、Ni等固體微粒，其中磁飽和度最大的微粒是鐵鈷合金，它的磁飽和度能達(dá)到2.4T，但考慮價(jià)格問題，實(shí)際應(yīng)用最多的是純鐵粉和羰基鐵粉[23]，磁飽和度為2.1T。其他材料的磁飽和度都比鐵粉低。磁性顆粒的直徑一般為0.1-100μm，常見值為3-5μm。只有氧化物顆粒的直徑能達(dá)到約30 nm , 但是這種氧化物顆粒的磁飽和度較低, 配制的MRF 產(chǎn)生的應(yīng)力最大約為5 kPa 。
磁流變液中的固體顆粒在磁場作用下產(chǎn)生的磁極化，是磁流變液產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的核心。因此，固體顆粒材料的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，對磁流變液的性能起
著決定作用。根據(jù)磁流變效應(yīng)的機(jī)理研究結(jié)論，對固體顆粒有以下要求，即:
1.在外加磁場作用下，磁性顆粒具有磁化效應(yīng);在撤除磁場時(shí)，磁性顆粒具有退磁效應(yīng)。
2.磁性顆粒材料的磁導(dǎo)率要大，尤其是磁導(dǎo)率的初始值和最大值必須要大;
3.磁性顆粒材料應(yīng)具有較大的磁飽和強(qiáng)度，從而給磁流變液內(nèi)的磁性顆粒相互間提供最大能量。
4.磁性顆粒材料應(yīng)能夠在足夠?qū)挼墓ぷ鞣秶鷥?nèi)保持穩(wěn)定的性能;一般要求的.工作范圍為-40oC ～150oC。
5 磁性顆粒與基液的比重要相適應(yīng)，以防止磁性顆粒在基液中沉淀過快;
6.磁性顆粒的大小要適當(dāng)，形狀要合理;磁性顆粒的大小一般在1～10μm范圍內(nèi)，形狀一般是球形的，也有橢圓形的;
7.磁性顆粒材料應(yīng)具有穩(wěn)定的化學(xué)性能和物理性能:
8.磁性顆粒材料應(yīng)耐磨、無毒和對其接觸材料無腐蝕性。
2.1.2載 液
載液是磁流變液的主要成分，其性能對磁流變液具有直接的影響[24]，一般來說，磁流變液的載液應(yīng)具有如下的特點(diǎn): ①高沸點(diǎn)、低凝固點(diǎn)。這可以確保磁流變液具有較寬的工作溫度范圍; ②適宜的黏度，磁流變液的零磁場條件下應(yīng)具有較低的黏度, 要求載液的黏度越低越好, 但黏度不能太低，否則沉降穩(wěn)定性變差。此外，載液還應(yīng)該具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、無毒、無異味、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。目前MRF載液主要有以下幾類。
(1) 非磁性液體基載液 主要有硅油、礦物油、合成油、水和乙二醇等。為確保顆粒的懸浮穩(wěn)定性, 并增加整個(gè)磁流變液的流變學(xué)性質(zhì),一般需要使用添加劑, 如加入各種表面活性劑(如油酸)或保護(hù)性膠體物質(zhì)(如硅膠、硅氧化物等),防止磁性顆粒沉淀及不可逆轉(zhuǎn)的海綿狀絮凝。絕大部分的研究和應(yīng)用都使用這種類型的磁流變液。美國Lord材料公司的3種商品化磁流變液是載液分別為合成油、硅油和水的羰基鐵粉磁流變液。水基載液可以克服傳統(tǒng)有機(jī)載液的聚合、老化、細(xì)菌繁殖且易燃等特點(diǎn), 但要加入一些抗沉淀劑、增稠劑或流變改性劑等來使液體變稠以降低顆粒沉降。
(2) 磁性液體基載液 即用膠體狀的磁流體作為載液(如鐵磁流體) , 使磁流變液的屈服應(yīng)力大為提高。由于載液(磁流體)的密度提高, 使磁流變液的穩(wěn)定性增強(qiáng)。
(3) 特殊型載液 由于某種特殊的要求,往往要選擇具有特殊性質(zhì)的載液, 比如既可以導(dǎo)電又可以導(dǎo)磁的載液,將0.15～0.2mm尺寸的鐵磁顆粒(例如含4%Si的硅鋼)分散在含有0.5μm石墨顆粒的未聚合的環(huán)氧樹脂基體中可制成多用途磁流變液，這種樹脂基體的黏度系數(shù)為300Pa·s(20℃)。使用高黏度的載液可以有效防止磁流變液的沉降。
2.1.3添加劑
磁流變液母液的密度一般為1g/cm左右，而懸浮顆粒的密度為 7～8 g/cm ,由于磁性顆粒的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于母液的密度而造成的磁性顆粒的沉降一直是很難解決的問題之一。此外，懸浮顆粒的直徑一般僅為幾個(gè)微米，比表面積大,也容易團(tuán)聚而沉降。目前解決此問題最為有效的方法就是添加不同類型的表面活性劑，一般是親油基和親水基這兩種性質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)組成的低聚物，它的親水基可以吸附在磁性顆粒的表面，而親油基像“鞭梢”一樣擴(kuò)散在母液當(dāng)中。磁性顆粒吸附表面活性劑以后，由于親油基的“鞭梢”相互纏繞及排斥，一方面會(huì)增加顆粒的體積，減少它們相互吸引碰撞的機(jī)會(huì)；從而降低由于顆粒與母液的密度差而造成的顆另一方面會(huì)在母液內(nèi)部形成一個(gè)相互作用的三維骨粒沉降。
2.2磁流變液的性能
2.2.1磁流變液的性能要求
一般來說，良好的磁流變液必須具備下列性能:
