磁流變緩速制動(dòng)裝置低溫運(yùn)行性能測(cè)試研究

齊曉杰，安永東，呂德剛，汪 偉

(黑龍江工程學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

磁流變緩速制動(dòng)裝置低溫運(yùn)行性能測(cè)試研究

齊曉杰，安永東，呂德剛，汪 偉

(黑龍江工程學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

為合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸式串聯(lián)雙磁流變液緩速制動(dòng)裝置，保證其低溫運(yùn)行性能正常，設(shè)計(jì)了基于低溫試驗(yàn)艙的磁流變緩速制動(dòng)裝置低溫運(yùn)行性能測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試內(nèi)容包括低溫起動(dòng)時(shí)，阻力矩達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間及影響，測(cè)試裝置溫升對(duì)阻力矩的影響，以及測(cè)試裝置的內(nèi)部溫升等。該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)可靠，操作方便，測(cè)試結(jié)果重復(fù)性好，精度較高。

磁流變；緩速裝置；性能測(cè)試系統(tǒng)；低溫性能；試驗(yàn)研究

車(chē)輛緩速制動(dòng)裝置是有效消耗車(chē)輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的大量慣性動(dòng)能或坡道勢(shì)能的一種重要的輔助制動(dòng)裝置。在車(chē)輛行駛速度越來(lái)越高，載重量越來(lái)越大的情況下，是提高車(chē)輛行駛安全性能的重要措施之一。緩速制動(dòng)裝置器按原理可分為發(fā)動(dòng)機(jī)緩速裝置、液力緩速器、電渦流緩速器、電機(jī)緩速裝置和空氣動(dòng)力緩速裝置等[1-3]。

目前，車(chē)輛緩速器產(chǎn)品90%以上是電渦流緩速器，為長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)和提高緩速制動(dòng)力，車(chē)輛上需匹配占用空間較大的電力系統(tǒng)，為解決這一問(wèn)題，開(kāi)展了磁流變液緩速制動(dòng)裝置的開(kāi)發(fā)研究，本文對(duì)所設(shè)計(jì)的磁流變緩速制動(dòng)裝置的低溫運(yùn)行性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。

1 磁流變液和研制的磁流變緩速裝置

磁流變液屬粘性模量可控流體，是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。這種懸浮體在零磁場(chǎng)條件下呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性；而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，則呈現(xiàn)出高粘度、低流動(dòng)性的賓漢(Bingham)粘塑性體特性，且具有磁流變粘性模量響應(yīng)迅速和易于控制等特點(diǎn)。利用磁流變液的磁流變特性開(kāi)發(fā)研制車(chē)輛緩速器，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、響應(yīng)時(shí)間短和調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛[4-6]。

本文研制的磁流變緩速制動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為提高緩速制動(dòng)效果和降低熱耗，采用傳動(dòng)軸串聯(lián)雙磁流變液緩速制動(dòng)結(jié)構(gòu)。主要由緩速制動(dòng)片、導(dǎo)磁片、磁力生成線(xiàn)圈、磁流體、殼體、支承和密封件、聯(lián)軸器等組成。緩速制動(dòng)裝置軸通過(guò)連軸器與傳動(dòng)軸同軸串聯(lián)連接，緩速器外殼通過(guò)支架固定在車(chē)架上。工作時(shí)，通過(guò)車(chē)輛提供低電壓、可調(diào)電流產(chǎn)生緩速器內(nèi)可變強(qiáng)度磁場(chǎng)，從而改變緩速制動(dòng)片和導(dǎo)磁片間磁流變液的可變粘性模量，形成相應(yīng)的制動(dòng)效果。緩速器內(nèi)磁流變液的可變粘性模量可根據(jù)緩速制動(dòng)要求，實(shí)現(xiàn)模擬量自動(dòng)控制，從而提高制動(dòng)安全性和車(chē)輛行駛舒適性。

1—緩速制動(dòng)片；2—導(dǎo)磁片；3—磁力生成線(xiàn)圈；4—磁流體；5—?dú)んw；6—支撐和密封件；7—聯(lián)軸器圖1 串聯(lián)式緩速制動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)

2 磁流變緩速制動(dòng)裝置低溫運(yùn)行性能測(cè)試系統(tǒng)組成和原理

圖2所示為搭建的磁流變液緩速制動(dòng)裝置性能模擬測(cè)試系統(tǒng)。由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)試裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)帶、升降機(jī)構(gòu)等組成，輸出轉(zhuǎn)速可由電機(jī)調(diào)頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)速；測(cè)試裝置主要由扭轉(zhuǎn)磁力罐、磁力線(xiàn)圈、磁流變液、測(cè)試傳感器等組成；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)接口、分析軟件等。低溫測(cè)試時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)置入低溫試驗(yàn)艙，試驗(yàn)艙溫度在-45～70 ℃連續(xù)可調(diào)。

