3871 智能材料在汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

3871 智能材料在汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì),智能,材料,汽車,冷卻系統(tǒng),中的,應(yīng)用,利用,運(yùn)用,設(shè)計(jì) 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū) 題 目： 智能材料在汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)——圓筒式磁流變離合器的設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 2008963301 姓 名： 鐘林偉 指導(dǎo)教師： 朱石沙 完成日期： 2012 年 5 月 25 日 目 錄一、緒論 .................................................................11.1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng) .....................................................11.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的組成部分 ......................................11.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用 ..........................................21.1.3 冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的工作原理 ........................................3 1.2 目前風(fēng)扇離合器及存在的問(wèn)題 .........................................41.3 磁流變液離合器 .....................................................41.4 本課題的主要工作 ...................................................5二、磁流變液 ............................................................62.1 磁流變液的組成 .....................................................62.1.1 磁性顆粒 ......................................................62.1.2 載 液 .........................................................72.1.3 添加劑 ........................................................72.2 磁流變液的性能 .....................................................82.2.1 磁 流 變 液 應(yīng) 滿 足 的 指 標(biāo) .......................................82.2.2 磁流變液必須具有的性能 .......................................82.2.3 磁流變液的流變機(jī)理 ............................................92.3 磁流變效應(yīng) ........................................................102.3.1 磁流變效應(yīng)的特征 ............................................102.3.2 磁流變液的磁疇理論 ...........................................102.3.3 磁流變液的鏈化模型 ...........................................112.3.4 影響磁流變效應(yīng)的因素 .........................................132.4 磁流變液應(yīng)用于離合器 ..............................................17三、圓筒式磁流變離合器 ...............................................173.1 圓筒式磁流變離合器工作原理 ........................................173.2 圓筒式磁流變離合器理論分析 ........................................183.2.1 數(shù)學(xué)模型 ....................................................183.2.2 流動(dòng)分析 ....................................................20四、磁流變離合器設(shè)計(jì) ..................................................234.1 磁流變離合器的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ..................................244.1.1 最大有效轉(zhuǎn)矩 .................................................244.1.2 粘塑性滑動(dòng)和打滑 .............................................244.1.3 失效形式 .....................................................254.1.4 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ....................................................254.1.5 圓筒式磁流變離合器的關(guān)鍵尺寸 .................................254.2 圓筒式磁流變離合器的設(shè)計(jì)方法 ......................................274.2.1 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)內(nèi)容 ...........................................274.2.2 設(shè)計(jì)方法 .....................................................274.3 圓筒式磁流變離合器設(shè)計(jì) ............................................284.3.1 圓筒式磁流變離合器結(jié)構(gòu) .......................................284.3.2 圓筒式磁流變離合器設(shè)計(jì)計(jì)算 ...................................30結(jié)束語(yǔ) .........................................................38參考文獻(xiàn) ................................................................38智能材料在汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)——圓筒式磁流變離合器的設(shè)計(jì)摘要由于冷卻水溫與發(fā)動(dòng)機(jī)的許多工作性能有著直接或間接的關(guān)系，如果冷卻水溫保持最佳的溫度范圍內(nèi)，不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、減少?gòu)U氣的產(chǎn)生、還可以減少燃料消耗量、增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)性。磁流變液 (MRF)是一種在外加磁場(chǎng)作用下流變特性發(fā)生急劇變化的材料，它在無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)呈現(xiàn)牛頓流體的流動(dòng)特性，然而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，其表觀粘度可在毫秒級(jí)的短時(shí)間內(nèi)增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并呈現(xiàn)類似固體的力學(xué)性質(zhì)，而且粘度的變化是連續(xù)、可逆的，即一旦去掉磁場(chǎng)后，又變成可以流動(dòng)的液體。