智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计【带CAD图纸设计说明书】.zip智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计【带CAD图纸设计说明书】.zip

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编号:20200114201724432842    类型:共享资源    大小:822.55KB    格式:ZIP    上传时间:2020-01-14
  
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1 毕业设计说明书 智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计 2 智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计 摘要 由于冷却水温与发动机的许多工作性能有着直接或间接的关系,如果冷却水温保持最佳的温度 范围内,不仅可以提高发动机的动力性、减少废气的产生、还可以减少燃料消耗量、增强发动机工 作平稳性。 磁流变液 (MRF)是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料,它在无外加磁场作用 时呈现牛顿流体的流动特性,然而在强磁场作用下,其表观粘度可在毫秒级的短时间内增加几个数 量级以上,并呈现类似固体的力学性质,而且粘度的变化是连续、可逆的,即一旦去掉磁场后,又 变成可以流动的液体。 圆筒式磁流变离合器是一种利用磁流变液剪切应力来进行离合的一种装置,它传递的力矩随外 加磁场的变化迅速变化。在没有磁场作用的情况下,磁流变液处于液体状态,离合器的离合力矩仅 为粘性阻力。当有一个外加磁场作用时,磁流变液中的极性粒子马上被极化并沿着磁力线方程成链 状分布。这种链状结构就使磁流变液的剪切应力增大,表现出塑性体的特性,因此离合器就可以传 递一定的力矩。力矩的大小可以通过调节磁场强度的大小来控制。磁流变离合器具有传动平稳、均 衡、结构简单、紧凑、操作简便、能耗低、寿命长等优良性能。 本文首先对磁流变液的材料及流变特性进行了介绍,对磁流变液本构模型进行了分析。对磁流 变液的传力方式进行了讨论,并根据剪切模式建立了磁流变液的传力模型,完成了圆筒式磁流变离 合器的设计,得出了基本设计公式。 关键词:冷却系统;磁流变液;离合器;传力模型;几何设计方法 3 The Intelligent Material Is Used For Car Cooling System Of Application And Design ABSTRACT It's 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 engine's 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 4 目 录 一、绪论 .1 1.1 发动机冷却系统 .1 1.1.1 发动机冷却系统的功能 1 1.1.2 冷却系统调节的工作原理 1 1.1.3 冷却系统调节的主要途径 2 1.2 目前风扇离合器及存在的问题 .3 1.3 磁流变液离合器 .3 1.4 本课题的主要工作 .4 二、磁流变液 5 2.1 磁流变液的组成 .5 2.1.1 磁性颗粒 5 2.1.2 载 液 .6 2.1.3 添加剂 6 2.2 磁流变液的性能 .7 2.2.1 磁流变液的性能要求 7 2.2.2 磁流变液的物理性能 .7 2.2.3 磁流变液的化学性能 8 2.2.4 磁流变液的力学性能 8 2.2.5 磁流变液的质量因数 .10 2.2.6 几种磁流变液的性能 .11 2.3 磁流变效应 15 2.3.1 磁流变效应的特征 15 2.3.2 磁流变效应的机理 15 2.3.3 磁流变液的磁畴理论 .16 2.3.4 