圖2 磁流變液緩速制動(dòng)裝置性能模擬測(cè)試系統(tǒng)

在對(duì)磁流變液流變學(xué)特性評(píng)價(jià)時(shí)，是在不同磁場(chǎng)B作用下，用磁流變液的剪切應(yīng)力τ與剪切率γ的關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)，即τ=f(B,γ)，同時(shí)也需評(píng)價(jià)磁流變液的溫度效應(yīng)，即在不同溫度T下，磁流變液的剪切應(yīng)力τ與剪切率γ的關(guān)系，即τ=f(B,T,γ)。由于磁流變液經(jīng)受的剪切應(yīng)力和剪應(yīng)變率無(wú)法直接檢測(cè)，故需要進(jìn)行間接測(cè)量[3]。本文利用磁流變液在磁場(chǎng)作用下變?yōu)橘e漢粘塑性體時(shí)的扭矩傳遞特性，通過(guò)檢測(cè)到的扭矩?cái)?shù)值，分析磁流變液在剪切通道中所反映出的流變學(xué)特性，以及溫度的影響程度。檢測(cè)系統(tǒng)中的磁流變液位于環(huán)形剪切通道中，在轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁流變液經(jīng)受剪切產(chǎn)生環(huán)向流動(dòng)(或賓漢體時(shí)的粘塑性大變形)，所設(shè)計(jì)的磁路結(jié)構(gòu)，保證了磁力線(xiàn)方向與磁流變液的流動(dòng)方向相垂直。

測(cè)試時(shí)，測(cè)試裝置由電源為線(xiàn)圈提供勵(lì)磁電流，產(chǎn)生電磁場(chǎng)，并在磁力罐中主動(dòng)回轉(zhuǎn)體、被動(dòng)回轉(zhuǎn)體和其間的磁流變液中形成磁回路，電流達(dá)到一定程度時(shí)，作用在磁流變液上的電磁場(chǎng)增強(qiáng)達(dá)到一定值，磁流變液即轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)為賓漢體，粘性達(dá)到一定程度而成為粘塑性狀態(tài)，從而使測(cè)試磁力罐中主動(dòng)回轉(zhuǎn)體、被動(dòng)回轉(zhuǎn)體間的摩擦阻力迅速增加，被動(dòng)回轉(zhuǎn)體隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。將回轉(zhuǎn)扭矩測(cè)試儀與被動(dòng)回轉(zhuǎn)體同軸連接器，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，即為在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)回轉(zhuǎn)體下，賓漢體磁流變液傳動(dòng)的扭矩特性，由此反映出磁流變測(cè)試裝置的磁流變傳動(dòng)性能。圖3所示為磁流變液緩速制動(dòng)裝置性能模擬測(cè)試系統(tǒng)。

圖3 磁流變液緩速制動(dòng)裝置性能模擬測(cè)試系統(tǒng)

3 低溫試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

研制磁流變緩速制動(dòng)裝置采用的磁流變液主要由二甲基硅油、羰基鐵粉和穩(wěn)定劑等構(gòu)成。密度：3.4±0.1(g/mL)，飽和剪切屈服強(qiáng)度：52±3(kPa)，使用溫度：-40～150 ℃，質(zhì)量固含量：≥80%，閃點(diǎn)：≥200 ℃。低溫測(cè)試內(nèi)容為低溫起動(dòng)時(shí)，阻力矩達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間及影響；測(cè)試裝置溫升對(duì)阻力矩的影響；測(cè)試裝置的內(nèi)部溫升，通過(guò)對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，為研制磁流變緩速裝置提供設(shè)計(jì)依據(jù)。本文中的測(cè)試溫度范圍為0～-35 ℃[7-9]。

3.1 不同溫度下的起動(dòng)阻力矩

測(cè)試系統(tǒng)在低溫試驗(yàn)艙初始起動(dòng)時(shí)，與常溫比具有不穩(wěn)定現(xiàn)象。圖4所示為測(cè)試裝置電流1.2 A，轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)測(cè)得的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)可以看出，不同溫度下的起動(dòng)阻力扭矩均大于穩(wěn)定工作狀態(tài)阻力矩，約為穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)阻力矩的3～5倍，且溫度越低，起動(dòng)阻力矩越大，但在不同的起動(dòng)溫度下，經(jīng)過(guò)約40 s運(yùn)轉(zhuǎn)后，阻力扭矩均趨于穩(wěn)定。分析原因應(yīng)與磁流變液粘溫特性有關(guān)，即測(cè)試裝置工作一段時(shí)間后，由于測(cè)試部分旋轉(zhuǎn)剪切應(yīng)變和摩擦產(chǎn)生熱量和溫升，并在一段時(shí)間后達(dá)到平衡。轉(zhuǎn)速增高，起動(dòng)阻力矩具有增大的趨勢(shì)[10]。

