基于磁流变液的客车缓速器设计

许晓勤,陈淑梅

(1.福建船政交通职业学院 汽车运用工程系，福州 350007;

基于磁流变液的客车缓速器设计

许晓勤1,陈淑梅2

(1.福建船政交通职业学院 汽车运用工程系，福州 350007;

2.福州大学 机械工程学院，福州 350007)

首先，分析传统电涡流缓速器及液力缓速器优缺点，电涡流缓速器工作时没有时间上的滞后性，但工作电流非常大，使蓄电池很快损坏；液力缓速器能以较小的质量提供较高的制动力矩，维修成本低，但液力缓速器结构复杂，加工装配困难，开始工作及断开时有时间滞后性。其次，阐述磁流变液组成及效应，在零磁场下磁流变液中的磁性颗粒杂乱无章随机分布，在施加磁场后颗粒规则排列，沿着磁力线方向显示出成束的链状分布。磁场越强，颗粒的链状排列越明显，磁流变液的剪切屈服强度越强。最后，设计客车磁流变缓速器结构原理图，该磁流变缓速器工作在压缩与剪切相结合的模式下。据估计，该客车磁流变缓速器能够克服电涡流缓速器工作电流大及液力缓速器时间滞后的缺点。

磁流变液；缓速器；压缩与剪切模式

0 引言

由于城市道路路口多、公交站点密、客流量大，公交车经常要进行频繁制动；山区道路陡、急弯多，长期行驶在山区路段的中大型货车、客车也经常需要制动。制动器在长时间频繁工作情况下，会引起制动蹄片快速磨损、制动器摩擦片使用寿命短，以及由于制动器热衰退导致制动力丧失或制动性能大幅下降，这也成为交通事故的主要原因[1]。因此，配备辅助制动系统十分必要。

缓速器作为车辆的辅助制动部件，通过作用于原车的传动系统而减轻原车制动系统的负荷，使车辆均匀减速，以提高车辆制动系统的可靠性，延长制动系统的使用寿命，并能因此大幅降低车辆使用成本[2]。JT/T 325-2013《中华人民共和国交通运输行业标准》明确规定特大型客车、大型客车及高二级中型客车必须配置缓速器。

目前市场上使用的缓速器主要有两种：电涡流缓速器和液力缓速器。电涡流缓速器是利用电磁感应原理来工作的。当在磁场作用下的电涡流缓速器转子旋转时，在转子金属圆盘的表面会产生电涡流。形成的涡流又与磁场相互作用，产生电磁反力，阻碍转子的旋转运动，从而使车辆得以减速，同时将车辆的动能转换成热能消耗掉[3]。从工作原理看，电涡流缓速器工作时没有时间上的滞后性，可以无级调节线圈中的电流来改变转矩大小，在启动工作时，没有冲击，没有噪声，但电涡流缓速器工作电流非常大，100～150A的大电流放电，使蓄电池很快损坏，电涡流工作时产生的巨大磁场对车上的电器设备也有非常大的电磁干扰[4]。液力缓速器包括定子和转子，转子与系统的旋转部件相连，定子与固定部件相连，工作过程中，控制系统控制充油机构向工作腔充油，油液在转子带动下循环冲击定子叶片，定子叶片对油液产生反作用，油液流出定子再转回来冲击转子，形成对转子的阻力矩，阻碍转子转动。油液在冲击过程中温度迅速升高，动能转化为热能由油液带走，并通过散热器降低油液的温度。与电涡流缓速器相比，液力缓速器能以较小的质量获得较高的制动力矩，维修成本低，工作过程不会产生磁场和电磁干扰通信的现象[5]。但液力缓速器结构复杂，加工装配困难；由于制动力大小与车速成正比，低速性能不好；在开始工作时要向转子和定子油腔充满油液需要一定的时间，开始工作及断开时有时间滞后性[6]。因此，研究综合性能更好的缓速器具有重要的实际意义。

1 客车磁流变缓速器相关理论分析

磁流变缓速器是以磁流变液为介质进行工作的缓速器，工作原理与电涡流缓速器及液力缓速器完全不同，其相关理论包括磁流变液组成、磁流变效应、应用于缓速器的磁流变液性能要求等。

