智能材料在汽車冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計

1 目 錄 一、緒論 . 1 1.1發(fā)動機冷卻系統(tǒng) . 1 1.1.1發(fā)動機冷卻系統(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磁流變液的化學性能 . 8 2.2.4磁流變液的力學性能 . 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 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)學模型 . 23 3.2.2 流動分析 . 25 四、磁流變離合器設(shè)計 . 29 4.1磁流變離合器的失效形式和設(shè)計準則 . 29 4.1.1最大有效轉(zhuǎn)矩 . 29 4.1.2粘塑性滑動和打滑 . 29 4.1.3失效形式 . 30 4.1.4 設(shè)計準則 . 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)計方法 . 32 4.2.1原始數(shù) 據(jù)及設(shè)計內(nèi)容 . 32 4.2.2設(shè)計方法 . 32 4.3圓筒式磁流變離合器設(shè)計 . 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)計計算 . 35 結(jié)束語 . 45 致 謝 . 46 參考文獻 . 47 附錄 英文文獻翻譯 . 48 1 智能材料在汽車冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計 摘要 由于冷卻水溫與發(fā)動機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)動機的動力性、減少廢氣的產(chǎn)生、還可以減少燃料消耗量、增強發(fā)動機工作平穩(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呈現(xiàn)牛頓流體的流動特性，然而在強磁場作用下， 其表觀粘度可在毫秒級的短時間內(nèi)增加幾個數(shù)量級以上，并呈現(xiàn)類似固體的力學性質(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。當有一個外加磁場作用時，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)磁場強度的大小來控制。磁流變離合器具有傳動平穩(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行了介紹，對磁流變液本構(gòu)模型進行了分析。對磁流變液的傳力方式進行了討論，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，得出了基本設(shè)計公式。 關(guān)鍵詞： 冷卻系統(tǒng)；磁流變液；離合器；傳力模型；幾何設(shè)計方法 2 The Intelligent Material Is Used For Car Cooling System Of Application And Design ABSTRACT Its 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 engines 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 1 一、緒論 1.1發(fā)動機冷卻系統(tǒng) 1.1.1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的功能 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機整體性能及可靠性、耐久性有很大影響。發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，與高溫燃氣相接觸的零部件（如氣缸蓋、氣缸套、活塞、氣門等）受到強烈的加熱，它的強度下降，而且熱應(yīng)力很大。如果發(fā)動機得不到充分冷卻，即過熱，會產(chǎn)生很多不良后果。如 :機械強度降低，甚至可能出現(xiàn)熱變形，破壞零件之間的配合間隙，引起零件強烈磨損，嚴重時，還可能發(fā)生零件斷裂事故 .高溫也會引起氣缸壁機油變質(zhì)，使之失去潤滑性能，甚至結(jié)焦。高溫還會引起發(fā)動機充氣系數(shù)下降，使其功率降低。另外 ，氣缸套和活塞的最大熱負荷受潤滑條件的限制，溫度超過 240C，就會因機油碳化，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，鋁合金的強度將很快降低，溫度達到 380-500 以上，就不可能保證可靠運轉(zhuǎn)。反之 ,冷卻系統(tǒng)的冷卻能力過強，也是非常有害的。發(fā)動機過冷，散熱損失的熱量多，發(fā)動機工作的熱效率低，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，零件在運動過程中相互碰撞，運轉(zhuǎn)噪音增大且加快磨損速度 :冷卻溫度低，會惡化混合氣的形成和 燃 燒，使發(fā)動機工 作粗暴，增加機油粘度和摩擦功率 1。因此，冷卻系統(tǒng)的重要作用是使發(fā)動機盡快升溫，并使其保持恒溫： 將受熱零件吸收的部分熱量及時散發(fā)出去 ,保證發(fā)動機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。冷卻系統(tǒng)既要防止發(fā)動機過熱 ,也要防止冬季發(fā)動機過冷。在發(fā)動機冷起動之后 ,冷卻系統(tǒng)還要保證發(fā)動機迅速升溫 ,盡快達到正常的工作溫度 1.1.2 冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的工作原理 目前汽車發(fā)動機多采用強制循環(huán)水冷系統(tǒng)。發(fā)動機氣缸蓋和氣缸體中都有水套。水泵將冷卻水從機外吸入加壓，使冷水在水套內(nèi)流動，帶走鄰近部件的熱量。