① 磁流變液所具有的磁流變效應(yīng)是一種可逆變化，它必須具有磁化和退磁兩種過程，這種流體的磁滯回線必須狹窄，內(nèi)聚力小，而磁導(dǎo)率很大，尤其是磁導(dǎo)率的初始值和極大值必須很大[25];
② 這種懸浮液應(yīng)具有較大的磁飽和，以便使得盡可能大的“磁流”通過懸浮體的橫截面，從而給顆粒相互間提供盡可能大的能量;
③ 這種液體在接上交流電的工作期間內(nèi)，全部損耗(磁滯現(xiàn)象，渦流等)都應(yīng)是很小的一個(gè)量;
④ 這種液體中的強(qiáng)磁性粒子的分布必須均勻，而且分布率保持不變，這樣才能保證其具有高度的磁穩(wěn)定性能;
⑤為了防止磁流變液被磨損并改變性能，液體必須具有極高的“擊穿磁場’、
⑥ 一般說來，這種液體的穩(wěn)定性應(yīng)不隨溫度的變化而改變，即在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)具有較高的穩(wěn)定性;
⑦ 構(gòu)成磁流變液的原材料應(yīng)廉價(jià)而不是稀少的。
2.2.2 磁流變液的物理性能
① 磁流變液中，顆粒和基礎(chǔ)液的比重，特別是混合后兩者的比重是否會(huì)由于巨大的失配而引起沉淀。
② 顆粒材料的磁導(dǎo)率，顆粒的大小、形狀及分布。
③ 基液的凝固點(diǎn)、沸點(diǎn)和閃點(diǎn)的溫度，以及它的粘度和粘溫特性。
2.2.3磁流變液的化學(xué)性能
① 顆粒、基礎(chǔ)液和添家劑的化學(xué)成分，以及其分子式和結(jié)構(gòu)式。
② 顆粒、基礎(chǔ)液和添家劑的化學(xué)穩(wěn)定性，它們在儲(chǔ)存和使用過程中，是否會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，引起性能的變質(zhì)，特別是氧化、分解等。
③ 使用中是否會(huì)產(chǎn)生有害人體和環(huán)境的毒性物質(zhì)。
2.2.4磁流變液的力學(xué)性能
此處省略NNNNNNNNNNNNNN字，由于圖紙不能上傳，如需全套設(shè)計(jì)和圖紙資料請聯(lián)系扣扣九七一九二零八零零！
2.2.5磁流變液的質(zhì)量因數(shù)
磁流變裝置的機(jī)械能密度由下式給出
（2.1）
式中為機(jī)械能密度;為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力;為剪應(yīng)變率。
磁流變裝置的磁能密度由下式給出
(2 .2)
式中為磁能密度:B和H分別是磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度；是在磁流變液流體中形成磁場的特征時(shí)間。
把機(jī)械能密度和磁能密度的比值定義為流體的效率，用表示。
(2 .3)
由以上的推導(dǎo)可以得到以下幾個(gè)質(zhì)量因數(shù):
(2 .4)
由式可以看出，與體積V成反比,其單位為Pa/s,提高這個(gè)質(zhì)量因數(shù)可減小磁流變液的有效體積，縮小裝置的尺寸;另一方面，磁能可表示為
(2 .5)
由上式可以看出，體積的減小可降低磁能損耗。
對于重要敏感的應(yīng)用中，可以改變這個(gè)質(zhì)量因數(shù)，來克服較大的流體密度，即:
(2 .6)
式中為磁流變液的密度，也與磁流變液體積成反比，其單位為m/s3
最后，在磁場變化范圍很大的應(yīng)用中，建立在功率基礎(chǔ)上的一個(gè)無量綱的質(zhì)
量因數(shù)由下式給出
(2 .7)
增大這個(gè)質(zhì)量因數(shù)將減小磁流變液傳動(dòng)裝置的磁能損耗。
運(yùn)用這三個(gè)質(zhì)量因數(shù)可以對各種不同的磁流變液的特性進(jìn)行比較，這對磁流變液的選用提供了很重要的參考價(jià)值。
2.2.6幾種磁流變液的性能
1）MRF-132AD磁流變液
MFR-132AD磁流變液可用在多種裝置中，例如減振器、制動(dòng)器、離合器、閥及彈性支座。在沒有外加磁場的情況下，MFR-132AD磁流變液很容易地從使用裝置的兩個(gè)固定的或相對運(yùn)動(dòng)的圓盤或平板所形成的縫隙中流過。加上磁場后，縫隙內(nèi)的粒子受到磁極化，這些受到磁極化的粒子沿磁場方向排成一列形成粒子鏈結(jié)構(gòu)，這種鏈結(jié)構(gòu)能阻礙磁流變液體在縫隙中流動(dòng)，并可承受一定剪切力作用。通過改變所加磁場的強(qiáng)度，可以改變粒子間的吸引力，從而可以對MFR-132AD磁流變液體的流變特性進(jìn)行連續(xù)控制。當(dāng)所加磁場取消后，該液體可以在裝置中自由流動(dòng)。其性能數(shù)據(jù)如表2.1
表2.1磁流變液MRF—132AD的性能
圖2.10 20℃不加磁場時(shí)剪切應(yīng)力與剪應(yīng)變率的關(guān)系(MFR-132AD）