1.1 磁流变液的组成

磁流变液由三部分组成：载液(如矿物油、硅油等)，可磁化分散悬浮相颗粒，添加剂等[7]。

(1)载液，顾名思义就是承载、容纳磁流变液磁性颗粒的载体，一般占磁流变液的体积分数都比较大。它对磁流变液的性能有重要影响，如磁流变液的温度稳定性、零场粘度、抗沉降性等。对它的一般要求是合适的粘度和密度、温度稳定性好、无毒无害、价格低廉等。

(2)软磁性颗粒是使磁流变液产生磁流变效应的主要组成部分，主要有羰基铁粉、铁钴合金、铁镍合金。正是软磁性颗粒在磁场的作用下在载液中形成有序的链状结构使得磁流变液体现出粘弹性体的特点，具备抵抗剪切应力的能力，而且磁性颗粒的尺寸、形态、密度等都会对磁流变的性能有所影响[8]。一般要求它有较高的磁导率、较低的磁矫顽力、体积小、内聚力小、性价比高等。

(3)添加剂往往用于改善颗粒与载液二者密度差所引起的颗粒沉降和防止磁性颗粒的团聚现象发生。

1.2 磁流变效应、机理

磁流变液(Magnetorheologcial Fluid，MRF)，以其在磁场作用下的磁流变液效应著称，现在公认的磁流变效应，是二十世纪四十年代由Rabinow首次发现的[9]，具体说来是指MRF在磁场的作用下，它的粘度、塑性及力学性能发生快速(毫秒级别)变化的现象，被形象地描述为磁流变液从液体状态快速转化为半固体状态，这个过程快速可逆，在磁场撤去后，又迅速地由半固体状态变为液体状态。但准确地说是MRF在液体和粘弹性体之间相互转化。这种变化，在物理属性上，表现为表观粘度跨数量级的变化。磁场的感应强度越大，MRF的磁流变效应就越明显，从几乎无法抵抗剪切变形的流体状态，朝着可以承受一定程度剪切变形的粘弹性体转变。当然，磁场的持续增大，也不能使磁流变液变成真正的固体，当MRF中磁化颗粒达到饱和状态后，其抵抗变形的能力无法继续提高。

磁流变液效应如图1所示，可以看出，没有施加磁场和施加磁场后磁流变液的形态发生了明显变化。没有施加磁场时，磁流变液的表面光滑，用小棒拨动依然呈现出流体的流动现象，具有良好的流动性；施加磁场后，磁流变液的表面逐渐粗糙，慢慢出现了类似小针尖似的结构，随着磁场的逐步增大，小针尖变得越来越粗大，表面也显得更加粗糙，具有了抵抗变形的能力，而且针尖的指向大致与磁力线方向一致。

对于磁流变液在图1中产生的磁流变效应，一般用磁性颗粒在磁场作用下形成有序链状结构的事实来加以解释。

(a)I=0A (b)I=1A (c)I=2.5A

图1 磁流变液效应图

(a) 无磁场，t=0ms (b)有磁场，t=10ms

图2 MRF微观成链实物图

MRF微观成链实物如图2所示，可以看出在零磁场下磁流变液中的磁性颗粒杂乱无章随机地分布着，然而在施加磁场后颗粒有规则地排列起来，而且是沿着磁力线的方向成束的链状分布。随着磁场的进一步增强，颗粒的链状排列越发明显，变得越来越粗。正是这种在载液中形成有序的随磁场增强的链状结构限制了磁流变液的流动，使原来的流体逐渐向半固体发展，产生了越来越强的剪切屈服强度。但就磁性颗粒在磁场的作用下形成有序的链状结构的理论解释，有不同的假说，但没有统一。

1.3 应用于缓速器的磁流变液性能及要求

磁流变液的应用越来越广泛，在不同的应用领域、场合对磁流变液的性能都提出了有所侧重的不同要求，在缓速器的应用上，要求磁流变液有较高的剪切屈服应力、较好的温度稳定性，具体要求如下：

(1)MRF应具有较高的剪切屈服强度，这样便于制造出较大传递力和较宽工作范围的磁流变液缓速器。

(2)MRF的零场粘度较小为好，有利于降低磁流变液装置在非工作状态(即不发生磁流变液状态下)的耗能，使得磁流变液缓速器有更大的可调范围。但是，粘度越低越容易沉降结团，因此需视情况而定。

