磁流变液制动器研究综述

路国平　张振珠

【摘 要】磁流变液是一种可快速发生液-固相变的智能材料，有广泛的机械工程应用前景。本文介绍了磁流变液的特性及其在制动系统中的应用现状，阐述了盘式、鼓式、叶轮式这三种磁流变液制动器的工作原理，并分别进行了制动力矩分析。另外，对磁流变液制动器的应用前景以及相关研究所面临的主要问题进行了叙述。

【关键词】磁流变液；制动系统；磁流变液制动器；制动力矩

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，汽车上使用的制动器主要为机械摩擦式，制动时摩擦材料的损耗带来的材料浪费、制动效率的损失以及环境污染问题，已越来越受到人们的关注。随着磁流变液（MRF）的深入研究，其在工程应用方面的研究也越来越多，磁流变液特殊的流变特性为汽车传动和制动系统的开发带来了新思路。由于产生的制动力矩较小，磁流变液制动器的应用有较大的局限性，但其快速可调、能耗低、相应迅速等优点使得它在车辆制动系统上的应用有一定的现实可行性。

1 磁流变液制动器工作特性及其应用研究现状

1.1 磁流变效应

磁流变效应是指磁流变液在外加磁场的作用下，由原来的液相瞬间转变为固相的一种特殊现象。人们普遍认为，磁流变液中磁性微颗

粒在外加磁场作用下的磁极化是产生磁流变效应的重要原因。

图1 磁流变液的磁极化过程

磁流变液在磁场中的磁极化过程如图1所示[1]，其磁性颗粒当做刚性圆球：在没有外加磁场时，圆球在载液中无规律分布，如图1（a）所示；在弱磁场作用下，磁颗粒开始磁极化后形成磁偶极子，如图1（b）表示，并且载液中开始出现一些孤立链；随着的磁场强度逐渐增大，磁颗粒开始按列排序，并相接成链，如图1（c）所示，此时载液中存在着支链和通链，且磁流变液的表观粘度增大；当外加磁场强度变得很强时，如图1（d）所示，载液中磁链的数量增加，并形成柱链，磁流变液的屈服应力和表观粘度进一步显著增大，表现出类固体的特性。外加磁场撤除后，载液中磁颗粒迅速重新回到无规律分布状态，磁流变液也重新表现为液态。整个链化过程的响应时间达到毫秒级。

1.2 磁流变液在剪切力和驱动力作用下的流动特性

磁流变液是一类应力响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性的特殊材料，其工作模式主要有剪切、驱动和挤压这三种。其中，在受剪切力和受驱动力的作用下，其本构模型为：

1.3 磁流变液制动器的应用研究现状

目前，国内外研发的磁流变液制动器大多停留在理论和试验研究阶段，只有极少数商业化的产品应用于制动力矩小的场合。如美国Lord公司将开发出的小型回转式磁流变液制动器应用于自行车式和台阶攀登式健身机上，该产品可实时控制回转力矩，在设定目标值下迫使健身者保持期望速度[2]。

汽车上使用的制动器主要为机械摩擦制动器，分盘式和鼓式两种，且应用已非常成熟。但这种制动器在路况差的工况条件下，存在着制动抗热衰退性和制动效能不足的缺陷。磁流变制动器具有能耗低、相应速度快、快速可调的优点，国内很多专家学者针对它进行了诸多研究，但多数停留在理论分析和试验研究。其中，东北林业大学的丁柏群提出一种叶轮式磁流变液制动器[3]，基于小型乘用车的车轮内悬架空间和实际制动力矩的要求，进行了结构设计和仿真分析，结果表明其满足要求，使得叶片式磁流变液制动器在车辆制动系统上的应用成为可能。

2 磁流变制动器的工作原理和制动力矩分析

由于制动器主要是为抑制小位移的旋转轴运动，所以磁流变液的工作模式主要是剪切和驱动模式两种。当前关于磁流变制动器的结构主要集中在盘式、筒式以及叶轮式三种，本文分别介绍了它们的工作原理和制动力矩分析。

2.1 盘式磁流变液制动器的工作原理和制动力矩分析

盘式磁流变液制动器的外形结构类似于传统盘式汽车制动器，但其完全改变了依靠金属摩擦块与旋转圆盘的摩擦作用来抑制转动的工作方式，如图2所示[4]。旋转圆盘被支承在制动器外壳体上的旋转轴驱动，磁流变液置于旋转圆盘与旋转轴内支承以及外壳体形成的空腔内。励磁线圈缠绕在外壳体的凹槽内，以便于形成磁流变液工作所需要的磁场环境。未施加励磁电流时，磁流变液表现为粘度很小的牛顿流体特征，其不能阻碍旋转圆盘的转动；施加一定励磁电流后，磁流变液在磁场环境下的粘度瞬间变大，产生了抑制旋转圆盘转动的剪切应力，且该应力随着励磁电流的增大而增大，产生的力矩达到所需制动力矩后，便实现制动的要求。