圖 2.10為 MFR-132AD的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力與外加磁場的關(guān)系，當(dāng)磁場強(qiáng)度H=0-200kAmp/m時(shí)，如磁場強(qiáng)度H分別為25kAmp/m，50kAmp/m，100kAmp/m，200kAmp/m時(shí)，屈服應(yīng)力分別為8.037kPa、16.449kPa、29.159kPa和42.056kPa，這表明隨著外加磁場強(qiáng)度的增加，屈服應(yīng)力迅速增加:而磁場強(qiáng)度H 大于200kAmp/m時(shí)，如磁場強(qiáng)度H分別為225kAmp/m，250kAmp/m，275kAmp/m時(shí)，屈服應(yīng)力分別為42.991kPa、43.738kPa和44.112kPa，這表明隨著外加磁場強(qiáng)度的增加，屈服應(yīng)力增加很緩慢，屈服應(yīng)力逐步達(dá)到磁飽和。
圖2.11 屈服應(yīng)力與磁場強(qiáng)度的關(guān)系(MRF—132AD）
2）MRF一14OCG磁流變液
MRF-14OCG磁流變液可用減振器、制動(dòng)器、離合器、閥及彈性支座，其性能數(shù)據(jù)如表2.2。
表2.2磁流變液MRF一140CG的性能
圖2.12 在40℃不加磁場時(shí)剪切應(yīng)力與剪應(yīng)變率的關(guān)系(MRF一140CG）
圖2.13 屈服應(yīng)力與磁場強(qiáng)度的關(guān)系（MRF一14OCG）
圖2.12表示了40℃不加磁場時(shí)，磁流變液材料MRF一14OCG的剪切應(yīng)力隨剪應(yīng)變率的變化的曲線，當(dāng)剪切應(yīng)變率分別為100(1/s)、200(1/s)、400(1/s)、800(1/s)和1200(1/s)時(shí)，磁流變液產(chǎn)生的剪切應(yīng)力為64.96pa、97.44pa、157.2pa、272.83pa和387.16Pa， 這表明隨著剪切應(yīng)變率的增大，剪切應(yīng)力增大磁流變液表現(xiàn)出非牛頓流體行為。
圖2.13 為 MRF一14OCG的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力與外加磁場的關(guān)系，當(dāng)磁場強(qiáng)度H=0-200kAmp/m時(shí)，如磁場強(qiáng)度H分別為25kAmp/m、50kAmp/m、100kAmp/m和150kAmp/m時(shí)，屈服應(yīng)力分別為14.254kpa、25.5kpa、44.029kPa和54.477kpa，這表明隨著外加磁場強(qiáng)度的增加，屈服應(yīng)力迅速增加;而磁場強(qiáng)度H大于150kAmp/m時(shí)，如磁場強(qiáng)度H分別為175kAmp/m和200kAmp/m時(shí)，屈服應(yīng)力分別為57.75kpa和58.5kPa，這表明隨著外加磁場強(qiáng)度的增加，屈服應(yīng)力增加很緩慢，屈服應(yīng)力逐步達(dá)到磁飽和
2.3磁流變效應(yīng)
2.3.1 磁流變效應(yīng)的特征
磁流變效應(yīng)是指磁流變液在外加磁場作用下，其流動(dòng)狀態(tài)(一般是指表示其流動(dòng)阻力的表觀粘度)和流體的屈服強(qiáng)度發(fā)生了強(qiáng)烈變化的現(xiàn)象。磁流變效應(yīng)作為一種特殊的物理現(xiàn)象，一般具有以下特征:
①在外加磁場的作用下，磁流變液的表觀粘度可隨磁場強(qiáng)度的增大而增大，甚至在某一種磁場強(qiáng)度下，達(dá)到停止流動(dòng)或固化，但當(dāng)磁場撤除后，磁流變液又恢復(fù)到原始的粘度，即在外加磁場作用下，磁流變液可在液態(tài)和固態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
② 在外加磁場的作用下，磁流變液由液態(tài)至固態(tài)之間轉(zhuǎn)換是可逆的。
③ 在外加磁場作用下，磁流變液的屈服強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度的增大而增大。
④ 在外加磁場作用下，磁流變液的表觀粘度和屈服強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度的變化是連續(xù)的和無級的。
⑤ 在外加磁場作用下，磁流變液的表觀粘度和屈服強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度的變化是可控的，這種控制可以是人控的或自動(dòng)的。
⑥ 磁流變效應(yīng)的控制較簡單，它只應(yīng)用一個(gè)極易獲得的磁場強(qiáng)度信號即可。
⑦ 磁流變效應(yīng)對磁場作用的響應(yīng)十分靈敏，一般其響應(yīng)時(shí)間為毫秒級。
⑧ 控制磁流變效應(yīng)的能量低，即由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)換，不像物理現(xiàn)象中的相變要吸收或放出大量的能量。
磁流變效應(yīng)的上述特征是發(fā)展磁流變液在工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的科學(xué)依據(jù)，在充分利用這些特征的基礎(chǔ)上，就能夠開發(fā)一系列性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、有市場競爭能力的新產(chǎn)品。
2.3.2 磁流變效應(yīng)的機(jī)理