(3)需要具备一定的温度稳定性，MRF在缓速器工作装置中往往受到温度的影响，可能导致剪切屈服强度降低、寿命减短。

(4)优良的抗沉降性，能保证MRF缓速器间断性工作或者较长时间闲置状态后，仍然能正常工作。

(5)MRF在缓速器中与结构和密封材料相互接触，因此，不能与它们发生腐蚀导致泄露。

(6)为保证缓速器的使用寿命，MRF应该具有较好的耐磨性和较长的使用寿命。

2 磁流变缓速器制动原理

磁流变缓速器不同于传统的电涡流缓速器和液力缓速器，它以磁流变液作为制动的介质，以磁流变液在磁场下产生的粘度和剪切屈服应力来制动，制动力的大小也可以根据磁场的强度进行快速控制。

这里用经典的牛顿平板实验加以改进说明磁流变液缓速器的原理，如图3所示。

(a)牛顿流体平板实验 (b)MRF改进平板实验

(1)

式中，Fτ为磁流变液产生的剪切力，τ为磁流变液的剪切应力，A为磁流变液在平板上的作用面积。

当施加一定磁场后，再在上平板上施加一个较小的外力F，此时，磁流变液不会如牛顿流体一般开始流动，磁流变液转变为类似能抵抗剪切变形的固体，在剪切方向上产生一定的形变。只有当F慢慢增大，超过一定值，剪切应力超过材料屈服极限后，上平板才能运动起来，又开始类似牛顿流体特性的流动。图3中磁流变液会先在靠近上平板附近产生屈服，靠近下平板附近还处于未屈服状态，随着v的增大屈服范围越来越大，越来越接近下平板。因此，在磁场作用的磁流变液具备粘弹性体特性，流动状态下既有由粘度产生的阻力，也有磁场产生的附加阻力，该阻力能随着磁场的增大而增大，且后者相比前者大1～2个数量级。

磁流变液缓速器的工作原理，就是利用磁流变液所产生的阻力作为制动力，且可通过磁场对制动力进行控制。

从上面的分析可以看出关于磁流变液传动时的某些特点与规律。由磁流变液产生的剪切力充当阻力，在缓速器中可以充当制动力。力的大小取决于两个参数，剪切应力τ和剪切面积A。当缓速器的结构确定后，剪切面积不变，制动力与τ相关，由于磁流变液的性质，剪切屈服应力受控于磁场，磁场越强产生的剪切屈服应力越大，制动力更大，反之亦然。在设计时为了获得更大的制动力矩，应该在保证磁场强度的前提下尽量增大剪切面积。

研究表明，如果能在剪应力的基础上加上压应力，可大大提高制动力矩[10]，在相同条件下，工作在压缩与剪切模式相结合产生的最大制动转矩比单用剪切模式产生的制动转矩大4倍以上[11]。工作在压缩与剪切模式下的剪切屈服应力公式可表示为：

τ=τyd+KPe

(2)

式中τyd为未被压缩时磁流变液剪应力，与磁场强度有关；K为磁场强度有关的常数；Pe为磁流变液所受压力。

3 客车磁流变缓速器结构设计

缓速器一般都由圆筒或圆盘形的转子和定子构成，那么填充在磁流变液缓速器中的磁流变液体存在于两个相对运动的圆筒间或者两个相对运动的圆盘间，如图4所示。

(a)圆筒型 (b)圆盘型

图4 磁流变液缓速器基本结构类型

圆筒型：这种结构简单，主要利用外圆筒面与定子的间隙填充磁流变液，并发生相对运动，磁流变液在轴向方向分布较均匀，且径向厚度较薄，受到离心力的影响有限；但是为了获得较大的圆柱面需要增大定子在直径或者轴向上的尺寸，因而制动轴上的转动惯量较大，装置整体体积较大，一般适用于较大制动力矩的场合。

圆盘型：该结构也很简单，尤其是轴向尺寸较小，制成转子的转动惯量较小，反应较灵敏；但是由于盘面上的磁流变液在径向方向上分布跨度大，容易受到离心力的影响，导致分布不均匀。为了达到一定的制动力矩，可采取多盘结构增加剪切面积或采用剪切与压缩相结合的模式。