圓筒式磁流變離合器是一種利用磁流變液剪切應(yīng)力來(lái)進(jìn)行離合的一種裝置，它傳遞的力矩隨外加磁場(chǎng)的變化迅速變化。在沒(méi)有磁場(chǎng)作用的情況下，磁流變液處于液體狀態(tài)，離合器的離合力矩僅為粘性阻力。當(dāng)有一個(gè)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，磁流變液中的極性粒子馬上被極化并沿著磁力線方程成鏈狀分布。這種鏈狀結(jié)構(gòu)就使磁流變液的剪切應(yīng)力增大，表現(xiàn)出塑性體的特性，因此離合器就可以傳遞一定的力矩。力矩的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小來(lái)控制。磁流變離合器具有傳動(dòng)平穩(wěn)、均衡、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、操作簡(jiǎn)便、能耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)良性能。本文首先對(duì)磁流變液的材料及流變特性進(jìn)行了介紹，對(duì)磁流變液本構(gòu)模型進(jìn)行了分析。對(duì)磁流變液的傳力方式進(jìn)行了討論，并根據(jù)剪切模式建立了磁流變液的傳力模型，完成了圓筒式磁流變離合器的設(shè)計(jì)，得出了基本設(shè)計(jì)公式。關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)；磁流變液；離合器；傳力模型；幾何設(shè)計(jì)方法The Intelligent Material Is Used For Car Cooling SystemOf Application And DesignABSTRACTIt'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 method1一、緒論1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)1.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的組成部分在整個(gè)冷卻系統(tǒng)中，冷卻介質(zhì)是冷卻液，主要零部件有節(jié)溫器、水泵、水泵皮帶、散熱器、散熱風(fēng)扇、水溫感應(yīng)器、蓄液罐、采暖裝置(類似散熱器)。1)冷 卻 液冷卻液又稱防 凍 液 ，是由防凍添加劑及防止金屬產(chǎn)生銹蝕的添加劑和水組成的液體。它需要具有防凍性，防蝕性，熱傳導(dǎo)性和不變質(zhì)的性能。現(xiàn)在經(jīng)常使用乙二醇為主要成分，加有防腐蝕添加及水的防凍液。 2)節(jié) 溫 器從介紹冷卻循環(huán)時(shí)，可以看出節(jié)溫器是決定走“冷車循環(huán)”，還是“正常循環(huán)”的。節(jié)溫器在 80℃后開(kāi)啟，95℃時(shí)開(kāi)度最大。節(jié)溫器不能關(guān)閉，會(huì)使循環(huán)從開(kāi)始就進(jìn)入“正常循環(huán)”，這樣就造成發(fā)動(dòng)機(jī)不能盡快達(dá)到或無(wú)法達(dá)到正常溫度。節(jié)溫器不能開(kāi)啟或開(kāi)啟不靈活，會(huì)使冷卻液無(wú)法經(jīng)過(guò)散熱器循環(huán)，造成溫度過(guò)高，或時(shí)高時(shí)正常。如果因節(jié)溫器不能開(kāi)啟而引起過(guò)熱時(shí)，散熱器上下兩水管的溫度和壓力會(huì)有所不同。 3)水 泵水泵的作用是對(duì)冷卻液加壓，保證其在冷卻系中循環(huán)流動(dòng)。水泵的故障通常為水封的損壞造成漏液，軸承毛病使轉(zhuǎn)動(dòng)不正常或出聲。在出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱現(xiàn)象時(shí)，最先應(yīng)該注意的是水泵皮帶，檢查皮帶是否斷裂或松動(dòng)。 4)散 熱 器發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，冷卻液在散熱器芯內(nèi)流動(dòng)，空氣在散熱器芯外通過(guò)，熱的冷卻液由于向空氣散熱而變冷。散熱器上還有一個(gè)重要的小零件，就是散熱器蓋，這小零件很容易被忽略。隨著溫度變化，冷卻液會(huì)“熱脹冷縮” ，散熱器器因冷卻液的膨脹而內(nèi)壓增大，內(nèi)壓到一定時(shí)，散熱器蓋開(kāi)啟，冷卻液流到蓄液罐；當(dāng)溫度降低，冷卻液回流入散熱器。如果蓄液罐中的冷卻液不見(jiàn)減少，散熱器液面卻有降低，那么，散熱器蓋就沒(méi)有工作！ 5)散 熱 風(fēng) 扇正常行駛中，高速氣流已足以散熱，風(fēng)扇一般不會(huì)在這時(shí)候工作；但在慢速和原地運(yùn)行時(shí)，風(fēng)扇就可能轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)助散熱器散熱。風(fēng)扇的起動(dòng)由水溫感應(yīng)器控制。 6)水 溫 感 應(yīng) 器水溫感應(yīng)器其實(shí)是一個(gè)溫度開(kāi)關(guān)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度超出 90℃以上，水溫感應(yīng)器將接通風(fēng)扇電路。如果循環(huán)正常，而溫度升高時(shí)，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，水溫感應(yīng)器和風(fēng)扇本身就需要檢查。 7)蓄 液 罐2蓄液罐的作用是補(bǔ)充冷卻液和緩沖“熱脹冷縮”的變化，所以不要加液過(guò)滿。如果蓄液罐完全用空，就不能僅僅在罐中加液，需要開(kāi)啟散熱器蓋檢查液面并添加冷卻液，不然蓄液罐就失去功用。 8)采 暖 裝 置采暖裝置在車內(nèi)，一般不太出問(wèn)題。從循環(huán)介紹可以看出，此循環(huán)不受節(jié)溫器控制，所以冷車時(shí)打開(kāi)暖氣，這個(gè)循環(huán)是會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的升溫有稍延后的影響，但影響實(shí)在不大，不用為了讓發(fā)動(dòng)機(jī)升溫而使人凍著。也正因?yàn)檫@循環(huán)的特點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)熱的緊急情況下，打開(kāi)車窗，暖氣開(kāi)大最大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的降溫會(huì)有一定的幫助。1.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用是利用重汽配件的冷卻介質(zhì)冷卻液，將發(fā)動(dòng)機(jī)受熱零部件的熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去，保證 零部件在允許溫度條件下正常工作。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻，并非是越冷越好，而是要求冷卻溫度適當(dāng)。過(guò)度冷卻也會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)工作帶來(lái)不良影響。一是氣缸溫度過(guò)低，燃 料的著火延遲期延長(zhǎng)，燃燒速度降低，散熱損失增加；二是造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，油耗增加；三是機(jī)油黏度增大，造成運(yùn)動(dòng)零部件的摩擦損失加大，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)功 率下降，經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性隨之下降。重汽配件的冷卻液(又稱防凍液、不凍水 )是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的專用化學(xué)品，主要用于冷 卻液是一種加入冷卻水加入冷卻水中以防止結(jié)冰的專是冰點(diǎn)可3的專用的低冰點(diǎn)冷卻冷 卻液是一種加入冷卻水中以防止結(jié)冰的專用的低冰點(diǎn)冷卻溶液。它作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的一種冷卻介質(zhì)，其特點(diǎn)是冰點(diǎn)可以根據(jù)使用地區(qū)溫度來(lái)調(diào)配。