磁流变缓速制动装置低温运行性能测试研究

齐晓杰，安永东，吕德刚，汪 伟

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

磁流变缓速制动装置低温运行性能测试研究

齐晓杰，安永东，吕德刚，汪 伟

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

为合理设计传动轴式串联双磁流变液缓速制动装置，保证其低温运行性能正常，设计了基于低温试验舱的磁流变缓速制动装置低温运行性能测试系统。测试内容包括低温起动时，阻力矩达到稳定状态的时间及影响，测试装置温升对阻力矩的影响，以及测试装置的内部温升等。该测试系统结构简单，驱动可靠，操作方便，测试结果重复性好，精度较高。

磁流变；缓速装置；性能测试系统；低温性能；试验研究

车辆缓速制动装置是有效消耗车辆行驶过程中产生的大量惯性动能或坡道势能的一种重要的辅助制动装置。在车辆行驶速度越来越高，载重量越来越大的情况下，是提高车辆行驶安全性能的重要措施之一。缓速制动装置器按原理可分为发动机缓速装置、液力缓速器、电涡流缓速器、电机缓速装置和空气动力缓速装置等[1-3]。

目前，车辆缓速器产品90%以上是电涡流缓速器，为长时间制动和提高缓速制动力，车辆上需匹配占用空间较大的电力系统，为解决这一问题，开展了磁流变液缓速制动装置的开发研究，本文对所设计的磁流变缓速制动装置的低温运行性能进行了测试和分析。

1 磁流变液和研制的磁流变缓速装置

磁流变液属粘性模量可控流体，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、低流动性的宾汉(Bingham)粘塑性体特性，且具有磁流变粘性模量响应迅速和易于控制等特点。利用磁流变液的磁流变特性开发研制车辆缓速器，具有机械结构简单、功耗低、响应时间短和调节范围宽等优点，应用前景广泛[4-6]。

本文研制的磁流变缓速制动装置整体结构如图1所示。为提高缓速制动效果和降低热耗，采用传动轴串联双磁流变液缓速制动结构。主要由缓速制动片、导磁片、磁力生成线圈、磁流体、壳体、支承和密封件、联轴器等组成。缓速制动装置轴通过连轴器与传动轴同轴串联连接，缓速器外壳通过支架固定在车架上。工作时，通过车辆提供低电压、可调电流产生缓速器内可变强度磁场，从而改变缓速制动片和导磁片间磁流变液的可变粘性模量，形成相应的制动效果。缓速器内磁流变液的可变粘性模量可根据缓速制动要求，实现模拟量自动控制，从而提高制动安全性和车辆行驶舒适性。

1—缓速制动片；2—导磁片；3—磁力生成线圈；4—磁流体；5—壳体；6—支撑和密封件；7—联轴器图1 串联式缓速制动装置整体结构

2 磁流变缓速制动装置低温运行性能测试系统组成和原理

图2所示为搭建的磁流变液缓速制动装置性能模拟测试系统。由驱动系统、测试装置和数据处理系统三部分组成。驱动系统由驱动电机、传动带、升降机构等组成，输出转速可由电机调频系统实现连续调速；测试装置主要由扭转磁力罐、磁力线圈、磁流变液、测试传感器等组成；数据采集处理系统包括计算机、数据接口、分析软件等。低温测试时，测试系统置入低温试验舱，试验舱温度在-45～70 ℃连续可调。

图2 磁流变液缓速制动装置性能模拟测试系统

在对磁流变液流变学特性评价时，是在不同磁场B作用下，用磁流变液的剪切应力τ与剪切率γ的关系来评价，即τ=f(B,γ)，同时也需评价磁流变液的温度效应，即在不同温度T下，磁流变液的剪切应力τ与剪切率γ的关系，即τ=f(B,T,γ)。由于磁流变液经受的剪切应力和剪应变率无法直接检测，故需要进行间接测量[3]。本文利用磁流变液在磁场作用下变为宾汉粘塑性体时的扭矩传递特性，通过检测到的扭矩数值，分析磁流变液在剪切通道中所反映出的流变学特性，以及温度的影响程度。检测系统中的磁流变液位于环形剪切通道中，在转子匀速转动时磁流变液经受剪切产生环向流动(或宾汉体时的粘塑性大变形)，所设计的磁路结构，保证了磁力线方向与磁流变液的流动方向相垂直。