在外加磁場作用下，磁流變液中的磁性顆粒的磁極化是產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的原因。磁極化是由磁場作用引起的，此外磁流變液的變稠和產(chǎn)生抗剪屈服現(xiàn)象，也是由于磁場引起的作用力形成的。
整個(gè)磁流變效應(yīng)的發(fā)生過程是：磁場作用下分散相顆粒發(fā)生磁極化→形成偶極子現(xiàn)象→帶有偶極矩的顆粒產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)（伴隨著能耗）→顆粒在磁力的作用下定向排列→顆粒從無序隨機(jī)狀態(tài)到有序化、成鏈、成束或形成某種結(jié)構(gòu)→對外呈現(xiàn)明顯的磁流變效應(yīng)（即表觀粘度增大、凝固以及呈現(xiàn)剪切屈服應(yīng)力）。
在磁場作用下固體顆粒的磁極化是產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的主要因素。固體顆粒的磁極化包括以下2個(gè)方面：
㈠ 固體顆粒的體內(nèi)磁極化，可以由磁疇理論來解釋。在磁流變液中，每一個(gè)小顆粒都可以當(dāng)作一個(gè)小的磁體。在這種磁體中，相鄰原子間存在著強(qiáng)交換耦合作用。它促使相鄰原子的磁矩平行排列，形成自發(fā)磁極化飽和區(qū)域，即磁疇。沒有外加磁場作用時(shí)，每個(gè)磁疇中各個(gè)原子的磁矩排列取向一致，而不同磁疇磁矩的取向不同。磁疇的這種排列方式使每一顆粒處于能量最小的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，所有顆粒平均磁矩為零，顆粒不顯磁性。在外加磁場作用下，磁矩與外磁場同方向排列時(shí)的磁能低于磁矩與外磁場反方向排列時(shí)的磁能，結(jié)果是磁矩與外磁場成較大角度的磁疇體積逐漸縮小。這時(shí)顆粒的平均磁矩不等于零，顆粒對外顯示磁性，按序排列相接成鏈。
㈡ 發(fā)生在固體顆粒與基礎(chǔ)液兩相接觸的界面處的界面磁極化，這類磁極化可以為是固體顆粒與基礎(chǔ)液的磁導(dǎo)率和磁極化率不同，在外加磁場作用下，有分子電荷在其中流動(dòng)時(shí)，在界面處產(chǎn)生電荷堆積，形成電荷在顆粒表面的不均勻分布所引起的。在外加磁場作用下，顆粒發(fā)生上述所述的磁極化現(xiàn)象，于是定向移動(dòng)形成偶極子鏈。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度較弱時(shí)，鏈數(shù)量少、長度短、直徑也較細(xì)，剪斷它們所需外力也較小。隨著外加磁場強(qiáng)度的不斷增大，取向與外加磁場成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇開始向外磁場方向旋轉(zhuǎn)，磁流變液中鏈的數(shù)量增加，長度加長，直徑變粗，磁流變液對外所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強(qiáng)；再繼續(xù)增加磁場，所有磁疇沿外加磁場方向整齊排列，磁極化達(dá)到飽和，磁流變液的剪切應(yīng)力也達(dá)到飽和。
2.3.3磁流變液的磁疇理論
根據(jù)磁疇理論可以解釋磁流變效應(yīng)。在磁流變液中，每一個(gè)小顆粒都可以當(dāng)作一個(gè)小的磁體。在這種磁體中，相鄰原子間存在著強(qiáng)交換禍合作用。它促使相鄰原子的磁矩平行排列，形成自發(fā)磁化飽和區(qū)域，即磁疇。沒有外加磁場作用時(shí)，每個(gè)磁疇中各個(gè)原子的磁矩排列取向一致，而不同磁疇磁矩的取向不同。磁疇的這種排列方式使每一顆粒處于能量最小的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，所有顆粒平均磁矩為零，顆粒不顯磁性。在外加磁場作用下，磁矩與外磁場同方向排列時(shí)的磁能低于磁矩與外磁場反方向排列時(shí)的磁能，結(jié)果是自發(fā)磁化磁矩成較大角度的磁疇體積逐漸縮小。這時(shí)顆粒的平均磁矩不等于零，顆粒對外顯示磁性，按序排列相接成鏈。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度較弱時(shí)，鏈數(shù)量少、長度短、直徑也較細(xì)，剪斷它們所需外力也較小。隨著外加磁場強(qiáng)度的不斷增大，取向與外加磁場成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇開始向外磁場方向旋轉(zhuǎn)，磁流變液中鏈的數(shù)量增加，長度加長，直徑變粗，磁流變液對外所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強(qiáng);再繼續(xù)增加磁場，所有磁疇沿外加磁場方向整齊排列，磁化達(dá)到飽和，磁流變液的剪切應(yīng)力也達(dá)到飽和。
2.3.4磁流變液的鏈化模型
① 磁流變液的鏈化過程
