缓速器磁流变液性能检测装置的试验研究

齐晓杰，安永东，鲍 宇，吕德刚

（黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050）

0 引言

磁流变液属可控流体，是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的特性。由于磁流变液具有的磁流变响应迅速和易于控制等特点，磁流变液装置已逐渐地应用到汽车振动控制、机械动力传递、工件精密加工等工业领域中。随着磁流变液装置的应用，测试不同成分的磁流变液在不同条件下的流变学特性就显得尤为重要了，测试不同的磁流变液在不同的条件下所表现出的磁流变学特性，可为开发和研制新型的磁流变液装置提供有力的技术支持[1～3]。

1 缓速器磁流变液性能检测装置结构组成和工作原理

1.1 检测试验台的基本组成

磁流变液检测试验台是用于测试磁流变液的试验系统，在此系统中，通过发生装置产生不同的磁场作用到工作腔中的磁流变液，磁流变液在磁场的作用下表现出不同的磁流变学特性、不同的阻尼扭矩，由驱动装置产生的驱动力在磁阻力作用下会减小，通过扭矩测量器测量，即可确定磁流变液所产生的扭矩，试验台如图1所示。

磁流变液检测试验台主要由驱动装置、检测装置、发生装置组成。其中驱动装置由驱动轴外接转速可控的电机而构成；检测装置由传感器支座、传感器间隔套、单项推力轴承、传感器上盖而组成；发生装置由测试罐下盖、测试罐间隔套、旋转盘测试罐上盖、尼龙内套圆形磁轭、绕线铁心组成。如图2 所示。

图1 磁流变液试验台Fig.1 MRF test bench

图2 检测装置结构图Fig.2 Structural diagram of the detection device

1.2 检测装置的工作原理

检测装置中的旋转盘的端面与绕线铁芯端面的间隙为测试磁流变液流变特性的工作腔，工作腔的大小可以通过测试罐上盖和测试罐间隔套之间的垫片来调整，以便测试出磁流变液在不同间隙下的流变学特性。磁场由六个线圈产生，六个线圈周向排列，相邻线圈绕向相反，任一线圈产生磁场经过相邻两个线圈形成回路，磁流变液受到磁场作用其方向一部分是正向磁场，另一部分是逆向磁场，当磁场消失时，在旋转盘的惯性作用下，受到正反两向磁场的磁流变液体迅速流动融合，中和了剩磁，有利于磁流变液迅速恢复原始状态，消除了矫顽力对多次测试结果的影响。克服了以往磁流变液测试仪器，经过一次测试后，磁流变液在剩磁的作用下，传递力矩不能迅速减小，改变磁场的作用方向，矫顽力的存在会影响下次测试结果的弊端。

励磁方式采用三个正向励磁线圈同时供电，也可以反向励磁线圈供电，由于线圈匝数、线径大小、材质完全相同，可以把磁感应强度减少一半，无论正向还是反向线圈，还可以通过直流供电仪器控制电流大小，操作简单快捷精确。励磁线圈装在尼龙内套内部，线圈绕在铁芯上，下部装有专门用于导磁的磁轭，铁芯和磁轭都由高磁导率磁钢制成，可以有效降低铁耗。磁轭下部安装尼龙衬套，可以阻止磁力线外泄，保证励磁磁场都作用在磁流变液内部，测试结果更加准确，能耗也较低。

输入轴转速可调，驱动轴为中空，在旋转盘上贴有热电偶，通过滑环，可测得磁流变液温度。可以进一步得出在不同温度、不同输入轴转速、不同磁场强度下的磁流变液性能。

2 试验过程及数据分析

2.1 试验过程

通过电机驱动驱动轴运转，驱动轴联接旋转盘转动，旋转盘放入磁流变液中，旋转盘与绕线铁芯端面间的磁流变液在磁场的作用下，产生磁阻力矩，磁阻力矩通过绕线铁芯，圆形磁轭以及尼龙内套传递给测试罐间隔套，测试罐间隔套再将磁阻力矩传递给传感器上盖，传感器上盖通过平键与传感器相连，传感器即能测出磁阻力矩。试验过程如图3 所示。

此装置中的旋转盘的端面与绕线铁芯端面的间隙为测试磁流变液流变特性的工作腔，工作腔的大小可以通过测试罐盖和测试罐间隔套之间的垫片来调整，以便测试出磁流变液在不同间隙下的流变学特性。

图3 试验过程Fig.3 Experimental process

2.2 试验数据分析

试验分别对不同输入电流、不同工作温度、不同工作转速对磁流变液的磁流变学特性的影响进行了研究分析。在试验过程中，主要用到的试验仪器有磁流变液检测装置、直流稳压电源、奥斯特磁场测量仪及转速转矩测量仪。