考虑到客车底盘空间的限制，本文设计的缓速器采用双盘圆盘型，工作模式为剪切与压缩相结合，结构示意图如图5所示。磁流变缓速器结构包括轴16，双盘旋转盘10、12，磁盘1、3、5，电磁线圈2和9，轴承14，Y型密封圈15等。其中磁盘5固定不动，磁盘1和3在磁盘5内线圈9通电时由于电磁吸力向右轴向滑动。安装在轴16上的旋转盘10和12两侧以及外围的环形空间充满了磁流变液8。Y型密封圈用于密封磁流变液，并允许磁盘1和3在磁盘5线圈通电时轴向滑动。采用6个压缩弹簧抑制磁盘5内线圈产生的电磁力。

磁流变缓速器开始工作时，先给磁盘5内的线圈9通电产生电磁吸力使磁盘1和3向右滑动，即磁流变液压缩后，给磁盘1和3内的线圈2通电产生所需要的屈服应力，随着线圈电流的增加屈服应力增大，由此来控制磁流变缓速器的制动转矩。

图5 客车磁流变缓速器工作原理图

4 客车磁流变缓速器技术特点

与传统的电涡流缓速器和液力缓速器相比，客车磁流变缓速器有以下特点：

(1)制动力矩可以根据客车型号载重量的不同、工作状态的不同，调节制动力矩的大小，实现更为精准的控制；

(2)通过改变线圈电流对磁场进行调节，控制实现方法简单，可以很方便地接入客车控制系统而不影响客车原有功能；

(3)调节控制的时间响应快速，一般为毫秒级别，制动响应速度快，制动距离更短，更安全；

(4)磁流变效应的过程可逆，转矩可大可小，可与ABS相结合或代替ABS实现智能控制；

(5)工作介质是磁流变液，因此，能够耐受一定冲击，减小制动过程中的振动，提高客车的乘坐舒适性；

(6)没有刚性摩擦，缓速器主体工作部件磨损小、噪音小、寿命长；

(7)磁流变缓速器结构简单，密封性好，外露零件较少，便于维护；

(8)运行过程能耗低，尤其是非制动状态下，客车磁流变液缓速器空转转矩很小，耗能低，满足绿色环保要求；

(9)便于电控，与计算机控制技术结合，可实现智能化控制。

5 结论

随着欧美日等国高档大型商用汽车不断进入我国汽车市场及我国汽车工业的不断发展，缓速器这一高科技产品已逐渐为国内用户接受，为了安全起见，国家更是强制规定高二级中型客车以上必须配备缓速器。然而传统的电涡流缓速器和液力缓速器都有其缺点，磁流变液由于其粘度和剪切屈服应力瞬间可调，是缓速器理想的工作液。文章分析并设计了以磁流变液为介质的客车磁流变缓速器结构原理图，该磁流变缓速器可以适应在压缩与剪切模式下的工作。

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(责任编辑：蒋 华)

Design of a Coach Retarder Based on Magnetorheological Fluid

XU Xiao-qin1, CHEN Shu-mei2

(1.Automobile Application Engineering Department, Fujian Chuanzheng Communication College,Fuzhou 350007, China;2.School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350007, China)

The advantages and disadvantages of the traditional eddy current and hydraulic retarder were analyzed in this paper. There exists no lag time in eddy current retarders. However, the large operating current will shorten the battery life. The hydraulic retarder, with low maintenance costs, can provide a larger brake torque with comparatively low weight. The composition and effect of magnetorheological fluid were also described in this paper. With zero magnetic field, the magnetic particles in magnetorheological fluid are very randomly distributed. But there are rules in applied magnetic field for particles to be aligned along the direction of magnetic force lines, showing a chainlike distribution beam. The stronger the magnetic field is, the more obvious the chain packing of the particles and the stronger the shear yield strength of magnetorheological fluid. At last, a coach magnetorheological retarder sketch was proposed, which could work under compression plus shear mode. It is estimated that the vehicle magnetorheological retarder could work with lower current than eddy current retarders and work faster than hydraulic retarders.

magnetorheological fluid; coach; retarder

2015-04-15

福建省教育厅科技项目A类(JA14376)

许晓勤(1981-)，女，福建厦门人，讲师，硕士，主要从事电磁流变应用研究。

U

A

1009-7961(2015)05-0031-06