緩速器磁流變液性能檢測裝置的試驗研究

齊曉杰，安永東，鮑 宇，呂德剛

（黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050）

0 引言

磁流變液屬可控流體，是由高磁導率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導磁性液體混合而成的懸浮體。這種懸浮體在零磁場條件下呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性；而在強磁場作用下，則呈現(xiàn)出高粘度、低流動性的特性。由于磁流變液具有的磁流變響應迅速和易于控制等特點，磁流變液裝置已逐漸地應用到汽車振動控制、機械動力傳遞、工件精密加工等工業(yè)領域中。隨著磁流變液裝置的應用，測試不同成分的磁流變液在不同條件下的流變學特性就顯得尤為重要了，測試不同的磁流變液在不同的條件下所表現(xiàn)出的磁流變學特性，可為開發(fā)和研制新型的磁流變液裝置提供有力的技術支持[1～3]。

1 緩速器磁流變液性能檢測裝置結構組成和工作原理

1.1 檢測試驗臺的基本組成

磁流變液檢測試驗臺是用于測試磁流變液的試驗系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，通過發(fā)生裝置產生不同的磁場作用到工作腔中的磁流變液，磁流變液在磁場的作用下表現(xiàn)出不同的磁流變學特性、不同的阻尼扭矩，由驅動裝置產生的驅動力在磁阻力作用下會減小，通過扭矩測量器測量，即可確定磁流變液所產生的扭矩，試驗臺如圖1所示。

磁流變液檢測試驗臺主要由驅動裝置、檢測裝置、發(fā)生裝置組成。其中驅動裝置由驅動軸外接轉速可控的電機而構成；檢測裝置由傳感器支座、傳感器間隔套、單項推力軸承、傳感器上蓋而組成；發(fā)生裝置由測試罐下蓋、測試罐間隔套、旋轉盤測試罐上蓋、尼龍內套圓形磁軛、繞線鐵心組成。如圖2 所示。

圖1 磁流變液試驗臺Fig.1 MRF test bench

圖2 檢測裝置結構圖Fig.2 Structural diagram of the detection device

1.2 檢測裝置的工作原理

檢測裝置中的旋轉盤的端面與繞線鐵芯端面的間隙為測試磁流變液流變特性的工作腔，工作腔的大小可以通過測試罐上蓋和測試罐間隔套之間的墊片來調整，以便測試出磁流變液在不同間隙下的流變學特性。磁場由六個線圈產生，六個線圈周向排列，相鄰線圈繞向相反，任一線圈產生磁場經過相鄰兩個線圈形成回路，磁流變液受到磁場作用其方向一部分是正向磁場，另一部分是逆向磁場，當磁場消失時，在旋轉盤的慣性作用下，受到正反兩向磁場的磁流變液體迅速流動融合，中和了剩磁，有利于磁流變液迅速恢復原始狀態(tài)，消除了矯頑力對多次測試結果的影響?？朔艘酝帕髯円簻y試儀器，經過一次測試后，磁流變液在剩磁的作用下，傳遞力矩不能迅速減小，改變磁場的作用方向，矯頑力的存在會影響下次測試結果的弊端。

勵磁方式采用三個正向勵磁線圈同時供電，也可以反向勵磁線圈供電，由于線圈匝數、線徑大小、材質完全相同，可以把磁感應強度減少一半，無論正向還是反向線圈，還可以通過直流供電儀器控制電流大小，操作簡單快捷精確。勵磁線圈裝在尼龍內套內部，線圈繞在鐵芯上，下部裝有專門用于導磁的磁軛，鐵芯和磁軛都由高磁導率磁鋼制成，可以有效降低鐵耗。磁軛下部安裝尼龍襯套，可以阻止磁力線外泄，保證勵磁磁場都作用在磁流變液內部，測試結果更加準確，能耗也較低。

輸入軸轉速可調，驅動軸為中空，在旋轉盤上貼有熱電偶，通過滑環(huán)，可測得磁流變液溫度?？梢赃M一步得出在不同溫度、不同輸入軸轉速、不同磁場強度下的磁流變液性能。

2 試驗過程及數據分析

2.1 試驗過程

通過電機驅動驅動軸運轉，驅動軸聯(lián)接旋轉盤轉動，旋轉盤放入磁流變液中，旋轉盤與繞線鐵芯端面間的磁流變液在磁場的作用下，產生磁阻力矩，磁阻力矩通過繞線鐵芯，圓形磁軛以及尼龍內套傳遞給測試罐間隔套，測試罐間隔套再將磁阻力矩傳遞給傳感器上蓋，傳感器上蓋通過平鍵與傳感器相連，傳感器即能測出磁阻力矩。試驗過程如圖3 所示。

此裝置中的旋轉盤的端面與繞線鐵芯端面的間隙為測試磁流變液流變特性的工作腔，工作腔的大小可以通過測試罐蓋和測試罐間隔套之間的墊片來調整，以便測試出磁流變液在不同間隙下的流變學特性。