（1）电流的影响。对检测装置进行调试，包括测试腔间隙、磁流变液的加入量、绕磁线圈电流方向及磁场方向等分析确定。内部磁场方向采用N 极和S 极交替设置的形式，在磁流变液周围产生的磁场强度最大，故测试数据都采用这种接法进行测试。通过直流稳压电源控制输入电流，从小到大逐渐增加，在磁场测量仪和扭矩测量仪上读出数据并记录，电流对磁场的变化关系如图4所示，电流变化对磁阻力矩的影响见图5。由变化曲线可知，随着电流的增加，磁场强度也随之增加，基本呈现出线性变化关系，而电流对磁流变液的磁阻力矩的影响表现出先缓慢增加，然后较快增加，最后快速增加的趋势。

图4 电流与磁场变化关系Fig.4 Relationship between current and magnetic field

图5 电流对磁阻力矩的影响Fig.5 Effect of current on reluctance torque

（2）温度的影响。通过试验研究磁流变液所处温度对磁流变液输出扭矩的影响，此试验中运用到的仪器有磁流变液检测装置，直流稳压电源，温度测量仪和转速转矩测量仪。先在室温下进行测试，改变通入的电流测量输出的扭矩值并记录，然后运行达到测试温度后，再次改变电流，测量扭矩值并记录。用同样方法多次改变温度区间测量扭矩的输出值并作比较，得到图6、图7、图8 曲线所示变化关系。

图6 温度为22～26℃的变化曲线Fig.6 Change curve at the temperature of 22-26℃

图7 温度为47～50℃的变化曲线Fig.7 Change curve at the temperature of 47-50℃

图8 温度为64～67℃的变化曲线Fig.8 Change curve at the temperature of 64-67℃

试验测试了磁流变液在低中高三个不同的温度情况下的三组不同的扭矩变化，由曲线变化趋势可以看出，在不同的温度范围内，磁流变液磁阻力矩随电流的变化趋势是一致的，都随着电流的增加而变大。而随着温度的增高其扭矩表现出略有下降的趋势，但不明显。

（3）转速的影响。试验通过改变驱动装置不同的转速来检测磁流变液在不同转速下的扭矩变化，研究不同转速下输出扭矩的变化，用到的仪器有磁流变液检测装置、直流稳压电源、转矩测量仪和转速转矩测量仪。将电机转速控制在500r/min 和1500r/min 两个转速下进行试验，通过直流稳压电源依次增大电流的值，在转矩测量仪上分别读出输出数据并记录，得到的关系曲线如图9、图10 所示。

图9 转速为500r/min 变化曲线Fig.9 Change curve at the speed of 500r/min

图10 转速为1500r/min 变化曲线Fig.10 Change curve at the speed of 1500r/min

由曲线变化可以看出，磁流变液在高转速时，在电流增加的初期，磁阻扭矩增加的较为的缓慢，随着电流的进一步增大磁阻力矩才增加迅速。在高速运行情况下，如要获得较为安全的缓速效果，必须在制动初期就增大电流输入，才能得到可靠的制动效果。

3 结论

本文通过对所研制的磁流变检测装置试验研究，获得了在不同电流、不同磁场强度、不同工作温度及不同运转速度下，磁流变液磁阻力矩的变化关系，由变化关系分析可出如下结论：①磁流变液随着电流的增强，磁场的增强而增强，磁场越强产生的磁阻扭转力矩越大，磁流变液缓速器产生的制动力矩就越大；②在输入电流不变的情况下，磁流变液所表现出的磁阻力矩随温度的升高而呈现下降的趋势，下降趋势在输入电流较小的时期不明显，但随着输入电流的增大，下降趋势相比电流较小时较为明显；③在相同的输入电流下，磁流变液磁阻力矩随转速的增高而增大，但在高转速时，输入电流较小时，磁阻力矩增大的趋势比低转速时慢，当输入电流达到一定数值后，磁阻力矩增大的趋势加快。为保证磁流变液缓速器在高速下具有可靠的制动效果，在制动初期必须输入较大电流，这也为进一步研制磁流变液缓速器提供了理论基础。

[1]田祖织，侯友夫.磁流变液屈服应力计算模型研究[J].中国矿业大学学报，2012，2.

[2]董自信，李飞虎，赵韡，等.磁流变液屈服应力测试研究综述[J].科技信息，2011，22.

[3]唐龙，岳恩，等.磁流变液温度特性研究[J].功能材料，2011，6.

[4]田祖织.磁流变液及其传动技术研究[D].中国矿业大学，2012.

[5]易成建，彭向和，孙虎.基于有限元方法的磁流变液微结构磁化及宏观力学特性分析[J].功能材料，2011，8.

[6]Zekeriya Parlak,Tahsin Engin.Time-dependent CFD and quasi-static analysis of magnetorheological fluid dampers with experimental validation[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2012.

[7]李飞虎，郭楚文，董自信.磁流变液稳定性的影响因素研究[J].科技信息，2012，4.