重汽配件手制動(dòng)閥連同塑料制動(dòng)管預(yù)先裝配好，再與手制動(dòng)閥固定支架裝配，每根管路需做好標(biāo)記，這樣管路連接到組合踏板底板上時(shí)才不會(huì)接錯(cuò)。管路注意遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)件，并在適當(dāng)位置用緊固帶固定。發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻液性能的要求，最主要的是冰點(diǎn)、沸點(diǎn)，除水垢性和防化學(xué)腐蝕性。其目的是防止發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水在冬季結(jié)冰而使散熱器和氣缸套凍裂，還要阻止水中的 氧及其他雜質(zhì)對(duì)冷卻系統(tǒng)金屬的腐蝕。發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻液性能的具本要求是：降低水的冰點(diǎn)效果好；對(duì)冷卻系統(tǒng)機(jī)件(金屬、橡膠) 無(wú)腐蝕；化學(xué)安定性好，能長(zhǎng)期使 用；低溫時(shí)黏度增大不多；泡沫多等。目前市場(chǎng)上的冷卻液質(zhì)量參差不齊，尤其一些假冒偽劣產(chǎn)品過(guò)多，若是選用不當(dāng)，將會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成一定的危害，引起不可挽回的損失，因此正確使用重汽配件的冷卻液保持發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，具有十分重要的意義。1.1.3 冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的工作原理目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多采用強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋和氣缸體中都有水套。水泵將冷卻水從機(jī)外吸入加壓，使冷水在水套內(nèi)流動(dòng)，帶走鄰近部件的熱量。冷卻水吸熱后自身溫度升高，進(jìn)入車前端的散熱器(水箱)內(nèi)。由于汽車前進(jìn)和風(fēng)扇的抽吸，外界冷空氣通過(guò)散熱器，帶走散熱器內(nèi)冷卻水的熱量并送入大氣。當(dāng)散熱器中的冷卻水得到冷卻后，在水泵的作用下，再次進(jìn)入水套.如此循環(huán)不斷地冷卻了發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件。1.1.4 冷卻系統(tǒng)類型液 冷液冷汽車的冷卻系統(tǒng)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)中的管道和通路進(jìn)行液體的循環(huán)。 當(dāng)液體流經(jīng)高溫發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)會(huì)吸收熱量，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度。 液體流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)后，轉(zhuǎn)而流向熱交換器（或散熱器） ，液體中的熱量通過(guò)熱交換器散發(fā)到空氣中。 風(fēng) 冷某些早期的汽車采用風(fēng)冷技術(shù)，但現(xiàn)代的汽車幾乎不使用這種方法了。 這種冷卻方法不是在發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行液體循環(huán)，而是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體表面附著的鋁片對(duì)氣缸進(jìn)行散熱。 一個(gè)功率強(qiáng)大的風(fēng)扇向這些鋁片吹風(fēng)，使其向空氣中散熱，從而達(dá)到冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的目的。因?yàn)榇蠖鄶?shù)汽車采用的是液冷，所以本文將著重對(duì)液冷系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。 汽車中的冷卻系統(tǒng)中有大量管道。 我們從泵開(kāi)始逐一考察整個(gè)系統(tǒng)，在下一節(jié)，我們將對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。泵將液體輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)缸體后，液體便開(kāi)始在氣缸周圍的發(fā)動(dòng)機(jī)通道里流動(dòng)。 接著，液體又通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋返回。 恒溫器位于液體流出發(fā)動(dòng)機(jī)的位置。 如果恒溫器關(guān)閉，則液體將經(jīng)過(guò)恒溫器周圍的管道直接流回到泵。如果恒溫器打開(kāi)，液體將首先流入散熱器，然后再流回泵。加熱系統(tǒng)也有一個(gè)單獨(dú)的循環(huán)過(guò)程。 該循環(huán)從氣缸蓋開(kāi)始輸送液體，使其流經(jīng)加熱器風(fēng)箱，然后又流回泵。對(duì)于配備有自動(dòng)變速器的汽4車，通常會(huì)有一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)過(guò)程來(lái)冷卻內(nèi)置于散熱器的變速器油液。 變速器油液由變速器通過(guò)散熱器內(nèi)另一個(gè)熱交換器抽吸得到。汽車可以在遠(yuǎn)低于零攝氏度到遠(yuǎn)高于 38℃的寬泛溫度范圍內(nèi)工作。 因此，不管使用何種液體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行降溫，其必須具有非常低的凝固點(diǎn)、很高的沸點(diǎn)以及能吸收大量熱量。水是吸收熱量的最有效的液體之一，但水的凝固點(diǎn)太高，不適用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。 大多數(shù)汽車使用的液體是水和乙二烯乙二醇的混合液 (C2H6O2)，也稱為防 凍 液 。 通過(guò)將乙二烯乙二醇添加到水中，可以顯著提高沸點(diǎn)、降低凝固點(diǎn)。1.2 目前風(fēng)扇離合器及存在的問(wèn)題氣動(dòng)風(fēng)扇離合器 [3]與汽車壓縮氣體供給系統(tǒng)相連，利用壓縮氣體做動(dòng)力使離合器接合，離合器分離則靠彈簧力。電磁風(fēng)扇離合器依靠電磁力接合離合器，斷電則分離離合器。這兩種離合器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不可調(diào)，風(fēng)扇只能運(yùn)行或者關(guān)閉。因此控溫不理想、節(jié)油效果不好、噪聲大。但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低。繼續(xù)改進(jìn)例如氣動(dòng)風(fēng)扇離合器貯氣筒經(jīng)過(guò)供氣管路中的一只電磁閥向離合器供氣等；電磁風(fēng)扇離合器做成有刷式。這些措施可以改良冷卻性能卻導(dǎo)致裝置復(fù)雜、可靠性變差以及成本升高。目前對(duì)冷卻系統(tǒng)的控制多由硅油風(fēng)扇離合器控制冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)．硅油風(fēng)扇離合器是一種以硅油為傳遞介質(zhì)，并由散熱器后面氣流溫度控制的液力傳動(dòng)離合器。它由感溫元件隨發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度變化調(diào)節(jié)主、從動(dòng)盤(pán)之間硅油注入量來(lái)控制和調(diào)節(jié)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度。發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速上升，冷卻效果增大；反之，轉(zhuǎn)速下降，冷卻效果減小。該風(fēng)扇離合器可隨發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度高低來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)扇風(fēng)量去適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在合適的溫度下工作，從而達(dá)到延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命、降低噪聲和減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失的作用。