冷卻水吸熱后自身溫度升高，進入車前端的散 熱器 (水箱 )內(nèi)。由于汽車前進和風扇的抽吸，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。當散熱器中的冷卻水得到冷卻后，在水泵的作用下，再次進入水套 .如此循環(huán)不斷地冷卻了發(fā)動機的高溫部件。 2 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)冷卻風量。冷卻風扇的轉(zhuǎn)速與風量成正比 ;而風量與風速成正比例關(guān)系。在發(fā)動機穩(wěn)定運行狀態(tài)，風速與單位時間散熱量成正比 ;而散熱量與冷卻液的溫度變 化值 (即溫度差 )成正比 .因此，通過控制冷卻風扇的轉(zhuǎn)速可以控制冷卻液的溫度。在發(fā)動機穩(wěn)定運行的狀態(tài)下，風扇轉(zhuǎn)速升高，單位時間內(nèi)的散熱量增多，會降低冷卻液溫度 ;風扇轉(zhuǎn)速降低，單位時間內(nèi)的散熱量減少，會提高冷卻液溫度。 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)溫器來實現(xiàn)。節(jié)溫器通常安裝在發(fā)動機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)冷卻強度，以確保發(fā)動機在最佳溫度范圍內(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。 風速是決定散熱器散熱能力的主要因素 .散熱器前風速主要取決于風扇的轉(zhuǎn)速，亦即取決于發(fā)動機轉(zhuǎn)速。當發(fā)動機大負荷工作時，風扇轉(zhuǎn)速下降，散熱器冷卻能力降低 2。 3 1.2 目前風扇離合器及存在的問題 氣動風扇離合器 3與汽車壓縮氣體供給系統(tǒng)相連，利用壓縮氣體做動力使離合器接合，離合器分離則靠彈簧力。電磁風扇離合器依靠電磁力接合離合器，斷電則分離離合器。這兩種離合器風扇轉(zhuǎn)速不可調(diào)，風扇只能運行或者關(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)改進例如氣動風扇離合器貯氣筒經(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)的控制多由硅油風扇離合器控制冷卻風扇轉(zhuǎn)速實現(xiàn)硅油風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離合器。它由感溫元件隨發(fā)動機的溫度變化調(diào)節(jié)主、從動盤之間硅油注入量來控制和調(diào)節(jié)風扇的旋轉(zhuǎn)速度。發(fā)動機溫度升高，風扇轉(zhuǎn)速上升，冷卻效果增大；反之，轉(zhuǎn)速下降，冷卻效果減小。該 風扇離合器可隨發(fā)動機的溫度高低來調(diào)節(jié)風扇的轉(zhuǎn)速，使風扇風量去適應(yīng)發(fā)動機的負荷，使發(fā)動機保持在合適的溫度下工作，從而達到延長發(fā)動機使用壽命、降低噪聲和減少發(fā)動機功率損失的作用。但是它不是一個真正的離合器，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，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，溫度變化時風扇轉(zhuǎn)速變化不能及時跟上，不能準確地控 制發(fā)動機的冷卻狀態(tài)，且增加了燃油的消耗。 因此，研究新型風扇離合器，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有硅油風扇離合器更簡單，且能夠準確控制發(fā)動機冷卻狀態(tài)的新型風扇離合器就顯得非常必要。 1.3 磁流變液離合器 美國學者 Rabinow4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。進入 90 年代，磁流變液的研究重新煥發(fā)了生機 ;特別是，自 1995 年起，兩年一屆的國際電流變液會議也易名為國際電流變液與磁流變液會議 6-8，促進了磁 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呈現(xiàn)牛頓流體的流動特性，然而在強磁場作用下，其表觀粘度可在毫秒級的短時間內(nèi)增加幾個數(shù)量級以上，并呈現(xiàn)類似固體的力學性質(zhì)，而且粘度的變化是連續(xù)、可逆的，即一旦去掉磁場后，又變成可以流動的液體。 4 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)計成的磁流變器件具有響應(yīng)時間快、結(jié)構(gòu)簡單和能耗低等一系列優(yōu)點。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)的機械設(shè)計方法，去開拓為實現(xiàn)規(guī)定功能的磁流變液離合器新裝置和新產(chǎn)品。盡管機械設(shè)計方法是一種傳統(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) 1718使磁流變液能夠用于離合器的主要依據(jù)是 : 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)實現(xiàn)連續(xù)變化，此變化可以控制并 且可逆。 磁流變效應(yīng)能夠使磁流變液體在外加磁場作用下，具有一定的屈服強度，并且隨著外加磁場強度的增加，磁流變液體的屈服強度增加，即磁流變液體的屈服強度可由外加磁場連續(xù)調(diào)控。 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)，使其失去動流性。 磁流變效應(yīng)的響應(yīng)時間非常短，響應(yīng)速度快。 實現(xiàn)磁流變效應(yīng)的能耗低。 控制磁流變效應(yīng)的信號容易獲得，即通過外加磁場強度。 