智能型ERF汽車制動(dòng)器應(yīng)用研究

楊坤全　陳伯豐　葉海平

摘要：液壓式汽車制動(dòng)器存在很多缺點(diǎn)。文章根據(jù)電流變液體的特性，研究了一種制動(dòng)汽車傳動(dòng)軸動(dòng)力的制動(dòng)器，并介紹了其結(jié)構(gòu)和工作原理，對電流變液體的屈服應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)利用LABVIEW軟件對該制動(dòng)器的制動(dòng)效果進(jìn)行仿真分析。

關(guān)鍵詞： 液壓式汽車；電流變液體；制動(dòng)器；屈服應(yīng)力；傳動(dòng)軸動(dòng)力 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U469 文章編號：1009-2374（2015）24-0044-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.022

美國學(xué)者W.M.Winslow是電流變技術(shù)的創(chuàng)始人，他首先發(fā)現(xiàn)和找到了具有較強(qiáng)電流變效應(yīng)的電流變液體（Electro Rheological Fluid，ERF），這是一種智能型材料，它可在液態(tài)與固態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換，且這種轉(zhuǎn)換是可逆的，若在電流變液體上加一電場，則其表觀黏度的變化將隨場強(qiáng)的不同而發(fā)生無級的連續(xù)的變化，在這液態(tài)和固態(tài)的轉(zhuǎn)換中，它消耗的能量極低且具有極高的響應(yīng)速度，一般為毫秒級，這種控制方法也很簡單，容易與計(jì)算機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。正是電流變液體的這種特征，使人們看到了其具有廣泛的應(yīng)用前景，諸如將其應(yīng)用于振動(dòng)中的阻尼無級調(diào)節(jié)和控制，傳動(dòng)中轉(zhuǎn)速、扭矩和力的無級調(diào)節(jié)和控制，以及液體傳動(dòng)中的流量控制和壓力控制等。本文旨在利用電流變液體這一特性，將其應(yīng)用于汽車制動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種制動(dòng)整車傳動(dòng)軸動(dòng)力的電流變制動(dòng)器。

1 電流變制度裝置的工作原理

圖1 圓筒式電流變制動(dòng)裝置的工作原理圖

電流變制動(dòng)裝置是利用電致屈服應(yīng)力受電場控制這一特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的，從動(dòng)力的傳動(dòng)方式看，電流變液體制動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種基本的工作元件（即主、被動(dòng)元件）是一對平行的圓盤，平行圓盤可以是單一的或多片的，另一種的基本工作元件是一對同心的圓筒，同心圓筒可以是單一的或多個(gè)的，此制動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)中主、被動(dòng)部分的動(dòng)力中斷，通過電致屈服應(yīng)力的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)傳遞轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)或?qū)崿F(xiàn)對運(yùn)動(dòng)部件的平穩(wěn)制動(dòng)。本文以同心圓筒結(jié)構(gòu)形式來說明電流變制動(dòng)裝置的工作原理，如圖1所示，本文中假設(shè)圓筒A是固定在汽車底盤上面，它不能轉(zhuǎn)動(dòng)，圓筒B與汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸C聯(lián)接在一起，在實(shí)際中圓筒B隨著傳動(dòng)軸C做同步轉(zhuǎn)動(dòng)，圓筒A和B的長度都是L，且兩端用絕緣材料密封，此時(shí)若在圓筒A的內(nèi)表面與圓筒B外表面構(gòu)成的這部分密閉空間內(nèi)充滿電流變液體，并在兩圓筒之間施加一可連續(xù)變化的電場，則電流變液體將在這電場作用下，由于其電致屈服應(yīng)力和黏性剪切應(yīng)力的作用而產(chǎn)生一力矩，由于圓筒A是固定的，則這一力矩將作用在圓筒B上，從而使圓筒B的轉(zhuǎn)速隨電場大小的變化而產(chǎn)生連續(xù)改變，進(jìn)而也使固定在圓筒B上的傳動(dòng)軸C產(chǎn)生減速或制動(dòng)。為便于研究，本文假設(shè)：（1）電流變液體為不可壓縮，其運(yùn)動(dòng)是層流且是穩(wěn)態(tài)的，即連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程中所有對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)均為零；（2）電流變流體與兩圓筒壁面的接觸無滑差，且不計(jì)邊緣效應(yīng)；（3）本系統(tǒng)不考慮溫度對電流變液體的影響。

當(dāng)C軸以ω角速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)ω沿z軸線性分布，則剪切應(yīng)變率為：