磁流变液的链化模型 .17 2.3.5 影响磁流变效应的因素 .18 5 2.4 磁流变液应用于离合器 22 三、圆筒式磁流变离合器 .23 3.1 圆筒式磁流变离合器工作原理 23 3.2 圆筒式磁流变离合器理论分析 23 3.2.1 数学模型 23 3.2.2 流动分析 25 四、磁流变离合器设计 29 4.1 磁流变离合器的失效形式和设计准则 29 4.1.1 最大有效转矩 .29 4.1.2 粘塑性滑动和打滑 .29 4.1.3 失效形式 .30 4.1.4 设计准则 30 4.1.5 圆筒式磁流变离合器的关键尺寸 .30 4.2 圆筒式磁流变离合器的设计方法 32 4.2.1 原始数据及设计内容 .32 4.2.2 设计方法 .32 4.3 圆筒式磁流变离合器设计 33 4.3.1 圆筒式磁流变离合器结构 .33 4.3.2 圆筒式磁流变离合器设计计算 .35 结束语 .45 致 谢 .46 参考文献 47 附录 英文文献翻译 .48 1 一、绪论 1.1 发动机冷却系统 1.1.1 发动机冷却系统的功能 发动机冷却系统对发动机整体性能及可靠性、耐久性有很大影响。发动机运转时, 与高温燃气相接触的零部件(如气缸盖、气缸套、活塞、气门等)受到强烈的加热, 它的强度下降,而且热应力很大。如果发动机得不到充分冷却,即过热,会产生很多 不良后果。如:机械强度降低,甚至可能出现热变形,破坏零件之间的配合间隙,引起 零件强烈磨损,严重时,还可能发生零件断裂事故.高温也会引起气缸壁机油变质,使 之失去润滑性能,甚至结焦。高温还会引起发动机充气系数下降,使其功率降低。另 外,气缸套和活塞的最大热负荷受润滑条件的限制,温度超过 240'C,就会因机油碳化, 使活塞环胶结失去弹性并刮伤缸壁,磨损加剧;轻金属活塞的热应力是受温度制约的, 随着温度的增加,铝合金的强度将很快降低,温度达到 380-500℃以上,就不可能保证 可靠运转。反之,冷却系统的冷却能力过强,也是非常有害的。发动机过冷,散热损失 的热量多,发动机工作的热效率低,功率下降而耗油增加:零件过冷,膨胀量不足,相 互之间的配合间隙大,零件在运动过程中相互碰撞,运转噪音增大且加快磨损速度:冷 却温度低,会恶化混合气的形成和燃烧,使发动机工作粗暴,增加机油粘度和摩擦功 率 [1]。因此,冷却系统的重要作用是使发动机尽快升温,并使其保持恒温:将受热零 件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下工作。冷却系统既 要防止发动机过热,也要防止冬季发动机过冷。在发动机冷起动之后,冷却系统还要保 证发动机迅速升温,尽快达到正常的工作温度 1.1.2 冷却系统调节的工作原理 目前汽车发动机多采用强制循环水冷系统。发动机气缸盖和气缸体中都有水套。 水泵将冷却水从机外吸入加压,使冷水在水套内流动,带走邻近部件的热量。冷却水 吸热后自身温度升高,进入车前端的散热器(水箱)内。由于汽车前进和风扇的抽吸, 外界冷空气通过散热器,带走散热器内冷却水的热量并送入大气。当散热器中的冷却 水得到冷却后,在水泵的作用下,再次进入水套.如此循环不断地冷却了发动机的高温 部件。 2 图 1.1 冷却系统的图解:管道系统是如何连接的 1.1.3 冷却系统调节的主要途径 现代汽车一般都采用改变通过散热器的空气量或改变冷却水的流量来控制冷却的 效果。 一是调节冷却风量。冷却风扇的转速与风量成正比;而风量与风速成正比例关系。 在发动机稳定运行状态,风速与单位时间散热量成正比;而散热量与冷却液的温度变化 值(即温度差)成正比.因此,通过控制冷却风扇的转速可以控制冷却液的温度。在发动 机稳定运行的状态下,风扇转速升高,单位时间内的散热量增多,会降低冷却液温度; 风扇转速降低,单位时间内的散热量减少,会提高冷却液温度。 二是调节冷却水流量。目前调节水温流量主要通过节温器来实现。节温器通常安 装在发动机冷却水出口与散热器之间的管段上,其作用是根据冷却水的温度,改变冷 却水在水系中的循环路线,控制通过散热器冷却水的流量,调节冷却强度,以确保发 动机在最佳温度范围内工作。 