磁流變液中的顆粒磁極化后的鏈化過程主要與外加磁場強(qiáng)度有關(guān)系。在外加磁場作用下，磁流變液中的相鄰顆粒問存在著強(qiáng)交換藕合作用，以促使相鄰的原子的磁矩平行排列，形成磁疇。當(dāng)磁矩與外加磁場同方向排列時(shí)的磁能低于磁矩與外加磁場反方向排列時(shí)的磁能時(shí)，磁流變液中的顆粒平均磁矩不等于零，顆粒對外顯示磁性，按序排列相接成鏈。其鏈化過程如圖2.9所示，顆粒被當(dāng)作一些剛性微球，它們代表磁性顆粒，圖(1)表示無磁場作用時(shí)，顆粒無規(guī)律地分布在基礎(chǔ)液中，這種情況下的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力為零;圖（2）表示在外加磁場H作用下，在時(shí)間t=0s時(shí)，顆粒磁極化后形成的偶極子;圖(3)表示在外加磁場H作用下，在時(shí)間t=0.1s時(shí)，磁流變液中的顆粒按序排列相接成鏈，磁流變液的表現(xiàn)粘度、增加;圖(4)表示增加磁場強(qiáng)度，在時(shí)間t=1s時(shí)，磁鏈的數(shù)量增加，直徑變粗，磁流變液的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和表觀粘度增大，對外所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強(qiáng);圖(5)表示當(dāng)撤除外加磁場時(shí)，磁流變液材料迅速復(fù)原，其響應(yīng)時(shí)間只有幾毫秒。
圖2.9 顆粒鏈化過程的微觀圖
② 磁流變液鏈化的集聚方式
當(dāng)有外加磁場作用時(shí)，顆粒被產(chǎn)生有序化的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)從顆粒磁極化一開始就產(chǎn)生，直至有序化運(yùn)動(dòng)終止，達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，形成某種固定的結(jié)構(gòu)，即這些顆粒在磁場力作用下相互吸引，沿著N極和S極之間的磁力線方向形成鏈
狀結(jié)構(gòu)，這一過程稱之為鏈化過程。顆粒磁極化后在磁場及顆粒之間相互作用下
的有序化運(yùn)動(dòng)，最終形成的結(jié)構(gòu)，與單位體積內(nèi)顆粒的數(shù)目、磁場強(qiáng)度及顆粒在
基液中的Brownian運(yùn)動(dòng)(熱運(yùn)動(dòng))的干擾和摩擦阻力的影響等有關(guān)。根據(jù)固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)不同，在磁流變液中可能有四種形態(tài)的顆粒集聚方式，即:
1)通鏈。這種鏈?zhǔn)怯稍S多顆粒緊密聯(lián)接而成，并粘附于兩個(gè)平板之上，形成一個(gè)由許多顆粒構(gòu)成的實(shí)體，這種鏈稱為通鏈。
2)支鏈。這種鏈的一端從一個(gè)平板開始，或粘附于一個(gè)平板之上，而另一端則終止于兩平板間的某一位置，這種鏈稱為支鏈。
3)孤立鏈。這種鏈的兩端與任何一個(gè)平板都不聯(lián)接，而是漂浮在基礎(chǔ)液中，類似一個(gè)有序排列的顆粒集團(tuán)，這種鏈稱為孤立鏈。
4)束鏈。當(dāng)固體顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，有一些通鏈聚集而成為束鏈。
2.3.5影響磁流變效應(yīng)的因素
影響磁流變效應(yīng)強(qiáng)弱的主要因素有以下因素:
① 外加磁場的磁場強(qiáng)度
在外加磁場作用下，磁流變液具有一定的屈服應(yīng)力，并且屈服應(yīng)力隨外加磁場的增加而增加，這種現(xiàn)象被認(rèn)為是磁流變效應(yīng)的主要標(biāo)志。
② 顆粒的磁飽和強(qiáng)度
Carlson[30]人利用偶極子相互作用模型描述了磁流變液特性，建立了流變性能與懸浮相微粒飽和磁化強(qiáng)度的關(guān)系式
(2.8)
式中，為磁流變液的剪應(yīng)屈服應(yīng)力，和分別為懸浮相微粒的平均磁化強(qiáng)度和體積分?jǐn)?shù)，為應(yīng)變量，為介質(zhì)相對磁導(dǎo)率，h為單鏈中微粒間隙寬度。該模型考慮了隨外磁場增加伴隨微粒的磁化飽和產(chǎn)生的磁非線性問題，能夠用來評價(jià)磁流變體材料的磁學(xué)性能和力學(xué)性能。同時(shí)，利用所提供的微粒網(wǎng)內(nèi)磁通密度分布機(jī)理對上述模型進(jìn)行擴(kuò)展，建立了復(fù)合流體的平均磁通密度與外磁場強(qiáng)度的關(guān)系式(2.9)及磁化強(qiáng)度的關(guān)系式(2.10)分別如下
(2.9)
(2.10)
式中，B為磁流變體的平均磁通密度，，是磁極化率，a為懸浮相微粒飽和磁化區(qū)和未飽和磁化區(qū)的比值，可作為B的函數(shù)來求，為懸浮相微粒飽和磁化強(qiáng)度。由式(2.9)可知剪應(yīng)屈服應(yīng)力與成正比，即選擇高飽和磁化強(qiáng)度的懸浮相可提高屈服應(yīng)力值，這與Ginder[31]等人的研究結(jié)果相一致。當(dāng)懸浮相微粒磁化飽和后，剪切應(yīng)力隨磁場強(qiáng)度的增大變緩。隨懸浮相體積分?jǐn)?shù)的增大，剪切應(yīng)力雖有較大幅度的增加，但同時(shí)會(huì)帶來零場粘度的增大，屈服應(yīng)力下降。另外，從磁流變體的B一H實(shí)驗(yàn)曲線可以看出飽和磁化后內(nèi)察磁感應(yīng)強(qiáng)度仍隨磁場強(qiáng)度的增加而非常緩慢地增大。微粒間間隙增大，這被解釋為微粒重構(gòu)和磁場增加所致。對一定體積分?jǐn)?shù)懸浮相的磁流變體，可通過得到磁化飽和時(shí)的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度值。該模型通過調(diào)整建模過程中參量值來補(bǔ)償鏈間相互作用的影響?？梢钥闯觯x擇高飽和磁磁極化強(qiáng)度的懸浮相可屈服應(yīng)力。但當(dāng)懸浮相顆粒磁磁極化飽和后，屈服應(yīng)力幾(H)隨外加磁場強(qiáng)度的增加變緩。