但是它不是一個(gè)真正的離合器，它由輸入輸出部件之間硅油的剪切作用提供轉(zhuǎn)矩，既不能鎖緊成 1:1 的同步傳動(dòng)，又不能完全的分離。這使得輸入輸出之間總存在一定的轉(zhuǎn)速差，一般輸出轉(zhuǎn)速為輸入轉(zhuǎn)速的 30 %～90 %。雖然傳統(tǒng)的硅油風(fēng)扇離合器理論上輸出的轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)，但由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，調(diào)速靈敏性不高，溫度變化時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化不能及時(shí)跟上，不能準(zhǔn)確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻狀態(tài)，且增加了燃油的消耗。因此，研究新型風(fēng)扇離合器，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有硅油風(fēng)扇離合器更簡(jiǎn)單，且能夠準(zhǔn)確控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻狀態(tài)的新型風(fēng)扇離合器就顯得非常必要。1.3 磁流變液離合器磁流變液是一種在外加磁場(chǎng)作用下流變特性發(fā)生急劇變化的材料，它在無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)呈現(xiàn)牛頓流體的流動(dòng)特性，然而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，其表觀粘度可在毫秒級(jí)的短時(shí)間內(nèi)增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并呈現(xiàn)類似固體的力學(xué)性質(zhì)，而且粘度的變化是連續(xù)、5可逆的，即一旦去掉磁場(chǎng)后，又變成可以流動(dòng)的液體。磁流變液作為一種新型的智能材料，它的表觀粘度和屈服應(yīng)力可用外加磁場(chǎng)連續(xù)調(diào)控?；谶@一特性設(shè)計(jì)成的磁流變器件具有響應(yīng)時(shí)間快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和能耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。這使磁流變液在工程技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。磁流變液在離合器中的應(yīng)用是充分利用磁流變液在外加磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的特長(zhǎng)和傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，去開(kāi)拓為實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能的磁流變液離合器新裝置和新產(chǎn)品。盡管機(jī)械設(shè)計(jì)方法是一種傳統(tǒng)的方法，但是開(kāi)發(fā)利用磁流變效應(yīng)而構(gòu)思的磁流變液離合器，則充分考慮了磁流變效應(yīng)以及其工作介質(zhì)— 磁流變液體的某些特殊條件。利用磁流變液體在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的磁流變效應(yīng)使磁流變液能夠用于離合器的主要依據(jù)是:① 磁流變效應(yīng)能夠使磁流變液體的表觀粘度在一定的條件范內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化，此變化可以控制并且可逆。② 磁流變效應(yīng)能夠使磁流變液體在外加磁場(chǎng)作用下，具有一定的屈服強(qiáng)度，并且隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁流變液體的屈服強(qiáng)度增加，即磁流變液體的屈服強(qiáng)度可由外加磁場(chǎng)連續(xù)調(diào)控。③ 磁流變效應(yīng)能夠使磁流變液體，在一定條件下由液態(tài)變成固態(tài)，使其失去動(dòng)流性。④ 磁流變效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間非常短，響應(yīng)速度快。⑤ 實(shí)現(xiàn)磁流變效應(yīng)的能耗低。⑥ 控制磁流變效應(yīng)的信號(hào)容易獲得，即通過(guò)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度。⑦ 易與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能控制，進(jìn)行智能機(jī)械開(kāi)發(fā)。磁流變液離合器是一種利用磁流變液剪切應(yīng)力來(lái)進(jìn)行離合的一種裝置，它傳遞的力矩隨外加磁場(chǎng)的變化迅速變化。在沒(méi)有磁場(chǎng)作用的情況下，磁流變液處于液體狀態(tài)，離合器的離合力矩僅為粘性阻力。當(dāng)有一個(gè)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，磁流變液中的極性粒子馬上被極化并沿著磁力線方程成鏈狀分布。這種鏈狀結(jié)構(gòu)就使磁流變液的剪切應(yīng)力增大，表現(xiàn)出塑性體的特性，因此離合器就可以傳遞一定的力矩。力矩的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小來(lái)控制。磁流變離合器具有傳動(dòng)平穩(wěn)、均衡、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、操作簡(jiǎn)便、能耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)良勝能。1.4 本課題的主要工作本文首先對(duì)磁流變液的材料及流變特性進(jìn)行了介紹，對(duì)磁流變液本構(gòu)模型進(jìn)行了分析。對(duì)磁流變液的傳力方式進(jìn)行了討論，并根據(jù)剪切模式建立了磁流變液的傳力模6型，得出了基本設(shè)計(jì)公式，完成了圓筒式磁流變離合器的設(shè)計(jì)。二、磁流變液磁流變液是將微米尺寸的磁極化顆粒分散溶于絕緣載液中形成的特定非膠性懸浮液體，因而其流變特性隨外加磁場(chǎng)變化而變化。未加磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液的流變特性與普通牛頓流體 [19]相似，若加一中等強(qiáng)度的磁場(chǎng)作用時(shí)，其表觀粘度系數(shù)增加兩數(shù)量級(jí)以上，當(dāng)磁流變液受到一強(qiáng)磁場(chǎng)作用時(shí)，就會(huì)變成類似“固體”的狀態(tài)，流動(dòng)性消失。一旦去掉磁場(chǎng)后，又變成可以流動(dòng)的液體，這種可逆轉(zhuǎn)變可以在毫秒量級(jí)內(nèi)完成。2.1 磁流變液的組成磁流變液主要由磁性粒子、載液和添加劑三個(gè)部分組成。圖 2.1 磁流變液的組成磁性顆粒的關(guān)鍵問(wèn)題是制作，目前磁性顆粒的制作方法主要有：共沉法、熱分解法、超聲分解法和沉積法。2.1.1 磁性顆粒磁性材料主要是 Fe 3O4 、Fe 3 N、Fe、Co、Ni 等固體微粒，其中磁飽和度最大的微粒是鐵鈷合金，它的磁飽和度能達(dá)到 2.4T，但考慮價(jià)格問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用最多的是純鐵粉和羰基鐵粉 [23]，磁飽和度為 2.1T。其他材料的磁飽和度都比鐵粉低。磁性顆粒的直徑一般為 0.1-100μm，常見(jiàn)值為 3-5μm。只有氧化物顆粒的直徑能達(dá)到約 30 nm , 但是這種氧化物顆粒的磁飽和度較低, 配制的 MRF 產(chǎn)生的應(yīng)力最大約為 5 kPa 。磁流變液中的固體顆粒在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的磁極化，是磁流變液產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的核心。