把電流變液作為Bingham流體，流體的本構(gòu)方

程為：

式中：

則電流變液產(chǎn)生的力矩：

（1）

式中：：圓筒外半徑（m）；h：內(nèi)外圓筒間隙（m）；L：圓筒長度；：流體的電致屈服應(yīng)力（Pa）；：液體黏度（m2/s）；ω：角速度；，α：與電流變液有關(guān)的參數(shù)；E：電場強(qiáng)度（v/m）；U：加載的電壓。

因?yàn)殡娏髯円后w在無外加電場時(shí)表現(xiàn)為牛頓流體，在外加電場作用下表現(xiàn)為Bingham流體，所以從電流變液體制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩傳遞公式可看出，其傳遞的轉(zhuǎn)矩在有電場作用時(shí)由兩部分組成，即電流變液體的黏性轉(zhuǎn)矩（1）式右邊第二項(xiàng)和電流變效應(yīng)產(chǎn)生的電致屈服應(yīng)力所傳遞的轉(zhuǎn)矩（1）式右邊第一項(xiàng)。

顯然對傳遞的轉(zhuǎn)矩有重大影響，但在設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)完全確定后，這些參數(shù)可認(rèn)為是一些常數(shù)，不受工況的影響而變化，黏性轉(zhuǎn)矩主要還受到基礎(chǔ)液體黏度及傳動(dòng)軸角速度的影響，另外，對于電流變效應(yīng)所傳遞的轉(zhuǎn)矩，主要還由電致屈服應(yīng)力決定，而且也是控制傳遞轉(zhuǎn)矩的惟一可調(diào)因素，用巨電流變液（GER）的參數(shù)，本文仿真中取a=1；k=0.0254，仿真關(guān)系圖如下：

（1）扭矩與電壓、剪切應(yīng)力的關(guān)系 （2）扭矩與間隙、長度的關(guān)系

圖2 L，ω為常值時(shí)扭矩

與電壓、剪切應(yīng)的關(guān)系 圖3 電壓U=2000V時(shí)扭矩

與間隙、長度的關(guān)系

從以上電流變液體傳遞扭矩相互因素關(guān)系的仿真圖可看出，在L、ω參數(shù)固定不變后，電流變液體的剪切應(yīng)力及制動(dòng)扭矩與電壓成線性關(guān)系，這使得通過調(diào)整電壓大小來控制制動(dòng)扭矩成為可能。同時(shí)在施加電壓保持不變的情況下，制動(dòng)扭矩與兩圓筒間隙大小成反比，且與L成正比，因此在設(shè)計(jì)電流變制動(dòng)裝置時(shí)必須考慮結(jié)構(gòu)尺寸因素對所傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。由以上分析可知，電流變制動(dòng)裝置的工作原理實(shí)際上是通過改變施加在電流變液體上電壓的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出制動(dòng)力矩的控制，從而達(dá)到期望的制動(dòng)效果。

2 電流變汽車制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

2.1 ER汽車制動(dòng)器位置布置

不考慮其他因素影響，把整車重量和制動(dòng)力均勻分配到各輪上，則兩前輪的制動(dòng)裝置將分別承受整車的1/4重量和制動(dòng)力，安裝在傳動(dòng)軸上制動(dòng)兩后輪的電流變制動(dòng)裝置將承受整車的1/2重量和制動(dòng)力。本文將以制動(dòng)兩后輪的電流變制動(dòng)裝置為研究對象，具體車上位置布置如圖4所示：

圖4 電流變制動(dòng)裝置的安裝位置

1.左前輪制動(dòng)器；2.發(fā)動(dòng)機(jī)；3.右前輪制動(dòng)器；4.離合器；5.變速器；6.傳動(dòng)軸；7.傳動(dòng)軸電流變制動(dòng)器；8.主減速器；9.差速器；10.半軸。

2.2 ER制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸電流變制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，畫成立體結(jié)構(gòu)的PRO/E模型如圖6所示。用一條高壓絕緣線穿過右絕緣套7中部的壁槽，把銅套8和高壓接觸塊6連接起來；高壓接觸塊6與內(nèi)圓筒5緊密接觸，外來的直流高壓電源的正極可用碳刷與銅套8接觸；外圓筒4接直流高壓電源的負(fù)極；只要加載電壓，就可以在內(nèi)圓筒5的外壁與外圓筒4的內(nèi)壁之間形成高壓電場；將導(dǎo)致充滿在這兩壁之間的電流變液產(chǎn)生電流變效應(yīng)。內(nèi)圓筒5通過左絕緣套2和右絕緣套7與傳動(dòng)軸1固定在一起，隨傳動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；而外圓筒4和塑料端蓋3則固定在車身上，相對車身靜止不動(dòng)；由于電流變效應(yīng)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩將阻礙傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到制動(dòng)的目的。內(nèi)圓筒與外圓筒的間隙h=1mm，內(nèi)圓筒長L3=0.185m，外圓半徑R3=0.061m。

