離合器用磁流變液的制備液及固體含量對傳遞扭矩的影響*

遲佳龍，布赫巴特爾，黃 波，劉曉紅

(黑龍江省化工研究院，黑龍江 哈爾濱 150078)

磁流變液(Magneto-rheological Fluid簡稱MRF)是一種具有良好發展前景和工程應用價值的新型智能材料。最早是由幾十年前的J.Rabinow提出的[1]。它是固體微顆粒在基液中形成的懸浮液,主要由載液、磁流變響應粒子,磁流變效應粒子,表面活性劑組成,在外加磁場作用下，會產生明顯的磁流變效應：在固體與液態之間進行毫秒(ms)級快速可逆轉化，其粘度保持連續無級變化，可實現實時主動控制，耗能小[2]。因而磁流變液廣泛應用于機械、汽車、航空、精密加工、建筑、醫療等領域[3]。在磁場的作用下，磁流變液的流變特性會發生快速可逆的變化，這種現象被稱為磁流變效應。而磁流變液離合器是利用磁流變液剪切應力來進行離合的一種裝置，它傳遞的扭矩隨外加磁場的變化迅速變化。磁流變液離合器以其長壽命、運轉平穩、結構簡單、優良控制特性等優點將成為傳統離合器的理想替代品[4，5]。

磁流變液雖然有以上優點，但是它也有自己的缺點，主要是磁流變液傳遞扭矩的離合器的工作性能會受到磁流變液里的固體含量的影響，因此，研究固體含量對傳遞扭矩的影響是有必要。

本文著重介紹離合器用磁流變液的制備及固體含量對傳遞扭矩的影響。

1 磁流變液的制備

1.1 原料及儀器

羰基鐵；堿；烴類合成油；有機膨潤土；沉降劑；表面活性劑等。

燒瓶；電動攪拌機；真空泵；控溫裝置。

1.2 磁流變液的制備

將2份粒徑為3-5μm羰基鐵粉，4份投入適量烴類合成油中,然后在80℃溫度下定量加入2份表面活性劑、1份有機膨潤土、0.5份堿、0.5沉降劑混合攪拌、靜置得到磁流變液。

2 固體含量對磁流變液傳遞扭矩的影響

2.1 磁流變效應機理

磁流變液當有外加磁場作用時，顆粒產生有序化的運動，這些顆粒在磁場力作用下相互吸引，沿著N極和S極之間的磁力線方向形成鏈狀結構。磁流變液中的顆粒磁極化后的鏈化過程主要與外加磁場強度有關系，鏈化過程的模型見圖1。

圖1 磁流變液施加磁場前后結構對比示意圖[6]Fig.1 Comparison of structures of MR fluids containing polystyrene spheres before and after magnetic field applied

無磁場作用時，粒子自由分散在載液中，處于一種無序分布狀態，此時動態屈服應力幾乎為零；當外加磁場的瞬間，磁性顆粒被極化為偶極子；在10ms后，即“固化”反應后，這些粒子在磁場作用下相互吸引，沿著N極和S極之間的磁力線在兩極形成粒子橋，從而產生了動態抗剪應力的作用（即產生傳遞扭矩），外觀表現為粘稠的特性，液體的粘度隨磁場變化而無級變化；當磁場強度增加后，磁鏈的直徑也跟著變粗，磁流變液的動態屈服應力和表面粘度增大，對外所表現的傳遞扭矩增強；當外加磁場被撤銷后，磁流變液迅速還原成一般流體特性，反應時間在幾毫秒之內，非常迅速[3]。

在這一過程中影響傳遞扭矩的因素主要是固體含量（磁流變效應粒子與磁流變響應粒子）。配比不同固體含量的磁流變液，從中分析不同固體含量的對傳遞扭矩的影響。通常磁流變液的固體含量常用的主要有羰基鐵粉、純鐵粉或鐵合金等；本文是以羰基鐵粉為固體粒子。

2.2 磁流變液離合器性能實驗設備

交流電動機、變頻器、磁粉制動器、扭矩轉速傳感器、磁流變液離合器。

圖2 磁流變液離合器性能測試示意圖Fig.2 Overall sketch of the test system for MR fluid clutch

圖3 磁流變液離合器性能測試裝置Fig.3 Test system of the properties for MR fluid clutch

不同的轉速下傳遞扭矩也不同，本文選取轉速為 500r·min-1做參考。

2.3 不同固體含量磁流變液的傳遞扭矩的對比分析

按照1.2磁流變液的制備方法，分別按照固體含量為 1∶10、1.5∶10、2∶10、2.5∶10、3∶10 的比例，制備出磁流變液。然后在磁流變液離合器性能實驗設備上，在轉速為500r·min-1的條件下，測試出以下數據，并根據數據制成圖表（表1、圖4），進行分析。

表1 不同固體含量的磁流變液在不同勵磁電流下的傳遞扭矩Tab.1 Torque transmission of magneto-rheological(MR)fluid with kinds of solids content with different field corrent

圖4 不同固體含量的傳遞扭矩Fig.4 Torque transmission with different solid content

根據數據和圖表的對比分析得出，在零磁場的時候傳遞扭矩主要是磁流變液的粘度，從5個圖的數據得知，固體含量越大，粘度越大，傳遞扭矩就越高。從圖4（a）、（b）、（c）可見，傳遞扭矩和勵磁電流基本呈線性正比關系，傳遞扭矩不斷變大。這說明，在固體含量為 1∶10、1.5∶10、2∶10的含量時，磁流變液在外加磁場條件下的傳遞扭矩與勵磁電流成正比，電流越大，傳遞扭矩越大。同時，固體含量的百分比對傳遞扭矩也有很大影響，固體含量越大，磁流變液中磁流變效應粒子與磁流變響應粒子的量越多，在磁場下形成的磁鏈數量越多，磁鏈直徑也越大；磁流變液的動態屈服應力和表面粘度就越大，其磁流變液傳遞扭矩就越高。然而，4（d）、（e）中可知，電流越大，其傳遞扭矩增長量越小。這說明固體含量百分率越大，磁流變流中的磁流變效應粒子與磁流變響應粒子就越容易抱團，在磁流變液中形成沉淀和結塊。這就影響磁鏈在外加磁場條件下的形成，從而影響磁流變液整體的傳遞扭矩。

3 結論

近幾年,磁流變液的優越性能及其十分美好的開發前景逐漸引發了世界各國科學界、工業界的廣泛關注。磁流變液離合器以其長壽命、運轉平穩、結構簡單、優良的控制特性等優點，必將擁有廣闊的應用前景。同時應該通過改善磁流變液性能，優化離合器結構，調節磁流變液中的固體含量的配比，對于磁流變液和離合器顯得尤為重要。

［1］趙麗，布和巴特爾，田言.磁流變液的研究［J］.化學工程師，2001，15（6）.

［2］Kordonsky W.I.Magnetorheological effect as a base of new devices and technologies［J］.Magnetismand Magnetic Materials,1993，133：395-398.

［3］鄒剛.杯狀磁流變液離合器的性能測試與優化設計［D］.哈爾濱工業大學碩士學位論文，2010.

［4］孟維佳.雙平板式磁流變液離合器的研究設計［D］.哈爾濱工業大學碩士學位論文，2006.1-8.

［5］Kordonsky W.I.Magnetorheological Fluids and Their Applications［J］.Materials Technology,1993，(11)：240-242.

［6］王琪民，徐國梁，金建峰.磁流變液的流變性能及其工程應用［J］.中國機械工程，2002,13(3)：267-270.