因此，固體顆粒材料的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，對(duì)磁流變液的性能起著決定作用。根據(jù)磁流變效應(yīng)的機(jī)理研究結(jié)論，對(duì)固體顆粒有以下要求，即:1.在外加磁場(chǎng)作用下，磁性顆粒具有磁化效應(yīng);在撤除磁場(chǎng)時(shí)，磁性顆粒具有退磁效應(yīng)。72.磁性顆粒材料的磁導(dǎo)率要大，尤其是磁導(dǎo)率的初始值和最大值必須要大;3.磁性顆粒材料應(yīng)具有較大的磁飽和強(qiáng)度，從而給磁流變液內(nèi)的磁性顆粒相互間提供最大能量。4.磁性顆粒材料應(yīng)能夠在足夠?qū)挼墓ぷ鞣秶鷥?nèi)保持穩(wěn)定的性能;一般要求的.工作范圍為-40 oC ～150 oC。5 磁性顆粒與基液的比重要相適應(yīng)，以防止磁性顆粒在基液中沉淀過(guò)快;6.磁性顆粒的大小要適當(dāng)，形狀要合理;磁性顆粒的大小一般在 1～10μm 范圍內(nèi)，形狀一般是球形的，也有橢圓形的;7.磁性顆粒材料應(yīng)具有穩(wěn)定的化學(xué)性能和物理性能:8.磁性顆粒材料應(yīng)耐磨、無(wú)毒和對(duì)其接觸材料無(wú)腐蝕性。2.1.2 載 液載液是磁流變液的主要成分，其性能對(duì)磁流變液具有直接的影響 [24]，一般來(lái)說(shuō)，磁流變液的載液應(yīng)具有如下的特點(diǎn): ①高沸點(diǎn)、低凝固點(diǎn)。這可以確保磁流變液具有較寬的工作溫度范圍; ②適宜的黏度，磁流變液的零磁場(chǎng)條件下應(yīng)具有較低的黏度, 要求載液的黏度越低越好, 但黏度不能太低，否則沉降穩(wěn)定性變差。此外，載液還應(yīng)該具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、無(wú)毒、無(wú)異味、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。目前 MRF 載液主要有以下幾類。(1) 非磁性液體基載液　主要有硅油、礦物油、合成油、水和乙二醇等。為確保顆粒的懸浮穩(wěn)定性, 并增加整個(gè)磁流變液的流變學(xué)性質(zhì),一般需要使用添加劑, 如加入各種表面活性劑(如油酸)或保護(hù)性膠體物質(zhì)(如硅膠、硅氧化物等),防止磁性顆粒沉淀及不可逆轉(zhuǎn)的海綿狀絮凝。絕大部分的研究和應(yīng)用都使用這種類型的磁流變液。美國(guó)Lord 材料公司的 3 種商品化磁流變液是載液分別為合成油、硅油和水的羰基鐵粉磁流變液。水基載液可以克服傳統(tǒng)有機(jī)載液的聚合、老化、細(xì)菌繁殖且易燃等特點(diǎn), 但要加入一些抗沉淀劑、增稠劑或流變改性劑等來(lái)使液體變稠以降低顆粒沉降。(2) 磁性液體基載液 　即用膠體狀的磁流體作為載液(如鐵磁流體) , 使磁流變液的屈服應(yīng)力大為提高。由于載液(磁流體)的密度提高, 使磁流變液的穩(wěn)定性增強(qiáng)。(3) 特殊型載液　由于某種特殊的要求,往往要選擇具有特殊性質(zhì)的載液, 比如既可以導(dǎo)電又可以導(dǎo)磁的載液,將 0.15～0.2mm 尺寸的鐵磁顆粒(例如含 4%Si 的硅鋼)分散在含有 0.5μm 石墨顆粒的未聚合的環(huán)氧樹(shù)脂基體中可制成多用途磁流變液，這種樹(shù)脂基體的黏度系數(shù)為 300Pa·s(20℃)。使用高黏度的載液可以有效防止磁流變液的沉降。82.1.3 添加劑磁流變液母液的密度一般為 1g/cm 左右，而懸浮顆粒的密度為 7～8 g/cm ,由于磁性顆粒的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于母液的密度而造成的磁性顆粒的沉降一直是很難解決的問(wèn)題之一。此外，懸浮顆粒的直徑一般僅為幾個(gè)微米，比表面積大,也容易團(tuán)聚而沉降。目前解決此問(wèn)題最為有效的方法就是添加不同類型的表面活性劑，一般是親油基和親水基這兩種性質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)組成的低聚物，它的親水基可以吸附在磁性顆粒的表面，而親油基像“鞭梢”一樣擴(kuò)散在母液當(dāng)中。磁性顆粒吸附表面活性劑以后，由于親油基的“鞭梢”相互纏繞及排斥，一方面會(huì)增加顆粒的體積，減少它們相互吸引碰撞的機(jī)會(huì)；從而降低由于顆粒與母液的密度差而造成的顆另一方面會(huì)在母液內(nèi)部形成一個(gè)相互作用的三維骨粒沉降。2.2 磁流變液的性能2.2.1 磁 流 變 液 應(yīng) 滿 足 的 指 標(biāo) （ 1） 零 磁 場(chǎng) 粘 度 低 ， 以 便 使 其 在 磁 場(chǎng) 作 用 下 ， 具 有 同 等 剪 切 屈 服 強(qiáng) 度 增 長(zhǎng) 時(shí) ，具 有 更 大 的 可 調(diào) 范 圍 。 （ 2） 強(qiáng) 磁 場(chǎng) 下 剪 切 屈 服 強(qiáng) 度 高 ， 至 少 應(yīng) 達(dá) 到 20～ 30Kpa， 這 是 衡 量 磁 流 變 液特 性 的 主 要 指 標(biāo) 之 一 。 （ 3） 雜 質(zhì) 干 擾 小 ， 以 增 加 其 使 用 范 圍 。 （ 4） 溫 度 使 用 范 圍 寬 ， 即 在 相 當(dāng) 寬 的 溫 度 范 圍 具 有 極 高 的 穩(wěn) 定 性 。 （ 5） 響 應(yīng) 速 度 快 ， 最 好 能 達(dá) 到 毫 秒 級(jí) ， 以 使 磁 流 變 液 減 振 器 作 為 主 動(dòng) 和 半 主動(dòng) 控 制 器 時(shí) ， 基 本 不 存 在 時(shí) 遲 問(wèn) 題 。 （ 6） 抗 沉 降 性 好 ， 長(zhǎng) 時(shí) 間 存 放 應(yīng) 基 本 不 分 層 。 （ 7） 能 耗 低 ， 在 較 弱 的 磁 場(chǎng) 下 可 產(chǎn) 生 較 大 的 剪 切 屈 服 強(qiáng) 度 。 （ 8） 無(wú) 毒 、 不 揮 發(fā) 、 無(wú) 異 味 ， 這 是 由 其 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 所 決 定 的 。 2.2.2 磁流變液必須具有的性能：(1)具有優(yōu)良的磁化和退磁特性，以保證磁流變液的磁流變效應(yīng)是一種可逆變化。因此這種流體的磁滯回線必須狹窄，內(nèi)聚力較小，而磁導(dǎo)率很大，尤其是磁導(dǎo)率的初始值和極大值必須很大。(2)應(yīng)具有較大的磁飽和特性，以便使得盡可能大的“磁流”通過(guò)懸浮液的橫截面，從而給顆粒相互間提供盡可能大的能量；9（3）應(yīng)具有較小的能量損耗，在工作期間，全部損耗(如磁滯現(xiàn)象、渦流現(xiàn)象等)都應(yīng)該是一個(gè)很小的量；(4) 應(yīng)具有高度磁化和穩(wěn)定的性能，這就要求磁流變液中的強(qiáng)磁性粒子的分布必須均勻，而且分布率保持不變；(5)應(yīng)具備極高的“擊穿磁場(chǎng)”，以防止磁流變液被磨損并改變性能；(6)應(yīng)在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)具有極高的穩(wěn)定性，以保證磁流變液的流變性能不會(huì)在正常工作溫度范圍內(nèi)發(fā)生改變；(7)構(gòu)成磁流變液的原材料應(yīng)是價(jià)廉的而不是稀有的。目前國(guó)際上關(guān)于磁流變液材料制備方法和工藝的報(bào)道比較多。中國(guó)科技大學(xué)磁流變研究組陳祖耀、江萬(wàn)權(quán)等人用 Y-輻射技術(shù)產(chǎn)生直徑在２００nm～５μm 的 Co 粒子，并將鐵顆粒表面復(fù)合此納米尺寸的 Co 粒子，形成鐵復(fù)合物為懸浮粒子制備的磁流變液。在中國(guó)科技大學(xué)的旋轉(zhuǎn)式磁流變液測(cè)試系統(tǒng)上測(cè)試，結(jié)果表明剪切屈服應(yīng)力顯著增大；用直徑為２.５ μm～８μm 羰基鐵粉分散于硅油中，并用偶聯(lián)劑預(yù)先處理，改善液態(tài)相和固態(tài)相的相容性，可有效防止粒子沉淀，該磁流變液效應(yīng)顯著，且具有較大的溫度穩(wěn)定性。2002 年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)磁流變研究組成功地篩選制備了KDC—1 磁流變液，該樣品實(shí)驗(yàn)室工藝穩(wěn)定，有較大的剪切屈服強(qiáng)度和沉降穩(wěn)定性，其主要力學(xué)性能指標(biāo)與美國(guó) Lord 公司產(chǎn)品接近?，F(xiàn)已完成對(duì) 3 家友鄰研究單位KDC—1 MRF 小批量實(shí)驗(yàn)室規(guī)模供給，反映良好。2.2.3 磁流變液的流變機(jī)理按照磁疇理論可以解釋磁流變效應(yīng)。在磁流變液中，每一個(gè)小顆粒都可當(dāng)做一個(gè)小的磁體。在這種磁體中，相鄰原子間存在著強(qiáng)交換耦合作用。