另外,通过改变水泵的转速可以改变冷却水的流速,即改变冷却水的流量;而冷 却水的流量与散热能力成比例关系.因此,可以通过改变水泵的转速来调节冷却能力。 风速是决定散热器散热能力的主要因素.散热器前风速主要取决于风扇的转速,亦 即取决于发动机转速。当发动机大负荷工作时,风扇转速下降,散热器冷却能力降低 [2]。 3 1.2 目前风扇离合器及存在的问题 气动风扇离合器 [3]与汽车压缩气体供给系统相连,利用压缩气体做动力使离合器 接合,离合器分离则靠弹簧力。电磁风扇离合器依靠电磁力接合离合器,断电则分离 离合器。这两种离合器风扇转速不可调,风扇只能运行或者关闭。因此控温不理想、 节油效果不好、噪声大。但结构简单、成本较低。继续改进例如气动风扇离合器贮气 筒经过供气管路中的一只电磁阀向离合器供气等;电磁风扇离合器做成有刷式。这些 措施可以改良冷却性能却导致装置复杂、可靠性变差以及成本升高。 目前对冷却系统的控制多由硅油风扇离合器控制冷却风扇转速实现.硅油风扇离 合器是一种以硅油为传递介质,并由散热器后面气流温度控制的液力传动离合器。它 由感温元件随发动机的温度变化调节主、从动盘之间硅油注入量来控制和调节风扇的 旋转速度。发动机温度升高,风扇转速上升,冷却效果增大;反之,转速下降,冷却 效果减小。该风扇离合器可随发动机的温度高低来调节风扇的转速,使风扇风量去适 应发动机的负荷,使发动机保持在合适的温度下工作,从而达到延长发动机使用寿命、 降低噪声和减少发动机功率损失的作用。但是它不是一个真正的离合器,它由输入输 出部件之间硅油的剪切作用提供转矩,既不能锁紧成 1:1 的同步传动,又不能完全的 分离。这使得输入输出之间总存在一定的转速差,一般输出转速为输入转速的 30 %~90 %。虽然传统的硅油风扇离合器理论上输出的转速无级可调,但由于其结构相对 复杂,调速灵敏性不高,温度变化时风扇转速变化不能及时跟上,不能准确地控制发 动机的冷却状态,且增加了燃油的消耗。 因此,研究新型风扇离合器,设计一种结构比现有硅油风扇离合器更简单,且能 够准确控制发动机冷却状态的新型风扇离合器就显得非常必要。 1.3 磁流变液离合器 美国学者 Rabinow[4]在 1948 年发明了磁流变液及磁流变离合器,并在 1915 年申 请了磁流变液传递转矩器件的专利 [5].从 50 年代到 80 年代,磁流变液发展一直非常缓 慢。进入 90 年代,磁流变液的研究重新焕发了生机;特别是,自 1995 年起,两年一届 的国际电流变液会议也易名为国际电流变液与磁流变液会议 [6-8],促进了磁流变液和磁 流变器件的研究和开发。 磁流变液(MRF)是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料,它在无外 加磁场作用时呈现牛顿流体的流动特性,然而在强磁场作用下,其表观粘度可在毫秒 级的短时间内增加几个数量级以上,并呈现类似固体的力学性质,而且粘度的变化是 连续、可逆的,即一旦去掉磁场后,又变成可以流动的液体。 4 磁流变液 [9]作为一种新型的智能材料,它的表观粘度和屈服应力可用外加磁场连 续调控。基于这一特性设计成的磁流变器件具有响应时间快、结构简单和能耗低等一 系列优点。这使磁流变液在工程技术领域具有广泛的应用前景 [10-16]。 磁流变液在离合器中的应用是充分利用磁流变液在外加磁场作用下能产生磁流变 效应的特长和传统的机械设计方法,去开拓为实现规定功能的磁流变液离合器新装置 和新产品。尽管机械设计方法是一种传统的方法,但是开发利用磁流变效应而构思的 磁流变液离合器,则充分考虑了磁流变效应以及其工作介质— 磁流变液体的某些特殊 条件。 利用磁流变液体在外加磁场作用下产生的磁流变效应 [17][18]使磁流变液能够用于离 合器的主要依据是: ① 磁流变效应能够使磁流变液体的表观粘度在一定的条件范内实现连续变化,此 变化可以控制并且可逆。 ② 磁流变效应能够使磁流变液体在外加磁场作用下,具有一定的屈服强度,并且 随着外加磁场强度的增加,磁流变液体的屈服强度增加,即磁流变液体的屈服强度可 由外加磁场连续调控。 ③ 磁流变效应能够使磁流变液体,在一定条件下由液态变成固态,使其失去动流 性。 ④ 磁流变效应的响应时间非常短,响应速度快。 ⑤ 实现磁流变效应的能耗低。 ⑥ 控制磁流变效应的信号容易获得,即通过外加磁场强度。 ⑦ 易与计算机技术结合实现智能控制,进行智能机械开发。 磁流变液离合器是一种利用磁流变液剪切应力来进行离合的一种装置,它传递的 力矩随外加磁场的变化迅速变化。在没有磁场作用的情况下,磁流变液处于液体状态, 离合器的离合力矩仅为粘性阻力。当有一个外加磁场作用时,磁流变液中的极性粒子 马上被极化并沿着磁力线方程成链状分布。这种链状结构就使磁流变液的剪切应力增 大,表现出塑性体的特性,因此离合器就可以传递一定的力矩。力矩的大小可以通过 调节磁场强度的大小来控制。磁流变离合器具有传动平稳、均衡、结构简单、紧凑、 操作简便、能耗低、寿命长等优良胜能。 1.4 本课题的主要工作 本文首先对磁流变液的材料及流变特性进行了介绍,对磁流变液本构模型进行了 分析。对磁流变液的传力方式进行了讨论,并根据剪切模式建立了磁流变液的传力模 型,得出了基本设计公式,完成了圆筒式磁流变离合器的设计。 5 二、磁流变液 磁流变液是将微米尺寸的磁极化颗粒分散溶于绝缘载液中形成的特定非胶性悬浮 液体,因而其流变特性随外加磁场变化而变化。未加磁场时,磁流变液的流变特性与 普通牛顿流体 [19]相似,若加一中等强度的磁场作用时,其表观粘度系数增加两数量级 以上,当磁流变液受到一强磁场作用时,就会变成类似“固体”的状态,流动性消失。 一旦去掉磁场后,又变成可以流动的液体,这种可逆转变可以在毫秒量级内完成。 2.1 磁流变液的组成 磁流变液 [21]主要由磁性粒子、载液和添加剂三个部分 [22]组成。 图 2.1 磁流变液的组成 磁性颗粒的关键问题是制作,目前磁性颗粒的制作方法主要有:共沉法、热分解 法、超声分解法和沉积法。 2.1.1 磁性颗粒 磁性材料主要是 Fe 3O4 、Fe 3 N、Fe、Co、Ni 等固体微粒,其中磁饱和度最大的微 粒是铁钴合金,它的磁饱和度能达到 2.4T,但考虑价格问题,实际应用最多的是纯铁 粉和羰基铁粉 [23],磁饱和度为 2.1T。其他材料的磁饱和度都比铁粉低。磁性颗粒的直 径一般为 0.1-100μm,常见值为 3-5μm。只有氧化物颗粒的直径能达到约 30 nm , 但 是这种氧化物颗粒的磁饱和度较低, 配制的 MRF 产生的应力最大约为 5 kPa 。 磁流变液中的固体颗粒在磁场作用下产生的磁极化,是磁流变液产生磁流变效应 的核心。因此,固体颗粒材料的化学性质和物理性质,对磁流变液的性能起 着决定作用。根据磁流变效应的机理研究结论,对固体颗粒有以下要求,即: 1.在外加磁场作用下,磁性颗粒具有磁化效应;在撤除磁场时,磁性颗粒具有退磁 效应。 2.磁性颗粒材料的磁导率要大,尤其是磁导率的初始值和最大值必须要大; 6 3.磁性颗粒材料应具有较大的磁饱和强度,从而给磁流变液内的磁性颗粒相互间 提供最大能量。 4.磁性颗粒材料应能够在足够宽的工作范围内保持稳定的性能;一般要求的.工作 范围为-40 oC ~150 oC。 5 磁性颗粒与基液的比重要相适应,以防止磁性颗粒在基液中沉淀过快; 6.磁性颗粒的大小要适当,形状要合理;磁性颗粒的大小一般在 1~10μm 范围内, 形状一般是球形的,也有椭圆形的; 7.磁性颗粒材料应具有稳定的化学性能和物理性能: 8.磁性颗粒材料应耐磨、无毒和对其接触材料无腐蚀性。 2.1.2 载 液 载液是磁流变液的主要成分,其性能对磁流变液具有直接的影响 [24],一般来说, 磁流变液的载液应具有如下的特点: ①高沸点、低凝固点。这可以确保磁流变液具有 较宽的工作温度范围; ②适宜的黏度,磁流变液的零磁场条件下应具有较低的黏度, 要求载液的黏度越低越好, 但黏度不能太低,否则沉降稳定性变差。此外,载液还应 该具有化学稳定性好、耐腐蚀、无毒、无异味、价格低廉等特点。目前 MRF 载液主要 有以下几类。 (1) 非磁性液体基载液 主要有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等。为确保 颗粒的悬浮稳定性, 并增加整个磁流变液的流变学性质,一般需要使用添加剂, 如加入 各种表面活性剂(如油酸)或保护性胶体物质(如硅胶、硅氧化物等),防止磁性颗粒沉淀 及不可逆转的海绵状絮凝。绝大部分的研究和应用都使用这种类型的磁流变液。美国 Lord 材料公司的 3 种商品化磁流变液是载液分别为合成油、硅油和水的羰基铁粉磁流 变液。水基载液可以克服传统有机载液的聚合、老化、细菌繁殖且易燃等特点, 但要 加入一些抗沉淀剂、增稠剂或流变改性剂等来使液体变稠以降低颗粒沉降。 (2) 磁性液体基载液 即用胶体状的磁流体作为载液(如铁磁流体) , 使磁流变 液的屈服应力大为提高。由于载液(磁流体)的密度提高, 使磁流变液的稳定性增强。 (3) 特殊型载液 由于某种特殊的要求,往往要选择具有特殊性质的载液, 比如既 可以导电又可以导磁的载液,将 0.15~0.2mm 尺寸的铁磁颗粒(例如含 4%Si 的硅钢)分 散在含有 0.5μm 石墨颗粒的未聚合的环氧树脂基体中可制成多用途磁流变液,这种树 脂基体的黏度系数为 300Pa·s(20℃)。使用高黏度的载液可以有效防止磁流变液的沉 降。 7 2.1.3 添加剂 磁流变液母液的密度一般为 1g/cm 左右,而悬浮颗粒的密度为 7~8 g/cm ,由于 磁性颗粒的密度远远大于母液的密度而造成的磁性颗粒的沉降一直是很难解决的问题 之一。此外,悬浮颗粒的直径一般仅为几个微米,比表面积大,也容易团聚而沉降。目 前解决此问题最为有效的方法就是添加不同类型的表面活性剂,一般是亲油基和亲水 基这两种性质不同的结构组成的低聚物,它的亲水基可以吸附在磁性颗粒的表面,而 亲油基像“鞭梢”一样扩散在母液当中。磁性颗粒吸附表面活性剂以后,由于亲油基 的“鞭梢”相互缠绕及排斥,一方面会增加颗粒的体积,减少它们相互吸引碰撞的机 会;从而降低由于颗粒与母液的密度差而造成的颗另一方面会在母液内部形成一个相 互作用的三维骨粒沉降。 2.2 磁流变液的性能 2.2.1 磁流变液的性能要求 一般来说,良好的磁流变液必须具备下列性能: ① 磁流变液所具有的磁流变效应是一种可逆变化,它必须具有磁化和退磁两种过 程,这种流体的磁滞回线必须狭窄,内聚力小,而磁导率很大,尤其是磁导率的初始 值和极大值必须很大 [25]; ② 这种悬浮液应具有较大的磁饱和,以便使得尽可能大的“磁流”通过悬浮体的 横截面,从而给颗粒相互间提供尽可能大的能量; ③ 这种液体在接上交流电的工作期间内,全部损耗(磁滞现象,涡流等)都应是很 小的一个量; ④ 这种液体中的强磁性粒子的分布必须均匀,而且分布率保持不变,这样才能保 证其具有高度的磁稳定性能; ⑤为了防止磁流变液被磨损并改变性能,液体必须具有极高的“击穿磁场’ 、 ⑥ 一般说来,这种液体的稳定性应不随温度的变化而改变,即在相当大的温度范 围内应具有较高的稳定性; ⑦ 构成磁流变液的原材料应廉价而不是稀少的。 2.2.2 磁流变液的物理性能 ① 磁流变液中,颗粒和基础液的比重,特别是混合后两者的比重是否会由于巨大 的失配而引起沉淀。 8 ② 颗粒材料的磁导率,颗粒的大小、形状及分布。 ③ 基液的凝固点、沸点和闪点的温度,以及它的粘度和粘温特性。 2.2.3 磁流变液的化学性能 ① 颗粒、基础液和添家剂的化学成分,以及其分子式和结构式。 ② 颗粒、基础液和添家剂的化学稳定性,它们在储存和使用过程中,是否会发生 化学变化,引起性能的变质,特别是氧化、分解等。 ③ 使用中是否会产生有害人体和环境的毒性物质。 2.2.4 磁流变液的力学性能 ① 图 2. 2 给出了当温度 T、磁流变液中颗粒的浓度 C 以及剪应变率 为常数时, . 某磁流变液的动态屈服应力 与磁感应强度 B 的关系曲线 [26], 。B )(Bf 图 2.2 与 B 的关系曲线 图 2.3 与 B 的关系曲线  ② 图 2.3 给出了当温度 T、磁流变液中颗粒的浓度 C 以及剪应变率 为常数时, . 