③ 磁流變液的磁化率
固體 顆 粒 的 磁 化率是影響磁流變液剪切應(yīng)力的另一個(gè)重要影響因素，不同的顆粒材料具有不同的磁學(xué)特性，其在不同磁場強(qiáng)度下的磁化率也會(huì)不同，導(dǎo)致磁流變材料的宏觀特性也會(huì)不同。剪切應(yīng)力隨著磁化率的增加而增加，在磁化率較小時(shí)，增加的較快，在磁化率較大的情況下，增加的幅度不是很明顯。要得到具有良好磁流變效應(yīng)的磁流變液，應(yīng)該選用磁化率對磁場強(qiáng)度敏感的材料做懸浮項(xiàng)顆粒。
④ 顆粒體積百分?jǐn)?shù)
固體顆粒的濃度對磁流變效應(yīng)有明顯的影響，隨著固體顆粒體積百分率的增大，相同磁場強(qiáng)度和剪應(yīng)變率所對應(yīng)的剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)介質(zhì)百分率大于30%時(shí)，磁流變液易出現(xiàn)沉淀，將影響材料的磁流變效應(yīng)。
固體顆粒的濃度是指作為分散相的固體顆粒在磁流變體中所占的體積比。固體顆粒在磁場作用下磁極化，在兩極間形成貫通的磁鏈，當(dāng)固體顆粒數(shù)目較多時(shí)，更可在磁鏈基礎(chǔ)上集聚成柱或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而增加了磁流變液的粘度和阻力，甚至固化，具有明顯增強(qiáng)屈服應(yīng)力，亦即增強(qiáng)磁流變效應(yīng)。
體積百分?jǐn)?shù)越大，由于分散相的固體顆粒數(shù)目多，形成的磁鏈也多;同時(shí)，體系的相對磁導(dǎo)率和磁磁極化率就越大，其磁流變效應(yīng)就越強(qiáng)。因此，一般認(rèn)為體積百分率越大，則磁流變效應(yīng)越強(qiáng)。大量的實(shí)驗(yàn)表明，為了獲得理想的磁流變效應(yīng)，體積百分率應(yīng)有一個(gè)合理的范圍。因?yàn)椋?dāng)體積百分率較低時(shí)，固體顆粒數(shù)目有限，在磁場作用下磁極化形成的磁鏈數(shù)目少，因而磁流變效應(yīng)不明顯。同時(shí)，體積百分率越低，進(jìn)入明顯磁流變效應(yīng)所需的場強(qiáng)越高，甚至達(dá)到固體顆粒磁飽和場強(qiáng)。因此，體積百分率不能過低，一般不小于10%。
此外，體積百分率也不能過高。因?yàn)?，對于任何一個(gè)兩相的懸浮液來說，當(dāng)體積百分率過高時(shí)，會(huì)有一個(gè)結(jié)構(gòu)上的突變，即由無序的固體顆粒逐步形成一種三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，液體終止流動(dòng)呈現(xiàn)固化特征，且伴隨砧度和剪切屈服應(yīng)力的增加。磁流變流體也具有這一特性，即在零場時(shí)，當(dāng)體積百分率達(dá)到某一數(shù)值，固體顆粒也形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)固化狀態(tài)。如果作用一個(gè)外加磁場，一般不會(huì)出現(xiàn)固體顆粒重新成鏈和成網(wǎng)的現(xiàn)象，只是可以強(qiáng)化已有的結(jié)構(gòu)，因此磁流變效應(yīng)不是很明顯。此外，即使外加磁場使磁流變效應(yīng)有所增加，當(dāng)零場時(shí)就有了較高的表觀薪度和剪切屈服應(yīng)力，在外加磁場作用下，薪度和剪切屈服應(yīng)力的變化幅度將很低，對要求有較大調(diào)節(jié)應(yīng)力和豁度范圍的工程應(yīng)用項(xiàng)目是不利的。其次，體積百分率過大，磁流變流體易出現(xiàn)嚴(yán)重的沉淀和板結(jié)，這將影響磁流變流體的工作效率。大量的實(shí)驗(yàn)表明，體積百分率的最佳范圍大致在15%一30%之間。
⑤ 溫度
溫度對磁流變液的影響主要來自兩個(gè)方面，即溫度對顆粒熱運(yùn)動(dòng)的影響和溫度對磁性顆粒磁極化(主要是磁極化率)的影響。溫度的升高對磁流變效應(yīng)是增強(qiáng)還是減弱，主要決定這兩方面的影響孰強(qiáng)孰弱。溫度越高，顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈，顆粒在外加磁場作用下的成鏈越困難，磁流變效應(yīng)就會(huì)減弱。此外，對液體本身而言，其粘度隨溫度升高而有一定程度的降低。實(shí)驗(yàn)研究證明，屈服應(yīng)力在溫度20℃一150℃范圍內(nèi)變化很小。