2.2 筒式磁流变液制动器的工作原理和制动力矩分析

筒式磁流变液制动器是利用磁流变液的流变效应产生的剪切应力来进行制动的器件，如图3所示[6]。它由旋转内圆筒、固定外圆筒、励磁线圈、旋转轴及磁流变液等构成，磁流变液作为工作介质，其工作区域在内圆筒和外圆筒的环形间隙中，在励磁线圈形成的磁场环境下产生磁流变效应，起到抑制内圆筒转动的作用。

与盘式制动器一样，其制动力矩也分为粘性阻力矩和磁流变阻力矩。选用美国Lord公司研制的MRF—336AG型磁流变液，通过计算可得到该制动器在可产生的制动力矩为53N·m，远远达不到汽车制动力矩的要求。

2.3 叶轮式磁流变液制动器的工作原理和制动力矩分析

叶轮式磁流变液制动器与圆盘式和圆筒式制动器不同，其工作模式为剪切和驱动的混合模式，结构原理如图4所示[3]。磁流变液充满在壳体与叶轮之间的间隙之中，叶轮的驱动结构为可控的电磁离合器，当车辆正常行驶时，叶轮不工作，磁流变液在无磁环境下为液态；当车辆制动时，叶轮与固定在车轮轮毂上的转轴结合并旋转，叶片的搅动使磁流变液在工作间隙和相邻腔室间流动，另一方面磁流变液与壳体相对运动，形成平面缝隙的剪切流动。同时，励磁线圈通电，磁流变液变成类固体，抑制叶片的旋转，以达到制动的效果。

3 磁流变制动器研究面临的主要问题

基于磁流变液的特殊流变特性，其在动力传动和制动等方面会有广阔的应用前景。但磁流变液制动器要取代常规制动器，进行大规模的使用，还需要解决诸多问题：

1）稳定性问题。一方面是静态稳定性：静置时的磁流变液存在沉降稳定性问题，即载液中的磁性颗粒会随着时间的推移而下降沉淀，这会影响磁流变液的流变效应和响应速度。另一方面是工作时的温度和剪力稳定性：由于制动时液体要承受从发动机传来的转动力矩，温度会急剧上升，会造成磁流变液粘度下降[7]，影响制动效能；磁流变液在受剪切力时有剪切稀化现象，即剪切屈服应力会下降，也在一定程度上影响制动效果。这些问题都对磁流变液的研制和生产提出了更高的要求。

2）制动力矩有限的问题。制动器空间结构布置、励磁线圈的匝数和缠绕方式、结构精度等因素都会影响磁感应强度的大小，进而影响磁流变液中磁性颗粒的磁极化程度，最终影响制动力矩的大小。同时，盘式和鼓式磁流变液制动器还存在空载状态下的功率损失问题。

3）密封问题。磁流变液在零磁场下是宾汉姆流体，存在着泄露或渗漏的隐患，而机械加工精度不够、工作温升过快以及制动频率高等都会带来磁流变液制动器的密封难问题，而这也是液压元件普遍存在的一个难题。有效解决密封问题，对于提高磁流变液制动器的工作稳定性、可靠性和使用寿命有非常重大的意义。

4 结束语

相比传统制动器，磁流变液制动器有响应迅速、能耗低、实时可调等优点，但要满足乘用车制动力矩的要求并大规模应用，还需要解决可靠性、稳定性和安全性以及使用成本等诸多问题，这也是相关工程技术人员应努力的方向。笔者认为磁流变液制动器可应用于防抱死制动系统，其实时可调性、响应快等智能化特点可以简化传统防抱死制动系统的结构和控制方式[8]，甚至取代常开电磁阀、常闭电磁阀以及液压泵电机的作用，这也会成为一个重要的方向。

【参考文献】

[1]黄金.磁流变液与磁流变器件的分析与设计[D].重庆大学，2006.

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

[3]丁柏群，宋宇.一种叶轮式MRF汽车制动器结构设计和性能仿真[J].汽车技术，2011（8）：34-38.

[4]单慧勇，杨延荣，卫勇.圆盘式磁流变制动器的理论设计与探讨[J].机床与液压，2006（4）：53-55.

[5]蒋科军，刘成晔.车用磁流变液制动器制动效果分析与研究[J].拖拉机与农用运输车，2009，36（6）：25-27.

[6]刘成.磁流变液制动器的分析与设计[D].重庆理工大学，2010.

[7]温诗铸.摩擦学原理[M].3版.清华大学出版社，2008.

[8]郑开魁.磁流变液制动器的研究及其应用[J].机电技术，2014（4）：153-156.