表观粘度 。与磁感应强度 B 的关系曲线, ,图中 为零磁场强度时磁流B)(fB0 变液的粘度。 ③ 图 2.4 给出了当温度 T、磁流变液中颗粒的浓度 C 以及磁感应强度 B 为常数时, 磁流变液的剪切应力 与剪应变率 的关系曲线。剪切应力 随剪应变率 的变化而变 .. 化的特性称之为流变特性。 9 图 2.4 流变特性曲线 图 2.5 粘度特性曲线 ④ 图 2.5 给出了当温度 T,磁流变液中颗粒的浓度 C 以及磁感应强度 B 为常数时, 磁流变液的表观粘度 [27] 与剪应变率 的关系曲线。表观粘度 随剪应变率 的变化B .B. 而变化的特性称之为粘度特性。 ⑤ 图 2.6 给出了当磁流变液中颗粒的浓度 C、磁感应强度 B 以及剪应变率 为常 . 数时,磁流变液的表观粘度 与温度 T 的关系曲线。表观粘度 随温度 T 的变化而变B 化的特性称之为粘温特性 [28] ⑥ 图 2.7 给出了当磁流变液中颗粒的浓度 C,磁感应强度 B 以及剪应变率 为常数 . 时,磁流变液的动态屈服应力 与温度 T 的关系曲线。B 图 2.6 粘温特性曲线 图 2.7 与 T 的关系曲线 B ⑦ 图 2.8 给出了当磁感应强度 B、温度 T、以及剪应变率 为常数时,磁流变液 . 的表观粘度 与磁流变液中颗粒的浓度 C 的关系曲线。B ⑧ 图 2.9 给出了当磁感应强度 B,温度 T 以及剪应变率 为常数时,磁流变液的动 . 态屈服应力 与磁流变液中颗粒的浓度 C 的关系曲线。B 10 图 2.8 与 C 的关系曲线 图 2.9 与 C 的关系曲线 BB 2.2.5 磁流变液的质量因数 磁流变装置的机械能密度由下式给出 (2.1) .BmW 式中 为机械能密度; 为动态屈服应力; 为剪应变率。B . 磁流变装置的磁能密度由下式给出 (2 .2)ctH2 式中 为磁能密度:B 和 H 分别是磁感应强度和磁场强度; 是在磁流变液流体中cWct 形成磁场的特征时间。 把机械能密度和磁能密度的比值定义为流体的效率,用 表示。 (2 .3) B tcmc)(2. 由以上的推导可以得到以下几个质量因数: (2 .4)  21Bq 由式可以看出, 与体积 V 成反比,其单位为 Pa/s,提高这个质量因数可减小磁流1 变液的有效体积,缩小装置的尺寸;另一方面,磁能可表示为 (2 .5) WPe 由上式可以看出,体积的减小可降低磁能损耗。 11 对于重要敏感的应用中,可以改变这个质量因数,来克服较大的流体密度,即: (2 .6)  2Bq 式中 为磁流变液的密度, 也与磁流变液体积成反比,其单位为 m/s32q 最后,在磁场变化范围很大的应用中,建立在功率基础上的一个无量纲的质 量因数由下式给出 (2 .7) BHq3 增大这个质量因数将减小磁流变液传动装置的磁能损耗。 运用这三个质量因数可以对各种不同的磁流变液的特性进行比较,这对磁流变液 的选用提供了很重要的参考价值。 2.2.6 几种磁流变液的性能 1)MRF-132AD 磁流变液 MFR-132AD 磁流变液可用在多种装置中,例如减振器、制动器、离合器、阀及弹性 支座。在没有外加磁场的情况下,MFR-132AD 磁流变液很容易地从使用装置的两个固定 的或相对运动的圆盘或平板所形成的缝隙中流过。加上磁场后,缝隙内的粒子受到磁 极化,这些受到磁极化的粒子沿磁场方向排成一列形成粒子链结构,这种链结构能阻 碍磁流变液体在缝隙中流动,并可承受一定剪切力作用。通过改变所加磁场的强度, 可以改变粒子间的吸引力,从而可以对 MFR-132AD 磁流变液体的流变特性进行连续控 制。当所加磁场取消后,该液体可以在装置中自由流动。