测试时，测试装置由电源为线圈提供励磁电流，产生电磁场，并在磁力罐中主动回转体、被动回转体和其间的磁流变液中形成磁回路，电流达到一定程度时，作用在磁流变液上的电磁场增强达到一定值，磁流变液即转变呈现为宾汉体，粘性达到一定程度而成为粘塑性状态，从而使测试磁力罐中主动回转体、被动回转体间的摩擦阻力迅速增加，被动回转体随之转动。将回转扭矩测试仪与被动回转体同轴连接器，并通过数据采集处理系统采集数据，即为在驱动系统驱动主动回转体下，宾汉体磁流变液传动的扭矩特性，由此反映出磁流变测试装置的磁流变传动性能。图3所示为磁流变液缓速制动装置性能模拟测试系统。

图3 磁流变液缓速制动装置性能模拟测试系统

3 低温试验与数据分析

研制磁流变缓速制动装置采用的磁流变液主要由二甲基硅油、羰基铁粉和稳定剂等构成。密度：3.4±0.1(g/mL)，饱和剪切屈服强度：52±3(kPa)，使用温度：-40～150 ℃，质量固含量：≥80%，闪点：≥200 ℃。低温测试内容为低温起动时，阻力矩达到稳定状态的时间及影响；测试装置温升对阻力矩的影响；测试装置的内部温升，通过对所得实验数据的分析，为研制磁流变缓速装置提供设计依据。本文中的测试温度范围为0～-35 ℃[7-9]。

3.1 不同温度下的起动阻力矩

测试系统在低温试验舱初始起动时，与常温比具有不稳定现象。图4所示为测试装置电流1.2 A，转速500 r/min时测得的起动转矩曲线。从曲线可以看出，不同温度下的起动阻力扭矩均大于稳定工作状态阻力矩，约为稳定运转时阻力矩的3～5倍，且温度越低，起动阻力矩越大，但在不同的起动温度下，经过约40 s运转后，阻力扭矩均趋于稳定。分析原因应与磁流变液粘温特性有关，即测试装置工作一段时间后，由于测试部分旋转剪切应变和摩擦产生热量和温升，并在一段时间后达到平衡。转速增高，起动阻力矩具有增大的趋势[10]。

图4 测试装置起动阻力矩曲线

正常运行性能测试时，应在系统环境参数稳定后开始测试，本试验在开始运行2 min后开始测试。低温起动阻力矩增大的现象，不影响车辆缓速器的缓速制动效果，但在北方环境温度低的情况下，会产生缓速制动装置起动冲击，严重时会影响缓速制动装置的使用寿命，应加以注意或通过车辆起动预热避免。

3.2 不同温度下的运转稳定阻力矩

不同低温环境下，运转稳定后的阻力矩随电流的变化曲线如图5～7所示。试验在低温试验舱内进行，测试转速1 000 r/min，使用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，通过改变低温试验舱温度并稳定后，改变通入的电流，测量输出的扭矩值并记录；然后在更低温度区间运行测试，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5、图6、图7不同低温区间的阻力矩随电流变化的曲线[11-12]。

图5 温度为-8～-10 ℃的阻力矩变化曲线

图6 温度为-18～-20 ℃的阻力矩变化曲线

图7 温度为-28～-30 ℃的阻力矩变化曲线

图8 不同零下温度下的阻力矩

试验测试了磁流变液在低中高3个不同的零下温度情况下的扭矩变化，由曲线变化趋势可以看出，在不同的零下温度范围内，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。而随着温度的降低其扭矩表现略微有下降的趋势，很不明显(图8所示为电流2 A时不同零下温度下的阻力矩)。这表明，在测试装置运行稳定后，环境温度对磁流变液粘温性影响已由测试部分旋转剪切应变和摩擦热产生的温升取代。应该讲，在低的环境温度下车辆缓速器工作时，有助于散热和减少温升。

在无稳定恒温控制时，随工作时间延续，罐内温度由于巨大的制动能量被缓速制动罐消耗，罐内磁流变液剪切应变和摩擦产生的热量会使温度迅速上升，由此会产生阻力矩的下降，影响制动效果。这与常温态下的工作情况是一致的，因此，即使是在北方低温环境下，也要注意缓速器的散热，否则，过高的温升，会影响制动效果[13-15]。