圖4 測(cè)試裝置起動(dòng)阻力矩曲線(xiàn)

正常運(yùn)行性能測(cè)試時(shí)，應(yīng)在系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)試，本試驗(yàn)在開(kāi)始運(yùn)行2 min后開(kāi)始測(cè)試。低溫起動(dòng)阻力矩增大的現(xiàn)象，不影響車(chē)輛緩速器的緩速制動(dòng)效果，但在北方環(huán)境溫度低的情況下，會(huì)產(chǎn)生緩速制動(dòng)裝置起動(dòng)沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響緩速制動(dòng)裝置的使用壽命，應(yīng)加以注意或通過(guò)車(chē)輛起動(dòng)預(yù)熱避免。

3.2 不同溫度下的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定阻力矩

不同低溫環(huán)境下，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后的阻力矩隨電流的變化曲線(xiàn)如圖5～7所示。試驗(yàn)在低溫試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試轉(zhuǎn)速1 000 r/min，使用的儀器有磁流變液檢測(cè)裝置，直流穩(wěn)壓電源，溫度測(cè)量?jī)x和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x，通過(guò)改變低溫試驗(yàn)艙溫度并穩(wěn)定后，改變通入的電流，測(cè)量輸出的扭矩值并記錄；然后在更低溫度區(qū)間運(yùn)行測(cè)試，再次改變電流，測(cè)量扭矩值并記錄。用同樣方法多次改變溫度區(qū)間測(cè)量扭矩的輸出值并作比較，得到圖5、圖6、圖7不同低溫區(qū)間的阻力矩隨電流變化的曲線(xiàn)[11-12]。

圖5 溫度為-8～-10 ℃的阻力矩變化曲線(xiàn)

圖6 溫度為-18～-20 ℃的阻力矩變化曲線(xiàn)

圖7 溫度為-28～-30 ℃的阻力矩變化曲線(xiàn)

圖8 不同零下溫度下的阻力矩

試驗(yàn)測(cè)試了磁流變液在低中高3個(gè)不同的零下溫度情況下的扭矩變化，由曲線(xiàn)變化趨勢(shì)可以看出，在不同的零下溫度范圍內(nèi)，磁流變液磁阻力矩隨電流的變化趨勢(shì)是一致的，都隨著電流的增加而變大。而隨著溫度的降低其扭矩表現(xiàn)略微有下降的趨勢(shì)，很不明顯(圖8所示為電流2 A時(shí)不同零下溫度下的阻力矩)。這表明，在測(cè)試裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，環(huán)境溫度對(duì)磁流變液粘溫性影響已由測(cè)試部分旋轉(zhuǎn)剪切應(yīng)變和摩擦熱產(chǎn)生的溫升取代。應(yīng)該講，在低的環(huán)境溫度下車(chē)輛緩速器工作時(shí)，有助于散熱和減少溫升。

在無(wú)穩(wěn)定恒溫控制時(shí)，隨工作時(shí)間延續(xù)，罐內(nèi)溫度由于巨大的制動(dòng)能量被緩速制動(dòng)罐消耗，罐內(nèi)磁流變液剪切應(yīng)變和摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)使溫度迅速上升，由此會(huì)產(chǎn)生阻力矩的下降，影響制動(dòng)效果。這與常溫態(tài)下的工作情況是一致的，因此，即使是在北方低溫環(huán)境下，也要注意緩速器的散熱，否則，過(guò)高的溫升，會(huì)影響制動(dòng)效果[13-15]。

3.3 測(cè)試裝置的內(nèi)部溫升

試驗(yàn)在低溫試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試轉(zhuǎn)速500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min，測(cè)試條件為-20 ℃，循環(huán)風(fēng)速為0，6 m/s，16 m/s，使用溫度測(cè)量?jī)x測(cè)量并記錄。得到循環(huán)風(fēng)速與測(cè)試裝置內(nèi)部溫度變化曲線(xiàn)和轉(zhuǎn)速與測(cè)試裝置內(nèi)部溫度變化曲線(xiàn)。