圖3 試驗過程Fig.3 Experimental process

2.2 試驗數據分析

試驗分別對不同輸入電流、不同工作溫度、不同工作轉速對磁流變液的磁流變學特性的影響進行了研究分析。在試驗過程中，主要用到的試驗儀器有磁流變液檢測裝置、直流穩(wěn)壓電源、奧斯特磁場測量儀及轉速轉矩測量儀。

（1）電流的影響。對檢測裝置進行調試，包括測試腔間隙、磁流變液的加入量、繞磁線圈電流方向及磁場方向等分析確定。內部磁場方向采用N 極和S 極交替設置的形式，在磁流變液周圍產生的磁場強度最大，故測試數據都采用這種接法進行測試。通過直流穩(wěn)壓電源控制輸入電流，從小到大逐漸增加，在磁場測量儀和扭矩測量儀上讀出數據并記錄，電流對磁場的變化關系如圖4所示，電流變化對磁阻力矩的影響見圖5。由變化曲線可知，隨著電流的增加，磁場強度也隨之增加，基本呈現(xiàn)出線性變化關系，而電流對磁流變液的磁阻力矩的影響表現(xiàn)出先緩慢增加，然后較快增加，最后快速增加的趨勢。

圖4 電流與磁場變化關系Fig.4 Relationship between current and magnetic field

圖5 電流對磁阻力矩的影響Fig.5 Effect of current on reluctance torque

（2）溫度的影響。通過試驗研究磁流變液所處溫度對磁流變液輸出扭矩的影響，此試驗中運用到的儀器有磁流變液檢測裝置，直流穩(wěn)壓電源，溫度測量儀和轉速轉矩測量儀。先在室溫下進行測試，改變通入的電流測量輸出的扭矩值并記錄，然后運行達到測試溫度后，再次改變電流，測量扭矩值并記錄。用同樣方法多次改變溫度區(qū)間測量扭矩的輸出值并作比較，得到圖6、圖7、圖8 曲線所示變化關系。

圖6 溫度為22～26℃的變化曲線Fig.6 Change curve at the temperature of 22-26℃

圖7 溫度為47～50℃的變化曲線Fig.7 Change curve at the temperature of 47-50℃

圖8 溫度為64～67℃的變化曲線Fig.8 Change curve at the temperature of 64-67℃

試驗測試了磁流變液在低中高三個不同的溫度情況下的三組不同的扭矩變化，由曲線變化趨勢可以看出，在不同的溫度范圍內，磁流變液磁阻力矩隨電流的變化趨勢是一致的，都隨著電流的增加而變大。而隨著溫度的增高其扭矩表現(xiàn)出略有下降的趨勢，但不明顯。

（3）轉速的影響。試驗通過改變驅動裝置不同的轉速來檢測磁流變液在不同轉速下的扭矩變化，研究不同轉速下輸出扭矩的變化，用到的儀器有磁流變液檢測裝置、直流穩(wěn)壓電源、轉矩測量儀和轉速轉矩測量儀。將電機轉速控制在500r/min 和1500r/min 兩個轉速下進行試驗，通過直流穩(wěn)壓電源依次增大電流的值，在轉矩測量儀上分別讀出輸出數據并記錄，得到的關系曲線如圖9、圖10 所示。

圖9 轉速為500r/min 變化曲線Fig.9 Change curve at the speed of 500r/min

圖10 轉速為1500r/min 變化曲線Fig.10 Change curve at the speed of 1500r/min

由曲線變化可以看出，磁流變液在高轉速時，在電流增加的初期，磁阻扭矩增加的較為的緩慢，隨著電流的進一步增大磁阻力矩才增加迅速。在高速運行情況下，如要獲得較為安全的緩速效果，必須在制動初期就增大電流輸入，才能得到可靠的制動效果。

3 結論

本文通過對所研制的磁流變檢測裝置試驗研究，獲得了在不同電流、不同磁場強度、不同工作溫度及不同運轉速度下，磁流變液磁阻力矩的變化關系，由變化關系分析可出如下結論：①磁流變液隨著電流的增強，磁場的增強而增強，磁場越強產生的磁阻扭轉力矩越大，磁流變液緩速器產生的制動力矩就越大；②在輸入電流不變的情況下，磁流變液所表現(xiàn)出的磁阻力矩隨溫度的升高而呈現(xiàn)下降的趨勢，下降趨勢在輸入電流較小的時期不明顯，但隨著輸入電流的增大，下降趨勢相比電流較小時較為明顯；③在相同的輸入電流下，磁流變液磁阻力矩隨轉速的增高而增大，但在高轉速時，輸入電流較小時，磁阻力矩增大的趨勢比低轉速時慢，當輸入電流達到一定數值后，磁阻力矩增大的趨勢加快。為保證磁流變液緩速器在高速下具有可靠的制動效果，在制動初期必須輸入較大電流，這也為進一步研制磁流變液緩速器提供了理論基礎。

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