⑥ 懸浮相尺寸
固體顆粒的大小對磁流變效應(yīng)有顯著的影響。隨著固體顆粒直徑的增加，相同磁場強(qiáng)度和剪應(yīng)變率所對應(yīng)的剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大，亦即磁流變效應(yīng)相應(yīng)增強(qiáng)。固體顆粒的大小，對磁流變效應(yīng)的影響主要是由于顆粒在磁場作用下，顆粒間相互作用的磁力使得顆粒沿磁場方向形成磁鏈。顆粒半徑r越大，兩顆粒之間的場致磁力就越大，顆粒所成鏈的強(qiáng)度越大，具體則表現(xiàn)為磁流變效應(yīng)越強(qiáng);此外，顆粒尺寸越大，所要求產(chǎn)生明顯磁流變效應(yīng)的磁場場強(qiáng)越低，即越容易產(chǎn)生明顯的磁流變效應(yīng)。然而，顆粒尺寸過大，布朗運(yùn)動(dòng)所起的作用減小，顆粒在基礎(chǔ)液中沉淀的趨勢增大，容易導(dǎo)致磁流變體出現(xiàn)相分離，影響磁流變體的工作性能，反過來又會(huì)影響流體的磁流變性能。當(dāng)然，顆粒尺寸過小，則布朗運(yùn)動(dòng)影響大，這雖然可降低沉淀的趨勢，但由于布朗運(yùn)動(dòng)，顆粒不易穩(wěn)定成鏈，磁流變效應(yīng)的強(qiáng)度減弱。因此，顆粒尺寸既不能過大，也不能過小，應(yīng)該根據(jù)具體的磁流變體材料選取最優(yōu)值。
Lemaire[32]等人對磁流變液屈服應(yīng)力與懸浮相微粒直徑的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，力圖弄清理想磁流變體所對應(yīng)的最佳的微粒尺寸。小微粒雖在Brownian運(yùn)動(dòng)作用下可防止沉積，但強(qiáng)烈的Brownian運(yùn)動(dòng)也阻礙產(chǎn)生最大屈服應(yīng)力的鏈狀結(jié)構(gòu)的形成。當(dāng)耦合系數(shù)>1時(shí)，對極化能求導(dǎo)得到微粒間靜磁作用力。然而來自靜磁力的屈服應(yīng)力，其中的為單位面積成鏈的微粒數(shù)，其量值，體積分?jǐn)?shù)，為微粒半徑，由此可見又是一個(gè)與半徑無關(guān)的參數(shù)。在>1的非Brownian運(yùn)動(dòng)作用下，這一結(jié)論應(yīng)該是正確的。然而實(shí)際情況并非如此。研究目的在于確定對的影響對耦合系數(shù)的依賴程度，即到底多大時(shí)，才與無關(guān)。的表達(dá)式如下
(2.11)
式中K為Boltzmann 常數(shù)，T是溫度。
研究結(jié)果表明，即使在藕合系數(shù)高達(dá)103時(shí)，微粒尺寸仍對磁流變性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。與多分散系磁流變體相比，一定尺寸的單分散系式樣具有更佳的磁流變效應(yīng)。這些效果來自無流動(dòng)條件下Brownian運(yùn)動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)起伏，該運(yùn)動(dòng)使單鏈中兩臨近微粒間距離大于平均分散的距離，鏈結(jié)構(gòu)對機(jī)械運(yùn)動(dòng)的阻力恰恰來自這種加大的間隙，而不是依賴于平均距離。
應(yīng)該指出的是該結(jié)構(gòu)模型顯得過于簡化，且采用的位置起伏的Monte Carlo。模型是基于一般偶極子近似。揭示微粒間距起伏變化的更準(zhǔn)確模型應(yīng)同時(shí)考慮多偶極子間的反應(yīng)和真實(shí)的三維聚集體結(jié)構(gòu)，如對滲透壓和磁壓平衡條件下形成的三維結(jié)構(gòu)和稠化結(jié)構(gòu)內(nèi)真實(shí)體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算等。
可磁極化顆粒直徑對屈服應(yīng)力的影響取決于禍合系數(shù)的大小，一定尺寸的單分散系比多分散系試樣具有更大的磁流變效應(yīng)。
⑦ 可磁極化顆粒和穩(wěn)定劑
優(yōu)良的磁流變液在零磁場條件下的粘度較小，具有良好的流動(dòng)性，這就要求顆粒在磁流變液中的比例不能太大;而另一方面，磁流變液在一定的磁場下應(yīng)具備良好的磁流變效應(yīng)，這就要求可磁極化顆粒在磁流變液中的比例應(yīng)盡可能大。
穩(wěn)定劑增大了磁流變液的粘度，有助于克服可磁極化微粒的沉積，穩(wěn)定劑對不同基礎(chǔ)液的親和性是不同的。因此，用不同基礎(chǔ)液配制磁流變液必須考慮穩(wěn)定劑的比例。一般，采用預(yù)處理的可磁極化微粒來配制磁流變液己使分散相的不穩(wěn)定性有所改善，穩(wěn)定劑的比例應(yīng)相應(yīng)減少，使磁流變液的零磁場粘度下降。
⑧ 壁面材料及表面粗糙度對切應(yīng)力的影響