其性能数据如表 2.1 12 表 2.1 磁流变液 MRF—132AD 的性能 图 2.10 20℃不加磁场时剪切应力与剪应变率的关系(MFR-132AD) 图 2.10 为 MFR-132AD 的动态屈服应力与外加磁场的关系,当磁场强度 H=0- 200kAmp/m 时,如磁场强度 H 分别为 25kAmp/m,50kAmp/m,100kAmp/m,200kAmp/m 时, 屈服应力分别为 8.037kPa、16.449kPa、29.159kPa 和 42.056kPa,这表明随着外加磁 场强度的增加,屈服应力迅速增加:而磁场强度 H 大于 200kAmp/m 时,如磁场强度 H 分 别为 225kAmp/m,250kAmp/m,275kAmp/m 时,屈服应力分别为 42.991kPa、43.738kPa 和 44.112kPa,这表明随着外加磁场强度的增加,屈服应力增加很缓慢,屈服应力逐步 达到磁饱和。 13 图 2.11 屈服应力与磁场强度的关系(MRF—132AD ) 2)MRF 一 14OCG 磁流变液 MRF-14OCG 磁流变液可用减振器、制动器、离合器、阀及弹性支座,其性能数据如 表 2.2。 表 2.2 磁流变液 MRF 一 140CG 的性能 14 图 2.12 在 40℃不加磁场时剪切应力与剪应变率的关系(MRF 一 140CG) 图 2.13 屈服应力与磁场强度的关系(MRF 一 14OCG) 图 2.12 表示了 40℃不加磁场时,磁流变液材料 MRF 一 14OCG 的剪切应力随剪应变 率的变化的曲线,当剪切应变率分别为 100(1/s)、200(1/s)、400(1/s)、800(1/s)和 1200(1/s)时,磁流变液产生的剪切应力为 64.96pa、97.44pa、157.2pa、272.83pa 和 387.16Pa, 这表明随着剪切应变率的增大,剪切应力增大磁流变液表现出非牛顿流体 行为。 图 2.13 为 MRF 一 14OCG 的动态屈服应力与外加磁场的关系,当磁场强度 H=0- 200kAmp/m 时,如磁场强度 H 分别为 25kAmp/m、50kAmp/m、100kAmp/m 和 150kAmp/m 时, 屈服应力分别为 14.254kpa、25.5kpa、44.029kPa 和 54.477kpa,这表明随着外加磁场 强度的增加,屈服应力迅速增加;而磁场强度 H 大于 150kAmp/m 时,如磁场强度 H 分别 为 175kAmp/m 和 200kAmp/m 时,屈服应力分别为 57.75kpa 和 58.5kPa,这表明随着外 加磁场强度的增加,屈服应力增加很缓慢,屈服应力逐步达到磁饱和 15 2.3 磁流变效应 2.3.1 磁流变效应的特征 磁流变效应是指磁流变液在外加磁场作用下,其流动状态(一般是指表示其流动阻 力的表观粘度) 和流体的屈服强度发生了强烈变化的现象。磁流变效应作为一种特殊的 物理现象,一般具有以下特征: ①在外加磁场的作用下,磁流变液的表观粘度可随磁场强度的增大而增大,甚至 在某一种磁场强度下,达到停止流动或固化,但当磁场撤除后,磁流变液又恢复到原 始的粘度,即在外加磁场作用下,磁流变液可在液态和固态之间转换。 ② 在外加磁场的作用下,磁流变液由液态至固态之间转换是可逆的。 ③ 在外加磁场作用下,磁流变液的屈服强度随磁场强度的增大而增大。 ④ 在外加磁场作用下,磁流变液的表观粘度和屈服强度随磁场强度的变化是连续 的和无级的。 ⑤ 在外加磁场作用下,磁流变液的表观粘度和屈服强度随磁场强度的变化是可控 的,这种控制可以是人控的或自动的。 ⑥ 磁流变效应的控制较简单,它只应用一个极易获得的磁场强度信号即可。 ⑦ 磁流变效应对磁场作用的响应十分灵敏,一般其响应时间为毫秒级。 ⑧ 控制磁流变效应的能量低,即由液态向固态的转换,不像物理现象中的相变要 吸收或放出大量的能量。 磁流变效应的上述特征是发展磁流变液在工程技术领域中应用的科学依据,在充 分利用这些特征的基础上,就能够开发一系列性能优良、价格低廉、有市场竞争能力 的新产品。 2.3.2 磁流变效应的机理 在外加磁场作用下,磁流变液中的磁性颗粒的磁极化是产生磁流变效应的原因。 磁极化是由磁场作用引起的,此外磁流变液的变稠和产生抗剪屈服现象,也是由于磁 场引起的作用力形成的。 整个磁流变效应的发生过程是:磁场作用下分散相颗粒发生磁极化→形成偶极子 现象→带有偶极矩的颗粒产生定向运动(伴随着能耗)→颗粒在磁力的作用下定向排 列→颗粒从无序随机状态到有序化、成链、成束或形成某种结构→对外呈现明显的磁 流变效应(即表观粘度增大、凝固以及呈现剪切屈服应力) 。 