2.3 制動(dòng)器ER屈服應(yīng)力的計(jì)算

以馬自達(dá)（Mazda）牌運(yùn)動(dòng)轎車為例，計(jì)算電流變制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能所需電流變液的屈服應(yīng)力。汽車型號RX-7 Turbo 2，總重M=1585kg，主減速比：i=3.91。取車的車輪半徑R=0.3m，制動(dòng)減速度=5.8m/s2，主減速傳動(dòng)效率η=0.97。本文以傳動(dòng)軸制動(dòng)裝置為研究對象，對其電流變液產(chǎn)生的屈服應(yīng)力要求做進(jìn)一步計(jì)算。

由設(shè)計(jì)可知L3=0.185m，R3=0.061m，則：

由上述計(jì)算可知，只要電流變液的屈服應(yīng)力能達(dá)到77.8kPa，傳動(dòng)軸電流變制動(dòng)器就能達(dá)到1/2整車制動(dòng)的扭矩要求，而由文獻(xiàn)可知，目前研發(fā)出來的電流變液的最大屈服應(yīng)力已達(dá)到130kPa，因而此設(shè)計(jì)方案滿足轉(zhuǎn)動(dòng)軸制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩的要求。

3 制動(dòng)性能仿真分析

汽車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器直接對車輪產(chǎn)生作用，而車身在慣性力作用下，速度降得比較慢，但隨著制動(dòng)器對車輪進(jìn)行制動(dòng)，車身的速度也隨著慢慢降低，直至為0，因此利用LABVIEW軟件對上述電流變制動(dòng)器進(jìn)行仿真分析，分別對傳動(dòng)軸電流變制動(dòng)裝置的電流變液加1kV、2kV、3kV、4kV的電壓，得到車身和車輪速度的變化情況分別如圖7所示。由圖7可以看出，當(dāng)加在電流變液上的電壓為1kV時(shí)，電流變液發(fā)生電流變效應(yīng)，但是發(fā)生的電流變效應(yīng)并不明顯，此時(shí)輪速和車速比較接近。隨著電壓的增加，電流變液發(fā)生的電流變效應(yīng)越來越明顯，車輪抱死的時(shí)間越來越短，當(dāng)電壓加到4kV時(shí)，車輪6.8s的時(shí)候就抱死了。由此可驗(yàn)證電流變液用于制動(dòng)器上的制動(dòng)效果比較明顯，在實(shí)際中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

將電流變技術(shù)應(yīng)用于汽車制動(dòng)系統(tǒng)，這可以解決原本汽車制動(dòng)系統(tǒng)由液壓產(chǎn)生制動(dòng)力所帶來的一系列缺點(diǎn)，諸如液壓制動(dòng)信號會(huì)滯后、剎車會(huì)出現(xiàn)打腳等現(xiàn)象，但電流變液體的性能是阻礙此項(xiàng)技術(shù)商品化的一大難關(guān)，如何使電流變液體滿足工程應(yīng)用要求的力學(xué)性能、具有較廣的溫度工作范圍、良好和穩(wěn)定的物理性能及化學(xué)性能等，都將是今后電流變液體研制的核心。隨著社會(huì)汽車保有量的不斷增加，人們對汽車的行車安全性越來越重視，對汽車制動(dòng)器的要求也越來越高，而電流變技術(shù)是一項(xiàng)新興的科學(xué)技術(shù)，它仍然處于一種發(fā)展和開拓的階段，但將電流變液體以傳動(dòng)軸制動(dòng)的形式應(yīng)用于汽車制動(dòng)系統(tǒng)是一種新型的制動(dòng)模式，這將對今后汽車制動(dòng)器的發(fā)展以及電流變技術(shù)在汽車制動(dòng)器上的應(yīng)用提供一個(gè)理論參考。

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基金項(xiàng)目：漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：ZZY1418）。

作者簡介：楊坤全，男，福建長泰人，漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系講師，研究生，研究方向：汽車與機(jī)械工程；陳伯豐，男，廈門城力機(jī)電設(shè)備有限公司高級工程師，研究方向：機(jī)電控制技術(shù)。

（責(zé)任編輯：陳 倩）