它促使相鄰原子的磁矩平行排列，形成自發(fā)磁化飽和區(qū)域即磁疇。無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，每個(gè)磁疇中各個(gè)原子的磁矩排列取向一致，而不同磁疇磁矩取向不同。磁疇的這種排列方式使每一顆粒處于能量最小的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，所有顆粒平均磁矩為零，顆粒不顯磁性。在外磁場(chǎng)作用下，磁矩與外磁場(chǎng)同方向排列時(shí)的磁能低于磁矩與外磁場(chǎng)反方向排列時(shí)的磁能，結(jié)果是同自發(fā)磁化磁矩成較大角度的磁疇體積逐漸縮小。這時(shí)顆粒的平均磁矩不等于零，顆粒對(duì)外顯示磁性，按序排列相接成鏈。當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱時(shí)，鏈數(shù)量少、長(zhǎng)度短、直徑也較細(xì)，剪斷它們所需外力也較小。隨外磁場(chǎng)不斷增強(qiáng)，取向與外場(chǎng)成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇開(kāi)始向外磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，磁流變液中鏈的數(shù)量增加，10長(zhǎng)度加長(zhǎng)，直徑變粗，磁流變液對(duì)外所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強(qiáng)；再繼續(xù)增加磁場(chǎng)，所有磁疇沿外磁場(chǎng)方向整齊排列，磁化達(dá)到飽和，磁流變液的剪切應(yīng)力也達(dá)到最高。磁流變液的磁化特征不僅依賴固態(tài)相本身的磁特性，而且與顆粒間聚集狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。另外，磁流變液的磁化飽和強(qiáng)度與體積分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān)，但磁化率卻隨體積分?jǐn)?shù)的增加而線形增加，且有隨顆粒直徑增大而增大的趨勢(shì)。2.3 磁流變效應(yīng)2.3.1 磁流變效應(yīng)的特征磁流變效應(yīng)是指磁流變液在外加磁場(chǎng)作用下，其流動(dòng)狀態(tài)(一般是指表示其流動(dòng)阻力的表觀粘度) 和流體的屈服強(qiáng)度發(fā)生了強(qiáng)烈變化的現(xiàn)象。磁流變效應(yīng)作為一種特殊的物理現(xiàn)象，一般具有以下特征:①在外加磁場(chǎng)的作用下，磁流變液的表觀粘度可隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，甚至在某一種磁場(chǎng)強(qiáng)度下，達(dá)到停止流動(dòng)或固化，但當(dāng)磁場(chǎng)撤除后，磁流變液又恢復(fù)到原始的粘度，即在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液可在液態(tài)和固態(tài)之間轉(zhuǎn)換。② 在外加磁場(chǎng)的作用下，磁流變液由液態(tài)至固態(tài)之間轉(zhuǎn)換是可逆的。③ 在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液的屈服強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。④ 在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液的表觀粘度和屈服強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化是連續(xù)的和無(wú)級(jí)的。⑤ 在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液的表觀粘度和屈服強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化是可控的，這種控制可以是人控的或自動(dòng)的。⑥ 磁流變效應(yīng)的控制較簡(jiǎn)單，它只應(yīng)用一個(gè)極易獲得的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)即可。⑦ 磁流變效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)作用的響應(yīng)十分靈敏，一般其響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)。⑧ 控制磁流變效應(yīng)的能量低，即由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)換，不像物理現(xiàn)象中的相變要吸收或放出大量的能量。磁流變效應(yīng)的上述特征是發(fā)展磁流變液在工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的科學(xué)依據(jù)，在充分利用這些特征的基礎(chǔ)上，就能夠開(kāi)發(fā)一系列性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的新產(chǎn)品。112.3.2 磁流變液的磁疇理論根據(jù)磁疇理論可以解釋磁流變效應(yīng)。在磁流變液中，每一個(gè)小顆粒都可以當(dāng)作一個(gè)小的磁體。在這種磁體中，相鄰原子間存在著強(qiáng)交換禍合作用。它促使相鄰原子的磁矩平行排列，形成自發(fā)磁化飽和區(qū)域，即磁疇。沒(méi)有外加磁場(chǎng)作用時(shí)，每個(gè)磁疇中各個(gè)原子的磁矩排列取向一致，而不同磁疇磁矩的取向不同。磁疇的這種排列方式使每一顆粒處于能量最小的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，所有顆粒平均磁矩為零，顆粒不顯磁性。在外加磁場(chǎng)作用下，磁矩與外磁場(chǎng)同方向排列時(shí)的磁能低于磁矩與外磁場(chǎng)反方向排列時(shí)的磁能，結(jié)果是自發(fā)磁化磁矩成較大角度的磁疇體積逐漸縮小。這時(shí)顆粒的平均磁矩不等于零，顆粒對(duì)外顯示磁性，按序排列相接成鏈。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱時(shí)，鏈數(shù)量少、長(zhǎng)度短、直徑也較細(xì)，剪斷它們所需外力也較小。隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的不斷增大，取向與外加磁場(chǎng)成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇開(kāi)始向外磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，磁流變液中鏈的數(shù)量增加，長(zhǎng)度加長(zhǎng)，直徑變粗，磁流變液對(duì)外所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強(qiáng);再繼續(xù)增加磁場(chǎng)，所有磁疇沿外加磁場(chǎng)方向整齊排列，磁化達(dá)到飽和，磁流變液的剪切應(yīng)力也達(dá)到飽和。2.3.3 磁流變液的鏈化模型① 磁流變液的鏈化過(guò)程磁流變液中的顆粒磁極化后的鏈化過(guò)程主要與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)系。在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液中的相鄰顆粒問(wèn)存在著強(qiáng)交換藕合作用，以促使相鄰的原子的磁矩平行排列，形成磁疇。當(dāng)磁矩與外加磁場(chǎng)同方向排列時(shí)的磁能低于磁矩與外加磁場(chǎng)反方向排列時(shí)的磁能時(shí)，磁流變液中的顆粒平均磁矩不等于零，顆粒對(duì)外顯示磁性，按序排列相接成鏈。其鏈化過(guò)程如圖 2.9 所示，顆粒被當(dāng)作一些剛性微球，它們代表磁性顆粒，圖(1)表示無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，顆粒無(wú)規(guī)律地分布在基礎(chǔ)液中，這種情況下的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力為零;圖（2）表示在外加磁場(chǎng) H 作用下，在時(shí)間 t=0s 時(shí)，顆粒磁極化后形成的偶極子;圖(3)表示在外加磁場(chǎng) H 作用下，在時(shí)間 t=0.1s 時(shí)，磁流變液中的顆粒按序排列相接成鏈，磁流變液的表現(xiàn)粘度、增加;圖(4)表示增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，在時(shí)間 t=1s 時(shí)，磁鏈的數(shù)量增加，直徑變粗，磁流變液的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和表觀粘度增大，對(duì)外所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強(qiáng);圖(5)表示當(dāng)撤除外加磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液材料迅速?gòu)?fù)原，其響應(yīng)時(shí)間只有幾毫秒。