易與計算機技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)智能控制，進行智能機械開發(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。當有一個外加磁場作用時，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)磁場強度的大小來控制。磁流變離合器具有傳動平穩(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行了介紹，對磁流變液本構(gòu)模型進行了分析。 對磁流變液的傳力方式進行了討論，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)計公式，完成了圓筒式磁流變離合器的設(shè)計。 5 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，磁流變液的流變特性與普通牛頓流體 19相似，若加一中等強度的磁場作用時，其表觀粘度系數(shù)增加兩數(shù)量級以上，當磁流變液受到一強磁場作用時，就會變成類似“固體”的狀態(tài)，流動性消失。一旦去掉磁場后，又變成可以流動的液體，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，它的磁飽和度能達到 2.4T，但考慮價格問題，實際應(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 0.1-100 m，常見值為 3-5 m。只有氧化物顆粒的直徑能達到約 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，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度，從而給磁流變液內(nèi)的磁性顆粒相互間提6 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，形狀要合理 ;磁性顆粒的大小一般在 1 10 m 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 : 高沸點、低凝固點。這可以確保磁流變液具有較寬的工作溫度范圍 ; 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)該具有化學穩(wěn)定性好、耐腐蝕、無毒、無異味、價格低廉等特點。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 , 并增加整個磁流變液的流變學性質(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)有機載液的聚合、老化、細菌繁殖且易燃等特點 , 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。 (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 0.5 m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遠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微米，比表面積大 ,也容易團聚而沉降。目前7 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”一樣擴散在母液當中。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，一方面會增加顆粒的體積，減少它們相互吸引碰撞的機會；從而降低由于顆粒與母液的密度差而造成的 顆另一方面會在母液內(nèi)部形成一個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 : 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; 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 ; 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)是很小的一個量 ; 這種液體中的強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 ; 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、 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，即在相當大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)具有較高的穩(wěn)定性 ; 構(gòu)成磁流變液的原材料應(yīng)廉價而不是稀少的。 2.2.2 磁流變液的物理性能 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由于巨大的失配而引起沉淀。 顆粒材料的磁導(dǎo)率，顆粒的大小、形狀及分布。 基液的凝固點、沸點和閃點的溫度，以及它的粘度和粘溫特性。 8 2.2.3 磁流變液的化學性能 顆粒、基礎(chǔ)液和添家劑的化學成分，以及其分子式和結(jié)構(gòu)式。 顆粒、基礎(chǔ)液和添家劑的化學穩(wěn)定性，它們在儲存和使用過程中，是否會發(fā)生化學變化，引起性能的變質(zhì)，特別是氧化、分解等。 使用中是否會產(chǎn)生有害人體和環(huán)境的毒性物質(zhì)。 2.2.4 磁流變液的力學性能 圖 2. 2 給出了當溫度 T、磁流變液中顆粒的濃度 C 以及剪應(yīng)變率 . 為常數(shù)時，某磁 流變液的動態(tài)屈服應(yīng)力 B 與磁感應(yīng)強度 B 的關(guān)系曲線 26, )(BfB 。 圖 2.2 B 與 B的關(guān)系曲線 圖 2.3 B 與 B的關(guān)系曲線 圖 2.3給出了當溫度 T、磁流變液中顆粒的濃度 C以及剪應(yīng)變率 . 為常數(shù)時，表觀粘度 B 。