圖9所示為轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)測(cè)得的不同循環(huán)風(fēng)速與測(cè)試裝置內(nèi)部溫度變化的曲線(xiàn)。測(cè)試裝置隨低溫艙內(nèi)循環(huán)風(fēng)速的增加溫升變慢，并在一定時(shí)間后穩(wěn)定在一定值。循環(huán)風(fēng)速很低時(shí)溫升很快，本試驗(yàn)在不加循環(huán)風(fēng)速的情況下(即循環(huán)風(fēng)速為0時(shí))，測(cè)試裝置運(yùn)行16 min時(shí)溫度為150 ℃，達(dá)到磁流變液的工作溫度上限，為保證磁流變液性能穩(wěn)定和安全，試驗(yàn)停止。

圖9 轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)測(cè)得的不同循環(huán)風(fēng)速與測(cè)試裝置內(nèi)部溫度變化的曲線(xiàn)

圖10 環(huán)風(fēng)速6 m/s時(shí)不同轉(zhuǎn)速下測(cè)試裝置內(nèi)部溫度變化曲線(xiàn)

圖10所示為試驗(yàn)艙循環(huán)風(fēng)速6 m/s時(shí)(相當(dāng)于車(chē)速20 km/h左右)測(cè)試裝置內(nèi)部溫度變化曲線(xiàn)。測(cè)試裝置隨驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速增加溫升變快，在1 500 r/min測(cè)試時(shí)，約12 min即達(dá)到測(cè)試溫度上限，試驗(yàn)停止。因此，車(chē)用緩速制動(dòng)裝置即使在北方冬天使用，也應(yīng)注意溫升的影響，特別是在長(zhǎng)下坡行駛的情況下，應(yīng)加強(qiáng)緩速器散熱裝置的設(shè)計(jì)和控制緩速器連續(xù)使用的時(shí)間。

4 結(jié) 論

本文主要針對(duì)溫升對(duì)研制磁流變緩速制動(dòng)裝置的影響進(jìn)行了低溫運(yùn)行性能測(cè)試，低溫測(cè)試內(nèi)容包括：低溫起動(dòng)時(shí)，阻力矩達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間及影響；測(cè)試裝置溫升對(duì)阻力矩的影響；測(cè)試裝置的內(nèi)部溫升等，測(cè)試溫度范圍為0～-35 ℃。測(cè)試結(jié)果和分析結(jié)論如下：

1)測(cè)試系統(tǒng)在低溫試驗(yàn)艙初始起動(dòng)時(shí)，與常溫比具有不穩(wěn)定現(xiàn)象。起動(dòng)阻力扭矩大于穩(wěn)定工作狀態(tài)阻力矩，溫度越低起動(dòng)阻力矩越大，工作一定時(shí)間后，趨于穩(wěn)定，不同測(cè)試溫度下，起動(dòng)阻力矩約為穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)阻力矩的3～5倍。低溫起動(dòng)阻力矩增大的現(xiàn)象，在北方環(huán)境溫度低的情況下，會(huì)產(chǎn)生緩速制動(dòng)裝置起動(dòng)沖擊，嚴(yán)重會(huì)影響緩速制動(dòng)裝置的使用壽命。

2)在測(cè)試裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，環(huán)境溫度對(duì)磁流變液粘溫性影響由測(cè)試部分旋轉(zhuǎn)剪切應(yīng)變和摩擦熱產(chǎn)生的溫升取代，測(cè)試裝置溫升很小，因此，低的環(huán)境溫度下車(chē)輛緩速器工作時(shí)，有助于散熱和減少溫升。在無(wú)穩(wěn)定恒溫控制時(shí)，測(cè)試罐內(nèi)溫升與常溫態(tài)下的工作情況是一致的。因此，即使是在北方低溫環(huán)境下，也要注意緩速器的散熱，否則，過(guò)高的溫升會(huì)影響制動(dòng)效果。

3)測(cè)試裝置隨低溫艙內(nèi)循環(huán)風(fēng)速的增加溫升變慢，經(jīng)一段時(shí)間后穩(wěn)定在一定值。循環(huán)風(fēng)速很低時(shí)溫升很快，會(huì)達(dá)到磁流變液穩(wěn)定工作溫度的上限；測(cè)試裝置隨驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速增加溫升變快，在循環(huán)風(fēng)速較低時(shí)，會(huì)達(dá)到磁流變液穩(wěn)定工作溫度上限，因此，車(chē)用緩速裝置即使在北方冬天使用，也應(yīng)注意溫升的影響，特別是在長(zhǎng)下坡制動(dòng)行駛的情況下，應(yīng)加強(qiáng)緩速器散熱裝置的設(shè)計(jì)和控制緩速器連續(xù)使用的時(shí)間。

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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

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(12541666)

齊曉杰(1960-)，男，教授，工學(xué)博士，研究方向：汽車(chē)新技術(shù)新結(jié)構(gòu).

TH132.2

A

1671-4679(2017)06-0024-05

[責(zé)任編輯：劉文霞]