SMA彈簧補償的圓筒式MRF制動器工作原理及理論分析

馬忠睿

1 磁流變液和形狀記憶合金材料的特性

1.1 磁流變液材料的組成

經過大量研究，人們發現，磁流變液由三部分組成：可導磁的磁性顆粒、分散顆粒的基礎液、提高性能的添加劑。

1.1.1 磁性顆粒

磁性顆粒的主要作用是在有外部場源激勵的時候，能夠導磁產生磁極化，其對磁流變液的流變效應和屈服特性來說是核心物質。因此，磁流變液的主要特性取決于磁性顆粒材料的化學和物理性質。一般來說，有著良好磁流變效應的磁流變液與優良磁性顆粒的關系密不可分。

1.1.2 基礎液

磁流變液中有大量的磁性顆粒等介質，基礎液的作用是將所有介質均勻地分散在磁流變液中，它是整個磁流變液的基礎。介質分散的好壞對磁流變液的流變特性起著決定性的作用?，F在市面上可以選用的基礎液較多，如硅油、石蠟油等油類，此外，氟化烴、水和乙二醇等也可用作基礎液。

1.1.3 添加劑

添加劑是磁流變液中第三種基礎的組成部分，其作為調和基礎液和磁性顆粒的中間物質，對提高磁流變液的特性也有舉足輕重的地位。一般來說，添加劑可以穩定磁性顆粒在基礎液中的活性和懸浮。

1.2 磁流變液的屈服特性

磁流變液的重要特性之一便是屈服特性，其表現為在外部磁源激勵后，磁流變液由無磁源激勵的牛頓流體特性，改變為塑形屈服特性。這種類似固體的塑性屈服特性與金屬的屈服特性別無二致，都可以由屈服剪切應力來描述。因此，當施加外磁場后，磁流變液產生的屈服應力，可以作為變成“固體”的磁流變液的結構強度衡量標準。

無磁場作用時，磁流變液的剪切應力與剪切應變率之間的近似關系式由實驗數據測出并歸納總結。磁流變液產生的屈服剪切應力可以通過對外部磁源大小的調整而進行無級調節。根據相關實驗記載，磁場強度的增加可以使屈服剪切應力同時增加，一般用式（1）來表示這個關系。

式中：φ為磁性顆粒的體積百分數，H為磁場強度（kAmp/m），τy（H）為屈服應力，常數C與磁流變液的基礎液有關，已知C=0.95（硅油）；C=1（碳氫化合物）；C=1.16（水）。

1.3 磁流變液的流變特性

可以用表示牛頓流體的方程，來表達磁流變液公式：

式中：η是零場時磁流變液的粘度，τ是磁流變液的剪切應力，γ是磁流變液的剪切應變率。

外加磁場時，磁流變液產生屈服應力，表現出類固體行為，其方程可用Bingham模型展示為：

式中：τy（H）是磁流變液的動態屈服應力，它隨外加磁場強度H變化。

據磁流變液的Bingham模型，可以總結出流變特性：當磁流變液的τ＜τy（H）時，磁流變液表現為Bingham流體（類固體）；當磁流變液的τ＞τy（H）時，磁流變液又表現為牛頓流體。

1.4 形狀記憶合金效應

根據材料工作者長久以來的研究，形狀記憶合金的形狀記憶效應大致分為三類，但不管哪一種其機理都可以看成是某些分子結構特殊的合金在外界條件變化前后，合金組織結構相互轉換的過程。下面分開說明這3種類型。

1.4.1 單程形狀記憶效應

這種合金由于不能發生可逆的變形，只能應用在對形狀要求不高的工程中，如一次性零件、墊圈或銜接處等。其原理是初始形狀在某一溫度內制成，而在另一溫度內對其進行加工變形，當恢復為初始狀態時，溫度能恢復成初始狀態，但此時合金不管溫度再如何變化均不能發生形狀改變。

1.4.2 雙程形狀記憶效應

這種合金在工程應用中適用范圍較廣，其可以發生可逆的形狀變換，且前后形狀相同，所以多用于相關記憶合金驅動器件的輸出力部分。其原理與單程記憶效應相似，不同之處為合金最后可以反復變化兩種溫度時的狀態，且形狀相同、方向相同。

1.4.3 全程形狀記憶效應

此類現象較為特殊，只能在某些成分特定的合金中出現，如富鎳的Ti-Ni合金。其原理與雙程記憶效應相似，不同之處為最后可以反復變化兩種溫度時的狀態，形狀相同但方向相反。