在磁场作用下固体颗粒的磁极化是产生磁流变效应的主要因素。固体颗粒的磁极 化包括以下 2 个方面: 16 ㈠ 固体颗粒的体内磁极化,可以由磁畴理论来解释。在磁流变液中,每一个小颗 粒都可以当作一个小的磁体。在这种磁体中,相邻原子间存在着强交换耦合作用。它 促使相邻原子的磁矩平行排列,形成自发磁极化饱和区域,即磁畴。没有外加磁场作 用时,每个磁畴中各个原子的磁矩排列取向一致,而不同磁畴磁矩的取向不同。磁畴 的这种排列方式使每一颗粒处于能量最小的稳定状态。因此,所有颗粒平均磁矩为零, 颗粒不显磁性。在外加磁场作用下,磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外 磁场反方向排列时的磁能,结果是磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。这 时颗粒的平均磁矩不等于零,颗粒对外显示磁性,按序排列相接成链。 ㈡ 发生在固体颗粒与基础液两相接触的界面处的界面磁极化,这类磁极化可以为 是固体颗粒与基础液的磁导率和磁极化率不同,在外加磁场作用下,有分子电荷在其 中流动时,在界面处产生电荷堆积,形成电荷在颗粒表面的不均匀分布所引起的。在 外加磁场作用下,颗粒发生上述所述的磁极化现象,于是定向移动形成偶极子链。当 外加磁场强度较弱时,链数量少、长度短、直径也较细,剪断它们所需外力也较小。 随着外加磁场强度的不断增大,取向与外加磁场成较大角度的磁畴全部消失,留存的 磁畴开始向外磁场方向旋转,磁流变液中链的数量增加,长度加长,直径变粗,磁流 变液对外所表现的剪切应力增强;再继续增加磁场,所有磁畴沿外加磁场方向整齐排 列,磁极化达到饱和,磁流变液的剪切应力也达到饱和。 2.3.3 磁流变液的磁畴理论 根据磁畴理论可以解释磁流变效应。在磁流变液中,每一个小颗粒都可以当作一 个小的磁体。在这种磁体中,相邻原子间存在着强交换祸合作用。它促使相邻原子的 磁矩平行排列,形成自发磁化饱和区域,即磁畴。没有外加磁场作用时,每个磁畴中 各个原子的磁矩排列取向一致,而不同磁畴磁矩的取向不同。磁畴的这种排列方式使 每一颗粒处于能量最小的稳定状态。因此,所有颗粒平均磁矩为零,颗粒不显磁性。 在外加磁场作用下,磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外磁场反方向排列 时的磁能,结果是自发磁化磁矩成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。这时颗粒的平均磁 矩不等于零,颗粒对外显示磁性,按序排列相接成链。当外加磁场强度较弱时,链数 量少、长度短、直径也较细,剪断它们所需外力也较小。随着外加磁场强度的不断增 大,取向与外加磁场成较大角度的磁畴全部消失,留存的磁畴开始向外磁场方向旋转, 磁流变液中链的数量增加,长度加长,直径变粗,磁流变液对外所表现的剪切应力增 强;再继续增加磁场,所有磁畴沿外加磁场方向整齐排列,磁化达到饱和,磁流变液的 剪切应力也达到饱和。 17 2.3.4 磁流变液的链化模型 ① 磁流变液的链化过程 磁流变液中的颗粒磁极化后的链化过程主要与外加磁场强度有关系。在外加磁场 作用下,磁流变液中的相邻颗粒问存在着强交换藕合作用,以促使相邻的原子的磁矩 平行排列,形成磁畴。当磁矩与外加磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外加磁场反 方向排列时的磁能时,磁流变液中的颗粒平均磁矩不等于零,颗粒对外显示磁性,按 序排列相接成链。其链化过程如图 2.9 所示,颗粒被当作一些刚性微球,它们代表磁 性颗粒,图(1)表示无磁场作用时,颗粒无规律地分布在基础液中,这种情况下的动态 屈服应力为零
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