與磁感應(yīng)強度 B的關(guān)系曲線， )(BfB ，圖中 0 為零磁場強度時磁流變液的粘度。 圖 2.4給出了當溫度 T、磁流變液中顆粒 的濃度 C以及磁感應(yīng)強度 B為常數(shù)時，磁流變液的剪切應(yīng)力 與剪應(yīng)變率 . 的關(guān)系曲線。剪切應(yīng)力 隨剪應(yīng)變率 . 的變化而變化的特性稱之為流變特性。 9 圖 2.4 流變特性曲線 圖 2.5 粘度特性曲線 圖 2.5給出了當溫度 T,磁流變液中顆粒的濃度 C以及磁感應(yīng)強度 B為常數(shù)時，磁流變液的表觀粘度 27 B 與剪應(yīng)變率 . 的關(guān)系曲線。表觀粘度 B 隨剪應(yīng)變率 . 的變化而變化的特性稱之為粘度特性。 圖 2.6給出了當磁流變液中顆粒的濃度 C、磁感應(yīng)強度 B以及剪應(yīng)變率 . 為常數(shù)時，磁流變液的表觀粘度 B 與溫度 T的關(guān)系曲線。表觀粘度 B 隨溫度 T的變化而變化的特性稱之為粘溫特性 28 圖 2.7給出了當磁流變液中顆粒的濃度 C,磁感應(yīng)強度 B以及剪應(yīng)變率 . 為常數(shù)時，磁流變液的動態(tài)屈服應(yīng)力 B 與溫度 T的關(guān)系曲線。 圖 2.6 粘溫特性曲線 圖 2.7 B 與 T的關(guān)系曲線 圖 2.8給出了當磁感應(yīng)強度 B、溫度 T、以及剪應(yīng)變率 . 為常數(shù)時，磁流變液的表觀粘度 B 與磁流變液中顆粒的濃度 C的關(guān)系曲線。 圖 2.9給出了當磁感應(yīng)強度 B,溫度 T以及剪應(yīng)變率 . 為常數(shù)時，磁流變液的動態(tài)屈服應(yīng)力 B 與磁流變液中顆粒的濃度 C的關(guān)系曲線。 10 圖 2.8 B 與 C的關(guān)系曲線 圖 2.9 B 與 C的關(guān)系 曲線 2.2.5 磁流變液的質(zhì)量因數(shù) 磁流 變裝置的機械能密度由下式給出 .BmW （ 2.1） 式中mW為機械能密度 ;B為動態(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 cc tBHW 2 (2 .2) 式中cW為磁能密度 :B 和 H 分別是磁感應(yīng)強度和磁場強度；ct是在磁流變液流體中形成磁場的特征時間。 把機械能密度和磁能密度的比值定義為流體的效率，用 表示。 BHtWW Bcm c )(2 . (2 .3) 由以上的推導(dǎo)可以得到以下幾個質(zhì)量因數(shù) : 21 Bq (2 .4) 由式可以看出， 1q 與體積 V成反比 ,其單位為 Pa/s,提高這個質(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 VWPe(2 .5) 由上式可以看出，體積的減小可降低磁能損耗。 11 對于重要敏感的應(yīng)用中，可以改變這個質(zhì)量因數(shù)，來克服較大的流體密度，即 : 22 Bq (2 .6) 式中 為磁流變液的密度， 2q 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)上的一個無量綱的質(zhì) 量因數(shù)由下式給出 BHq B3(2 .7) 增大這個質(zhì)量因數(shù)將減小磁流變液傳動裝置的磁能損耗。 運用這三個質(zhì)量因數(shù)可以對各種不同的磁流變液的特性進行比較 ，這對磁流變液的選用提供了很重要的參考價 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固定的或相對運動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，并可承受一定剪切力作用。通過改變所加磁場的強度，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行連續(xù)控制。當所加磁場取消后，該液體可以在裝置中自由流動。其性能數(shù)據(jù)如表 2.1 12 表 2.1 磁流變液 MRF 132AD 的性能 圖 2.10 20不加磁場時剪切應(yīng)力與剪應(yīng)變率的關(guān)系 (MFR-132AD） 圖 2.10 為 MFR-132AD 的動態(tài)屈服應(yīng)力與外加磁場的關(guān)系，當磁場強度H=0-200kAmp/m時，如磁場強度 H分別為 25kAmp/m， 50kAmp/m， 100kAmp/m， 200kAmp/m時，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度的增加，屈服應(yīng)力迅速增加 :而磁場強度 H 大于 200kAmp/m 時，如磁場強度 H分別為 225kAmp/m， 250kAmp/m， 275kAmp/m時，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度的增加，屈服應(yīng)力增加很緩慢，屈服應(yīng)力逐步達到磁飽和。 13 圖 2.11 屈服應(yīng)力與磁場強度的關(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 14 圖 2.12 在 40不加磁場時剪切應(yīng)力與剪應(yīng)變率的關(guān)系 (MRF 一 140CG） 圖 2.13 屈服應(yīng)力與磁場強度的關(guān)系（ MRF一 14OCG） 圖 2.12 表示了 40不加磁場時，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，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的動態(tài)屈服應(yīng)力與外加磁場的關(guān)系，當磁場強度 H=0-200kAmp/m時，如磁場強度 H分別為 25kAmp/m、 50kAmp/m、 100kAmp/m和 150kAmp/m 時，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度的增加，屈服應(yīng)力迅速增加 ;而磁場強度 H大于 150kAmp/m時，如磁場強度 H分別為 175kAmp/m和 200kAmp/m時，屈服應(yīng)力分別為 57.75kpa 和 58.5kPa，這表明隨著外加磁場強度的增加，屈服應(yīng)力增加很緩慢，屈服應(yīng)力逐步達到磁飽和 15 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，其流動狀態(tài) (一般是指表示其流動阻力的表觀粘度 )和流體的屈服強度發(fā)生了強烈變化的現(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 : 在外加磁場的作用下，磁流變液的表觀粘度可隨磁場強度的增大而增大，甚至在某一種磁場強度下，達到停止流動或固化，但當磁場撤除后，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。 