磁流變液制動器研究綜述

路國平　張振珠

【摘 要】磁流變液是一種可快速發生液-固相變的智能材料，有廣泛的機械工程應用前景。本文介紹了磁流變液的特性及其在制動系統中的應用現狀，闡述了盤式、鼓式、葉輪式這三種磁流變液制動器的工作原理，并分別進行了制動力矩分析。另外，對磁流變液制動器的應用前景以及相關研究所面臨的主要問題進行了敘述。

【關鍵詞】磁流變液；制動系統；磁流變液制動器；制動力矩

Summary of Research on Magneto-Rheological Fluid Brake

LU Guo-ping ZHANG Zhen-zhu

（Chongqing Vocational Institute of Engineering，Chongqing 402260，China）

【Abstract】Magneto-rheological fluid is a kind of intelligent material which can quickly cause liquid-solid phase change， has a wide range of application prospect in mechanical engineering. This paper introduces the characteristics of magneto-rheological fluid and its application status in the braking system， expounds the working principle of disc、drum、impeller magneto-rheological fluid brake， and analyse the brake torque respectively. In addition， this paper describes application prospect of the magneto-rheological fluid brake and the main problems that are faced in the process of related research.

【Key words】Magneto-rheological fluid； Brake system； Magneto-rheological fluid brake； Braking torque

0 引言

目前，汽車上使用的制動器主要為機械摩擦式，制動時摩擦材料的損耗帶來的材料浪費、制動效率的損失以及環境污染問題，已越來越受到人們的關注。隨著磁流變液（MRF）的深入研究，其在工程應用方面的研究也越來越多，磁流變液特殊的流變特性為汽車傳動和制動系統的開發帶來了新思路。由于產生的制動力矩較小，磁流變液制動器的應用有較大的局限性，但其快速可調、能耗低、相應迅速等優點使得它在車輛制動系統上的應用有一定的現實可行性。

1 磁流變液制動器工作特性及其應用研究現狀

1.1 磁流變效應

磁流變效應是指磁流變液在外加磁場的作用下，由原來的液相瞬間轉變為固相的一種特殊現象。人們普遍認為，磁流變液中磁性微顆

粒在外加磁場作用下的磁極化是產生磁流變效應的重要原因。

圖1 磁流變液的磁極化過程

磁流變液在磁場中的磁極化過程如圖1所示[1]，其磁性顆粒當做剛性圓球：在沒有外加磁場時，圓球在載液中無規律分布，如圖1（a）所示；在弱磁場作用下，磁顆粒開始磁極化后形成磁偶極子，如圖1（b）表示，并且載液中開始出現一些孤立鏈；隨著的磁場強度逐漸增大，磁顆粒開始按列排序，并相接成鏈，如圖1（c）所示，此時載液中存在著支鏈和通鏈，且磁流變液的表觀粘度增大；當外加磁場強度變得很強時，如圖1（d）所示，載液中磁鏈的數量增加，并形成柱鏈，磁流變液的屈服應力和表觀粘度進一步顯著增大，表現出類固體的特性。外加磁場撤除后，載液中磁顆粒迅速重新回到無規律分布狀態，磁流變液也重新表現為液態。整個鏈化過程的響應時間達到毫秒級。

1.2 磁流變液在剪切力和驅動力作用下的流動特性

磁流變液是一類應力響應兼有彈性固體和粘性流體的雙重特性的特殊材料，其工作模式主要有剪切、驅動和擠壓這三種。其中，在受剪切力和受驅動力的作用下，其本構模型為：

1.3 磁流變液制動器的應用研究現狀

目前，國內外研發的磁流變液制動器大多停留在理論和試驗研究階段，只有極少數商業化的產品應用于制動力矩小的場合。如美國Lord公司將開發出的小型回轉式磁流變液制動器應用于自行車式和臺階攀登式健身機上，該產品可實時控制回轉力矩，在設定目標值下迫使健身者保持期望速度[2]。

汽車上使用的制動器主要為機械摩擦制動器，分盤式和鼓式兩種，且應用已非常成熟。但這種制動器在路況差的工況條件下，存在著制動抗熱衰退性和制動效能不足的缺陷。磁流變制動器具有能耗低、相應速度快、快速可調的優點，國內很多專家學者針對它進行了諸多研究，但多數停留在理論分析和試驗研究。其中，東北林業大學的丁柏群提出一種葉輪式磁流變液制動器[3]，基于小型乘用車的車輪內懸架空間和實際制動力矩的要求，進行了結構設計和仿真分析，結果表明其滿足要求，使得葉片式磁流變液制動器在車輛制動系統上的應用成為可能。

2 磁流變制動器的工作原理和制動力矩分析

由于制動器主要是為抑制小位移的旋轉軸運動，所以磁流變液的工作模式主要是剪切和驅動模式兩種。當前關于磁流變制動器的結構主要集中在盤式、筒式以及葉輪式三種，本文分別介紹了它們的工作原理和制動力矩分析。