12圖 2.9 顆粒鏈化過(guò)程的微觀圖② 磁流變液鏈化的集聚方式當(dāng)有外加磁場(chǎng)作用時(shí)，顆粒被產(chǎn)生有序化的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)從顆粒磁極化一開(kāi)始就產(chǎn)生，直至有序化運(yùn)動(dòng)終止，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，形成某種固定的結(jié)構(gòu)，即這些顆粒在磁場(chǎng)力作用下相互吸引，沿著 N 極和 S 極之間的磁力線方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程稱之為鏈化過(guò)程。顆粒磁極化后在磁場(chǎng)及顆粒之間相互作用下的有序化運(yùn)動(dòng)，最終形成的結(jié)構(gòu)，與單位體積內(nèi)顆粒的數(shù)目、磁場(chǎng)強(qiáng)度及顆粒在基液中的 Brownian 運(yùn)動(dòng)(熱運(yùn)動(dòng))的干擾和摩擦阻力的影響等有關(guān)。根據(jù)固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)不同，在磁流變液中可能有四種形態(tài)的顆粒集聚方式，即:1)通鏈。這種鏈?zhǔn)怯稍S多顆粒緊密聯(lián)接而成，并粘附于兩個(gè)平板之上，形成一個(gè)由許多顆粒構(gòu)成的實(shí)體，這種鏈稱為通鏈。2)支鏈。這種鏈的一端從一個(gè)平板開(kāi)始，或粘附于一個(gè)平板之上，而另一端則終止于兩平板間的某一位置，這種鏈稱為支鏈。3)孤立鏈。這種鏈的兩端與任何一個(gè)平板都不聯(lián)接，而是漂浮在基礎(chǔ)液中，類似一個(gè)有序排列的顆粒集團(tuán)，這種鏈稱為孤立鏈。4)束鏈。當(dāng)固體顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，有一些通鏈聚集而成為束鏈。132.3.4 影響磁流變效應(yīng)的因素影響磁流變效應(yīng)強(qiáng)弱的主要因素有以下因素:① 外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液具有一定的屈服應(yīng)力，并且屈服應(yīng)力隨外加磁場(chǎng)的增加而增加，這種現(xiàn)象被認(rèn)為是磁流變效應(yīng)的主要標(biāo)志。② 顆粒的磁飽和強(qiáng)度Carlson[30]人利用偶極子相互作用模型描述了磁流變液特性，建立了流變性能與懸浮相微粒飽和磁化強(qiáng)度的關(guān)系式(2.8) 1.0,2)(30??????hJHrpy式中， 為磁流變液的剪應(yīng)屈服應(yīng)力， 和 分別為懸浮相微粒的平均磁化)(y? pJ?強(qiáng)度和體積分?jǐn)?shù)， 為應(yīng)變量， 為介質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率，h 為單鏈中微粒間隙寬度。該?r模型考慮了隨外磁場(chǎng)增加伴隨微粒的磁化飽和產(chǎn)生的磁非線性問(wèn)題，能夠用來(lái)評(píng)價(jià)磁流變體材料的磁學(xué)性能和力學(xué)性能。同時(shí)，利用所提供的微粒網(wǎng)內(nèi)磁通密度分布機(jī)理對(duì)上述模型進(jìn)行擴(kuò)展，建立了復(fù)合流體的平均磁通密度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系式(2.9)及磁化強(qiáng)度的關(guān)系式(2.10)分別如下(2.9) 321)(30aJBHs?????(2.10) 21)(3aJJsp????式中，B 為磁流變體的平均磁通密度， ， 是磁極化率，a 為懸浮HB)1(0????相微粒飽和磁化區(qū)和未飽和磁化區(qū)的比值，可作為 B 的函數(shù)來(lái)求， 為懸浮相微粒飽sJ和磁化強(qiáng)度。由式(2.9)可知剪應(yīng)屈服應(yīng)力 與 成正比，即選擇高飽和磁化強(qiáng)度)(y?2pJ的懸浮相可提高屈服應(yīng)力 值，這與 Ginder[31]等人的研究結(jié)果相一致。當(dāng)懸浮相)(Hy?微粒磁化飽和后，剪切應(yīng)力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大變緩。隨懸浮相體積分?jǐn)?shù) 的增大，剪?14切應(yīng)力雖有較大幅度的增加，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)零場(chǎng)粘度的增大，屈服應(yīng)力 下降。)(Hy?另外，從磁流變體的 B 一 H 實(shí)驗(yàn)曲線可以看出飽和磁化后內(nèi)察磁感應(yīng)強(qiáng)度仍隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而非常緩慢地增大。微粒間間隙增大，這被解釋為微粒重構(gòu)和磁場(chǎng)增加所致。對(duì)一定體積分?jǐn)?shù)懸浮相的磁流變體，可通過(guò) 得到磁化飽和時(shí)的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度值。sJ?該模型通過(guò)調(diào)整建模過(guò)程中參量值來(lái)補(bǔ)償鏈間相互作用的影響。可以看出，選擇高飽和磁磁極化強(qiáng)度的懸浮相可屈服應(yīng)力 。但當(dāng)懸浮相顆粒磁磁極化飽和后，屈服)(Hy?應(yīng)力幾(H)隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加變緩。③ 磁流變液的磁化率固體 顆 粒 的 磁 化率是影響磁流變液剪切應(yīng)力的另一個(gè)重要影響因素，不同的顆粒材料具有不同的磁學(xué)特性，其在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁化率也會(huì)不同，導(dǎo)致磁流變材料的宏觀特性也會(huì)不同。剪切應(yīng)力隨著磁化率的增加而增加，在磁化率較小時(shí)，增加的較快，在磁化率較大的情況下，增加的幅度不是很明顯。要得到具有良好磁流變效應(yīng)的磁流變液，應(yīng)該選用磁化率對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度敏感的材料做懸浮項(xiàng)顆粒。④ 顆粒體積百分?jǐn)?shù)固體顆粒的濃度對(duì)磁流變效應(yīng)有明顯的影響，隨著固體顆粒體積百分率的增大，相同磁場(chǎng)強(qiáng)度和剪應(yīng)變率所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)介質(zhì)百分率大于30%時(shí)，磁流變液易出現(xiàn)沉淀，將影響材料的磁流變效應(yīng)。固體顆粒的濃度是指作為分散相的固體顆粒在磁流變體中所占的體積比。固體顆粒在磁場(chǎng)作用下磁極化，在兩極間形成貫通的磁鏈，當(dāng)固體顆粒數(shù)目較多時(shí)，更可在磁鏈基礎(chǔ)上集聚成柱或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而增加了磁流變液的粘度和阻力，甚至固化，具有明顯增強(qiáng)屈服應(yīng)力，亦即增強(qiáng)磁流變效應(yīng)。體積百分?jǐn)?shù)越大，由于分散相的固體顆粒數(shù)目多，形成的磁鏈也多;同時(shí)，體系的相對(duì)磁導(dǎo)率和磁磁極化率就越大，其磁流變效應(yīng)就越強(qiáng)。因此，一般認(rèn)為體積百分率越大，則磁流變效應(yīng)越強(qiáng)。大量的實(shí)驗(yàn)表明，為了獲得理想的磁流變效應(yīng)，體積百分率應(yīng)有一個(gè)合理的范圍。因?yàn)?，?dāng)體積百分率較低時(shí)，固體顆粒數(shù)目有限，在磁場(chǎng)作用下磁極化形成的磁鏈數(shù)目少，因而磁流變效應(yīng)不明顯。同時(shí)，體積百分率越低，進(jìn)入明顯磁流變效應(yīng)所需的場(chǎng)強(qiáng)越高，甚至達(dá)到固體顆粒磁飽和場(chǎng)強(qiáng)。