Bossis [33] 等人研究結(jié)果表明，流變性能測試儀間隙平板的材料和粗糙度對磁流變體的屈服應(yīng)力有很大影響，最大應(yīng)力值在使用具有一定表面粗糙度的導(dǎo)磁材料平板下獲得，從而使磁流變體與壁面的相對滑移減小為零，即減小切應(yīng)力的傳遞損失。壁面滑移被認(rèn)為是理論屈服應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)值較大差別的重要原因之一。例如分別采用不銹鋼和表面具有球狀物的玻璃壁面材料對同種磁流變體進(jìn)行測量，屈服應(yīng)力相差4.5倍，盡管兩種材料均屬非磁化材料，但表面粗糙度相差很大，實(shí)驗(yàn)表明表觀屈服應(yīng)力隨壁面粗糙度的增加而增大。又如，將同一磁流變體樣品分別在非磁化材料鋁和易磁化材料鐵的錐板式薪度計(jì)中測量，其靜態(tài)屈服應(yīng)力表現(xiàn)出很大差別，鐵錐板薪度計(jì)對微小的應(yīng)變速率十分敏感，而鋁錐板情況下應(yīng)力隨應(yīng)變速率的變化較為緩慢，被認(rèn)為滑移造成傳遞損失，前者則是在磁鏡向力作用下克服了滑移?？梢酝普摚粼谒胁僮鳁l件下能有效地克服壁面滑移，則應(yīng)力測試曲線會(huì)很好的符合理想的Bingham模型。大量實(shí)驗(yàn)表明，高磁場時(shí)改變壁面粗糙度將無助于提高剪力傳遞效率，只有選用更高磁導(dǎo)率和更高飽和磁化強(qiáng)度的壁面材料才有助于提高鏡向磁極矩幅值，加強(qiáng)顆粒與表面的相互作用，提高屈服應(yīng)力。
2.4磁流變液應(yīng)用于離合器
由于磁流變液優(yōu)良的物理特性、流變特性, 近幾年來, 應(yīng)用研究較晚的磁流變液有較強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭, 在Lord 公司率先提供的幾種商業(yè)化電磁流變液器件中, 幾乎都是磁流變液應(yīng)用器件。
目前，磁流變離合器的工作模式傳力模型為剪切模型。在兩平行放置的平板之間，充滿磁流變液，平板移動(dòng)方向與磁場方向相互垂直，當(dāng)有外加磁場作用時(shí)，這些顆粒在磁場力作用下相互吸引，沿著N極和S極之間的磁力線方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)，這些顆粒鏈限制了流體的運(yùn)動(dòng)，因而增加了懸浮顆粒的粘度特性。需要有機(jī)械能量來使這些顆粒鏈狀結(jié)構(gòu)屈服，即磁流變液在外加磁場作用下產(chǎn)生了抗剪切應(yīng)力的作用。隨著外加磁場強(qiáng)度的增加，磁流變液的抗剪切能力愈強(qiáng)。當(dāng)外力低于磁流變液的抗剪切能力時(shí)，磁流變液呈類固體狀態(tài);當(dāng)外力超過磁流變液的抗剪切能力時(shí)，磁流變液的磁鏈被剪斷，這時(shí)磁流變液呈液體狀態(tài)。
三、圓筒式磁流變離合器
3.1圓筒式磁流變離合器工作原理
磁流變離合器是依靠磁流變液的剪切力來傳遞轉(zhuǎn)矩。根據(jù)磁流變液在器件中所形成的幾何形狀可分為圓筒式磁流變離合器、圓盤式磁流變液離合器和圓錐式磁流變液離合器。圓筒式磁流變離合器[34]的工作原理如圖3.1所示，1為主動(dòng)軸，3為圓柱形內(nèi)筒，4為磁通，5為激磁線圈，6為圓柱形外筒，7為磁流變液，8為從動(dòng)軸。與主動(dòng)軸1相聯(lián)接的主動(dòng)件3為一圓柱形轉(zhuǎn)子，外筒6與從動(dòng)軸8聯(lián)接，轉(zhuǎn)子上嵌有激磁線圈5，磁流變液充填在圓柱形轉(zhuǎn)子3和從動(dòng)圓筒6的同心環(huán)形間隙中。當(dāng)電磁線圈無電流時(shí)，磁流變液呈牛頓流體，此時(shí)由流體的粘性傳遞的轉(zhuǎn)矩很小，而流體中的散砂似的懸浮粒子又不能阻礙主動(dòng)件與從動(dòng)件之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)，離合器處于分離狀態(tài)。然而，當(dāng)電磁線圈通入電流后，磁流變液中的懸浮粒子在磁場作用下產(chǎn)生磁化，沿磁場方向相互吸引形成鏈狀，這種鏈狀結(jié)構(gòu)增大了磁流變液的剪切應(yīng)，依靠這種剪切應(yīng)力來傳遞轉(zhuǎn)矩，從而將主動(dòng)件與從動(dòng)件接合起來，離合器處于接合狀態(tài)。線圈斷電后，磁流變液又迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體，因此時(shí)由流體的粘性產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩很小，不能帶動(dòng)從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)，離合器脫開。
1-主動(dòng)軸 2-密封圈 3-圓柱形內(nèi)筒 4-磁通
5-激勵(lì)線圈 6-圓柱形外筒 7-磁流變液 8-從動(dòng)軸
圖3.1 圓筒式磁流變離合器原理
3.2圓筒式磁流變離合器理論分析
3.2.1 數(shù)學(xué)模型
如圖3.2 所示，設(shè)內(nèi)筒和外筒的半徑分別為R1 、R2，1為主動(dòng)件，3為從動(dòng)件，主動(dòng)件和從動(dòng)件之間充滿了磁流變液2，主動(dòng)件以角速W1旋轉(zhuǎn)，磁流變液受到剪切從而帶動(dòng)從動(dòng)件以角速度w2旋轉(zhuǎn).
為了分析離合器兩