2.1 盤式磁流變液制動器的工作原理和制動力矩分析

盤式磁流變液制動器的外形結構類似于傳統盤式汽車制動器，但其完全改變了依靠金屬摩擦塊與旋轉圓盤的摩擦作用來抑制轉動的工作方式，如圖2所示[4]。旋轉圓盤被支承在制動器外殼體上的旋轉軸驅動，磁流變液置于旋轉圓盤與旋轉軸內支承以及外殼體形成的空腔內。勵磁線圈纏繞在外殼體的凹槽內，以便于形成磁流變液工作所需要的磁場環境。未施加勵磁電流時，磁流變液表現為粘度很小的牛頓流體特征，其不能阻礙旋轉圓盤的轉動；施加一定勵磁電流后，磁流變液在磁場環境下的粘度瞬間變大，產生了抑制旋轉圓盤轉動的剪切應力，且該應力隨著勵磁電流的增大而增大，產生的力矩達到所需制動力矩后，便實現制動的要求。

2.2 筒式磁流變液制動器的工作原理和制動力矩分析

筒式磁流變液制動器是利用磁流變液的流變效應產生的剪切應力來進行制動的器件，如圖3所示[6]。它由旋轉內圓筒、固定外圓筒、勵磁線圈、旋轉軸及磁流變液等構成，磁流變液作為工作介質，其工作區域在內圓筒和外圓筒的環形間隙中，在勵磁線圈形成的磁場環境下產生磁流變效應，起到抑制內圓筒轉動的作用。

與盤式制動器一樣，其制動力矩也分為粘性阻力矩和磁流變阻力矩。選用美國Lord公司研制的MRF—336AG型磁流變液，通過計算可得到該制動器在可產生的制動力矩為53N·m，遠遠達不到汽車制動力矩的要求。

2.3 葉輪式磁流變液制動器的工作原理和制動力矩分析

葉輪式磁流變液制動器與圓盤式和圓筒式制動器不同，其工作模式為剪切和驅動的混合模式，結構原理如圖4所示[3]。磁流變液充滿在殼體與葉輪之間的間隙之中，葉輪的驅動結構為可控的電磁離合器，當車輛正常行駛時，葉輪不工作，磁流變液在無磁環境下為液態；當車輛制動時，葉輪與固定在車輪輪轂上的轉軸結合并旋轉，葉片的攪動使磁流變液在工作間隙和相鄰腔室間流動，另一方面磁流變液與殼體相對運動，形成平面縫隙的剪切流動。同時，勵磁線圈通電，磁流變液變成類固體，抑制葉片的旋轉，以達到制動的效果。

3 磁流變制動器研究面臨的主要問題

基于磁流變液的特殊流變特性，其在動力傳動和制動等方面會有廣闊的應用前景。但磁流變液制動器要取代常規制動器，進行大規模的使用，還需要解決諸多問題：

1）穩定性問題。一方面是靜態穩定性：靜置時的磁流變液存在沉降穩定性問題，即載液中的磁性顆粒會隨著時間的推移而下降沉淀，這會影響磁流變液的流變效應和響應速度。另一方面是工作時的溫度和剪力穩定性：由于制動時液體要承受從發動機傳來的轉動力矩，溫度會急劇上升，會造成磁流變液粘度下降[7]，影響制動效能；磁流變液在受剪切力時有剪切稀化現象，即剪切屈服應力會下降，也在一定程度上影響制動效果。這些問題都對磁流變液的研制和生產提出了更高的要求。

2）制動力矩有限的問題。制動器空間結構布置、勵磁線圈的匝數和纏繞方式、結構精度等因素都會影響磁感應強度的大小，進而影響磁流變液中磁性顆粒的磁極化程度，最終影響制動力矩的大小。同時，盤式和鼓式磁流變液制動器還存在空載狀態下的功率損失問題。

3）密封問題。磁流變液在零磁場下是賓漢姆流體，存在著泄露或滲漏的隱患，而機械加工精度不夠、工作溫升過快以及制動頻率高等都會帶來磁流變液制動器的密封難問題，而這也是液壓元件普遍存在的一個難題。有效解決密封問題，對于提高磁流變液制動器的工作穩定性、可靠性和使用壽命有非常重大的意義。

4 結束語

相比傳統制動器，磁流變液制動器有響應迅速、能耗低、實時可調等優點，但要滿足乘用車制動力矩的要求并大規模應用，還需要解決可靠性、穩定性和安全性以及使用成本等諸多問題，這也是相關工程技術人員應努力的方向。筆者認為磁流變液制動器可應用于防抱死制動系統，其實時可調性、響應快等智能化特點可以簡化傳統防抱死制動系統的結構和控制方式[8]，甚至取代常開電磁閥、常閉電磁閥以及液壓泵電機的作用，這也會成為一個重要的方向。

【參考文獻】

[1]黃金.磁流變液與磁流變器件的分析與設計[D].重慶大學，2006.

[2]Carlson J D. Commercial magnetorheological fluid devices [J]. Singapore： World Scientific；1996. 20-28.

[3]丁柏群，宋宇.一種葉輪式MRF汽車制動器結構設計和性能仿真[J].汽車技術，2011（8）：34-38.

[4]單慧勇，楊延榮，衛勇.圓盤式磁流變制動器的理論設計與探討[J].機床與液壓，2006（4）：53-55.

[5]蔣科軍，劉成曄.車用磁流變液制動器制動效果分析與研究[J].拖拉機與農用運輸車，2009，36（6）：25-27.

[6]劉成.磁流變液制動器的分析與設計[D].重慶理工大學，2010.

[7]溫詩鑄.摩擦學原理[M].3版.清華大學出版社，2008.

[8]鄭開魁.磁流變液制動器的研究及其應用[J].機電技術，2014（4）：153-156.