3.3 测试装置的内部温升

试验在低温试验舱内进行，测试转速500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min，测试条件为-20 ℃，循环风速为0，6 m/s，16 m/s，使用温度测量仪测量并记录。得到循环风速与测试装置内部温度变化曲线和转速与测试装置内部温度变化曲线。

图9所示为转速500 r/min时测得的不同循环风速与测试装置内部温度变化的曲线。测试装置随低温舱内循环风速的增加温升变慢，并在一定时间后稳定在一定值。循环风速很低时温升很快，本试验在不加循环风速的情况下(即循环风速为0时)，测试装置运行16 min时温度为150 ℃，达到磁流变液的工作温度上限，为保证磁流变液性能稳定和安全，试验停止。

图9 转速500 r/min时测得的不同循环风速与测试装置内部温度变化的曲线

图10 环风速6 m/s时不同转速下测试装置内部温度变化曲线

图10所示为试验舱循环风速6 m/s时(相当于车速20 km/h左右)测试装置内部温度变化曲线。测试装置随驱动转速增加温升变快，在1 500 r/min测试时，约12 min即达到测试温度上限，试验停止。因此，车用缓速制动装置即使在北方冬天使用，也应注意温升的影响，特别是在长下坡行驶的情况下，应加强缓速器散热装置的设计和控制缓速器连续使用的时间。

4 结 论

本文主要针对温升对研制磁流变缓速制动装置的影响进行了低温运行性能测试，低温测试内容包括：低温起动时，阻力矩达到稳定状态时间及影响；测试装置温升对阻力矩的影响；测试装置的内部温升等，测试温度范围为0～-35 ℃。测试结果和分析结论如下：

1)测试系统在低温试验舱初始起动时，与常温比具有不稳定现象。起动阻力扭矩大于稳定工作状态阻力矩，温度越低起动阻力矩越大，工作一定时间后，趋于稳定，不同测试温度下，起动阻力矩约为稳定运转时阻力矩的3～5倍。低温起动阻力矩增大的现象，在北方环境温度低的情况下，会产生缓速制动装置起动冲击，严重会影响缓速制动装置的使用寿命。

2)在测试装置运行稳定后，环境温度对磁流变液粘温性影响由测试部分旋转剪切应变和摩擦热产生的温升取代，测试装置温升很小，因此，低的环境温度下车辆缓速器工作时，有助于散热和减少温升。在无稳定恒温控制时，测试罐内温升与常温态下的工作情况是一致的。因此，即使是在北方低温环境下，也要注意缓速器的散热，否则，过高的温升会影响制动效果。

3)测试装置随低温舱内循环风速的增加温升变慢，经一段时间后稳定在一定值。循环风速很低时温升很快，会达到磁流变液稳定工作温度的上限；测试装置随驱动转速增加温升变快，在循环风速较低时，会达到磁流变液稳定工作温度上限，因此，车用缓速装置即使在北方冬天使用，也应注意温升的影响，特别是在长下坡制动行驶的情况下，应加强缓速器散热装置的设计和控制缓速器连续使用的时间。

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Operational performance test research on magneto-rheological retarder device under the condition of low temperature

QI Xiaojie, AN Yongdong, LYU Degang,WANG Wei

(College of Automobile and Traffic Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050，China)

In order to reasonably design driving shaft-type and series connection double magneto-rheological retarder device, and guarantee its normal operation at low temperature, an operation performance test system of magneto-rheological retarder device at low temperature based on experiment cabin at low temperature. Test content includes time and influence, of which the device starts at low temperature and resistance torque gets to stable statement, as well as the influence on resistance torque when temperature of test device rises. Construction of test device is simple, driving is reliable, operation is convenient, repetitiveness of test result is good, and precision is high.

magneto-rheological;retarder device; performance test system; low temperature performance;test research

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.06.005

2017-06-14

黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(12541666)

齐晓杰(1960-)，男，教授，工学博士，研究方向：汽车新技术新结构.

TH132.2

A

1671-4679(2017)06-0024-05

[责任编辑：刘文霞]