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。 在外加磁場作用下，磁流變液的屈服強度隨磁場強度的增大而增大。 在外加磁場作用下，磁流變液的表觀粘度和屈服強度隨磁場強度的變化是連續(xù)的和無級的。 在外加磁場作用下，磁流變液的表觀粘度和屈服強度隨磁場強度的變化是可控的，這種控制可以是 人控的或自動的。 磁流變效應(yīng)的控制較簡單，它只應(yīng)用一個極易獲得的磁場強度信號即可。 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)時間為毫秒級。 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)生定向運動（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個方面： 16 錯誤 !未找到引用源。 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，每一個小顆粒都可以當作一個小的磁體。在這種磁體中，相鄰原子間存在著強交換耦合作用。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，每個磁疇中各個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的磁能低于磁矩與外磁場反方向排列時的磁能，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。 錯誤 !未找到引用源。 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時，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，于是定向移動形成偶極子鏈。當外加磁場強度較弱時，鏈數(shù)量少、長度短、直徑也較細，剪斷它們所需外力也較小。隨著外加磁場強度的不斷增大，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；再繼續(xù)增加磁場，所有磁疇沿外加磁場方向整齊排列，磁極化達到飽和，磁流變液的剪切應(yīng)力也達到飽和。 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，每一個小顆粒都可以當作一個小的磁體。在這種磁體中，相鄰原子間存在著強交換禍合作用。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，每個磁疇中各個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的磁能低于磁矩與外磁場反方向排列時的磁能，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。當外加磁場強度較弱時，鏈數(shù)量少、長度短、直徑也較細，剪斷它們所需外力也較小。隨著外加磁場強度的不斷增大，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 ;再繼續(xù)增加磁場，所有磁疇沿外加磁場方向整齊排列，磁化達到飽和，磁流變液的剪切應(yīng)力也達到飽和。 17 2.3.4 磁流變液的鏈化模型 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。當磁矩與外加磁場同方向排列時的磁能低于磁矩與外加磁場反方向排列時的磁能時，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，顆粒無規(guī)律地分布在基礎(chǔ)液中，這種情況下的動態(tài)屈服應(yīng)力為零 ;圖（ 2）表示在外加磁場 H作用下，在時間 t=0s時，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，在時間 t=0.1s 時，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)表示增加磁場強度，在時間 t=1s時，磁鏈的數(shù)量增加，直徑變粗，磁流變液的動態(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 ;圖(5)表示當撤除外加磁場時，磁流變液材料迅速復(fù)原，其響應(yīng)時間只 有幾毫秒。 圖 2.9 顆粒鏈化過程的微觀圖 磁流變液鏈化的集聚方式 當有外加磁場作用時，顆粒被產(chǎn)生有序化的運動，這種運動從顆粒磁極化一開始就產(chǎn)生，直至有序化運動終止，達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，形成某種固定的結(jié)構(gòu)，即這些顆粒在18 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 的有序化運動，最終形成的結(jié)構(gòu)，與單位體積內(nèi)顆粒的數(shù)目、磁場強度及顆粒在 基液中的 Brownian 運動 (熱 運動 )的干擾和摩擦阻力的影響等有關(guān)。根據(jù)固體顆粒的體積分數(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