2 工作原理分析

2.1 裝置工作原理分析

如圖1所示，SMA彈簧補償的圓筒式MRF制動器裝置由兩大部分組成，一部分是磁流變液制動部件，另一部分是形狀記憶合金螺旋彈簧驅動的推桿摩擦塊制動部件。在工作溫度較低時，利用磁流變液的剪切應力傳遞轉矩；在工作溫度比較高時，由磁流變液和形狀記憶合金控制的摩擦塊共同傳遞轉矩。當磁流變液由于外部因素或內部損耗后，其性能會逐漸下降，產生的屈服應力不能達到預期的效果，對于制動器來說會產生危險的后果。為解決這一情況，人們采用磁流變液和形狀記憶合金雙重制動的復合制動器。

該制動器的主要工作原理為：摩擦塊14外側的弧度與隔磁環10內側的弧度一致；該摩擦塊14的內側與一推桿16相連，所述形狀記憶合金彈簧15套設于該推桿16上；在該通孔13內設有一連接基座17，所述連接基座17套設在制動軸6上，并于制動軸6通過鍵配合一起；推桿16始終保持軸向移動，進一步提高制動效果。工作過程中，磁流變液制動效果隨溫度升高而下降，這時形狀記憶合金彈簧15在感知溫度的情況下軸向伸長推動摩擦塊14，摩擦塊14和隔磁環10內壁貼合產生摩擦力矩，補償磁流變液因溫度升高而損失的制動力矩，溫度越高摩擦力矩越大。當制動器停止動作時，磁流變液溫度下降，形狀記憶合金彈簧15拉動摩擦塊14回位。

圖1 SMA彈簧補償的圓筒式MRF制動器工作原理

2.2 圓筒式磁流變液的制動原理

如圖1所示，根據對磁流變液的流變特性與屈服特性分析，制動器未工作即未對勵磁線圈通電時，制動軸正常轉動，而在制動內圓筒與外殼內壁間的磁流變液由于未受到磁場的磁力限制，未發生屈服而處于流體狀態。選擇合適的磁流變液可以使此時內圓筒與內壁間的摩擦阻力很小。當制動器正常工作，即對勵磁線圈通電后，磁流變液產生屈服特性，根據磁流變液的屈服特性分析，此時其由流體狀態逐漸變為類似固體狀態。在這期間產生的剪切應力成為制動力矩，阻止制動軸制動。

2.3 SMA彈簧驅動的摩擦塊制動原理

由SMA螺旋彈簧驅動的推桿摩擦塊部件的工作原理如圖2所示。由于該制動器以磁流變液制動為主，摩擦制動為輔助。所以,當制動器中磁流變液工作溫度不高時，制動器工作內腔室的環境溫度也不會引起形狀記憶合金發生熱彈性馬氏體相變。此時，彈簧與連接基座和推桿摩擦塊相連，位于推桿頂部的摩擦塊未與隔磁環相接處。制動器處于未工作狀態或者是僅僅由磁流變液提供制動力矩的工作狀態。當磁流變液由于長時間產生屈服應力后，摩擦損耗增加，熱量逐漸上升。此時磁流變液工作性能下降，制動性能下降，輔助摩擦制動開始工作。溫度上升，達到形狀記憶合金彈簧奧氏體相變溫度，彈簧開始伸長，推動推桿與滑塊，彈簧另一端仍連接基座不動。

圖2 SMA彈簧驅動摩擦塊與隔磁環離合的工作原理

當彈簧足夠長時，摩擦塊與隔磁環接觸，產生的摩擦力補償因性能下降的磁流變液制動部分。制動器處于磁流變液和摩擦塊共同提供制動力的狀態。制動工作結束后，磁流變液工作溫度下降，內腔室溫度降低，形狀記憶合金彈簧開始向低溫相轉變，形狀恢復，彈簧收縮，摩擦塊與隔磁環分離。制動器處于工作結束狀態或僅由磁流變液提供制動力矩的工作狀態。

3 結語

SMA彈簧補償的圓筒式MRF制動器的設計十分獨特，適用性較強，其通過形狀記憶合金彈簧伸長提供的摩擦轉矩，補償因溫度上升而工作效率下降的磁流變液制動轉矩部分，使得制動器在高溫時可以穩定安全地工作。

[1]黃金，廖林清，林昌華.圓筒式磁流變離合器的設計分析[J].功能材料，2006，5（37）：760-764.

[2]劉成，賀建民，黃金.圓筒式磁流變液制動器分析[J].重慶工學院學報，2009，23（7）：69-72.