因此，體積百分率不能過(guò)低，一般不小于 10%。此外，體積百分率也不能過(guò)高。因?yàn)椋瑢?duì)于任何一個(gè)兩相的懸浮液來(lái)說(shuō)，當(dāng)體積百分率過(guò)高時(shí)，會(huì)有一個(gè)結(jié)構(gòu)上的突變，即由無(wú)序的固體顆粒逐步形成一種三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，液體終止流動(dòng)呈現(xiàn)固化特征，且伴隨砧度和剪切屈服應(yīng)力的增加。磁流變流體也具有這一特性，即在零場(chǎng)時(shí)，當(dāng)體積百分率達(dá)到某一數(shù)值，固體顆粒也形成網(wǎng)狀15結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)固化狀態(tài)。如果作用一個(gè)外加磁場(chǎng)，一般不會(huì)出現(xiàn)固體顆粒重新成鏈和成網(wǎng)的現(xiàn)象，只是可以強(qiáng)化已有的結(jié)構(gòu)，因此磁流變效應(yīng)不是很明顯。此外，即使外加磁場(chǎng)使磁流變效應(yīng)有所增加，當(dāng)零場(chǎng)時(shí)就有了較高的表觀薪度和剪切屈服應(yīng)力，在外加磁場(chǎng)作用下，薪度和剪切屈服應(yīng)力的變化幅度將很低，對(duì)要求有較大調(diào)節(jié)應(yīng)力和豁度范圍的工程應(yīng)用項(xiàng)目是不利的。其次，體積百分率過(guò)大，磁流變流體易出現(xiàn)嚴(yán)重的沉淀和板結(jié)，這將影響磁流變流體的工作效率。大量的實(shí)驗(yàn)表明，體積百分率的最佳范圍大致在 15%一 30%之間。⑤ 溫度溫度對(duì)磁流變液的影響主要來(lái)自兩個(gè)方面，即溫度對(duì)顆粒熱運(yùn)動(dòng)的影響和溫度對(duì)磁性顆粒磁極化(主要是磁極化率)的影響。溫度的升高對(duì)磁流變效應(yīng)是增強(qiáng)還是減弱，主要決定這兩方面的影響孰強(qiáng)孰弱。溫度越高，顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈，顆粒在外加磁場(chǎng)作用下的成鏈越困難，磁流變效應(yīng)就會(huì)減弱。此外，對(duì)液體本身而言，其粘度隨溫度升高而有一定程度的降低。實(shí)驗(yàn)研究證明，屈服應(yīng)力在溫度 20℃一 150℃范圍內(nèi)變化很小。⑥ 懸浮相尺寸固體顆粒的大小對(duì)磁流變效應(yīng)有顯著的影響。隨著固體顆粒直徑的增加，相同磁場(chǎng)強(qiáng)度和剪應(yīng)變率所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大，亦即磁流變效應(yīng)相應(yīng)增強(qiáng)。固體顆粒的大小，對(duì)磁流變效應(yīng)的影響主要是由于顆粒在磁場(chǎng)作用下，顆粒間相互作用的磁力使得顆粒沿磁場(chǎng)方向形成磁鏈。顆粒半徑 r 越大，兩顆粒之間的場(chǎng)致磁力就越大，顆粒所成鏈的強(qiáng)度越大，具體則表現(xiàn)為磁流變效應(yīng)越強(qiáng);此外，顆粒尺寸越大，所要求產(chǎn)生明顯磁流變效應(yīng)的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)越低，即越容易產(chǎn)生明顯的磁流變效應(yīng)。然而，顆粒尺寸過(guò)大，布朗運(yùn)動(dòng)所起的作用減小，顆粒在基礎(chǔ)液中沉淀的趨勢(shì)增大，容易導(dǎo)致磁流變體出現(xiàn)相分離，影響磁流變體的工作性能，反過(guò)來(lái)又會(huì)影響流體的磁流變性能。當(dāng)然，顆粒尺寸過(guò)小，則布朗運(yùn)動(dòng)影響大，這雖然可降低沉淀的趨勢(shì)，但由于布朗運(yùn)動(dòng)，顆粒不易穩(wěn)定成鏈，磁流變效應(yīng)的強(qiáng)度減弱。因此，顆粒尺寸既不能過(guò)大，也不能過(guò)小，應(yīng)該根據(jù)具體的磁流變體材料選取最優(yōu)值。Lemaire[32]等人對(duì)磁流變液屈服應(yīng)力 與懸浮相微粒直徑的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研)(Hy?究，力圖弄清理想磁流變體所對(duì)應(yīng)的最佳的微粒尺寸。小微粒雖在 Brownian 運(yùn)動(dòng)作用下可防止沉積，但強(qiáng)烈的 Brownian 運(yùn)動(dòng)也阻礙產(chǎn)生最大屈服應(yīng)力的鏈狀結(jié)構(gòu)的形成。當(dāng)耦合系數(shù) >1 時(shí)，對(duì)極化能求導(dǎo)得到微粒間靜磁作用力 。然而來(lái)自靜磁力的? 2aFH?屈服應(yīng)力 ，其中的 為單位面積成鏈的微粒數(shù)，其量值 ， 體積分SFNHcy?)(?Sc 2?16數(shù)， 為微粒半徑，由此可見(jiàn) 又是一個(gè)與半徑無(wú)關(guān)的參數(shù)。在 >1 的非?)(Hy? ?Brownian 運(yùn)動(dòng)作用下，這一結(jié)論應(yīng)該是正確的。然而實(shí)際情況并非如此。研究目的在于確定 對(duì) 的影響對(duì)耦合系數(shù) 的依賴程度，即到底 多大時(shí)， 才與 無(wú))(Hy??)(Hy??關(guān)。 的表達(dá)式如下?(2.11) KTar84230???式中 K 為 Boltzmann 常數(shù)，T 是溫度。研究結(jié)果表明，即使在藕合系數(shù)高達(dá) 103時(shí)，微粒尺寸仍對(duì)磁流變性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。與多分散系磁流變體相比，一定尺寸的單分散系式樣具有更佳的磁流變效應(yīng)。這些效果來(lái)自無(wú)流動(dòng)條件下 Brownian 運(yùn)動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)起伏，該運(yùn)動(dòng)使單鏈中兩臨近微粒間距離大于平均分散的距離，鏈結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的阻力恰恰來(lái)自這種加大的間隙，而不是依賴于平均距離。應(yīng)該指出的是該結(jié)構(gòu)模型顯得過(guò)于簡(jiǎn)化，且采用的位置起伏的 Monte Carlo。模型是基于一般偶極子近似。揭示微粒間距起伏變化的更準(zhǔn)確模型應(yīng)同時(shí)考慮多偶極子間的反應(yīng)和真實(shí)的三維聚集體結(jié)構(gòu)，如對(duì)滲透壓和磁壓平衡條件下形成的三維結(jié)構(gòu)和稠化結(jié)構(gòu)內(nèi)真實(shí)體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算等?？纱艠O化顆粒直徑對(duì)屈服應(yīng)力的影響取決于禍合系數(shù)的大小，一定尺寸的單分散系比多分散系試樣具有更大的磁流變效應(yīng)。⑦ 可磁極化顆粒和穩(wěn)定劑優(yōu)良的磁流變液在零磁場(chǎng)條件下的粘度較小，具有良好的流動(dòng)性，這就要求顆粒在磁流變液中的比例不能太大;而另一方面，磁流變液在一定的磁場(chǎng)下應(yīng)具備良好的磁流變效應(yīng)，這就要求可磁極化顆粒在磁流變液中的比例應(yīng)盡可能大。穩(wěn)定劑增大了磁流變液的粘度，有助于克服可磁極化微粒的沉積，穩(wěn)定劑對(duì)不同基礎(chǔ)液的親和性是不同的。因此，用不同基礎(chǔ)液配制磁流變液必須考慮穩(wěn)定劑的比例。一般，采用預(yù)處理的可磁極化微粒來(lái)配制磁流變液己使分散相的不穩(wěn)定性有所改善，穩(wěn)定劑的比例應(yīng)相應(yīng)減少，使磁流變液的零磁場(chǎng)粘度下降。⑧ 壁面材料及表面粗糙度對(duì)切應(yīng)力的影響B(tài)ossis [33] 等人研究結(jié)果表明，流變性能測(cè)試儀間隙平板的材料和粗糙度對(duì)磁流變體的屈服應(yīng)力有很大影響，最大應(yīng)力值在使用具有一定表面粗糙度的導(dǎo)磁材料平板下獲得，從而使磁流變體與壁面的相對(duì)滑移減小為零，即減小切應(yīng)力的傳遞損失。壁面滑移被認(rèn)為是理論屈服應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)值較大差別的重要原因之一。例如分別采用不銹鋼和表面具有球狀物的玻璃壁面材料對(duì)同種磁流變體進(jìn)行測(cè)量，屈服應(yīng)力相差 4.5 倍，17盡管兩種材料均屬非磁化材料，但表面粗糙度相差很大，實(shí)驗(yàn)表明表觀屈服應(yīng)力隨壁