多盤連續可變工作間隙磁流變制動器仿真與驗證

摘要：為提高磁流變制動器制動能效，提出一種多盤連續可變磁流變液工作間隙結構的磁流變制動器。在ANSYS workbench 環境下完成不同電流、間隙狀態下的三維靜態磁場仿真，對磁場沿工作間隙分布狀況進行分析，通過試驗臺架對制動器性能進行測試。結果表明，磁流變液工作區域磁矢量分布相對均勻，無明顯積聚現象，磁路設計合理。理論與實驗結果變化趨勢基本吻合，但在電流較大時，兩者之間誤差呈逐漸增大趨勢。制動力矩在0～2.5 A 電流變化區間增速較快，而在2.5～4.0 A 區間明顯放緩，最大力矩達到146.4 N·m，較間隙未改變狀態增加25.80%。設計的制動器TVR 值達到48.81 kN·m/m3，較傳統磁流變制動器結構更緊湊，力矩調節范圍更廣，設計思路及實驗結論對磁流變制動器結構的進一步研究具有借鑒意義。

關鍵詞：磁流變液；楔形工作間隙；連續可變；制動性能

中圖分類號：U463.51 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-026-13

磁流變液是一種智能材料，其流變特性在磁場作用下展現出快速、可控和可逆的特性。目前，磁流變液已廣泛應用于各種領域，如閥門、阻尼器、離合器、制動器等[1?6]。磁流變制動器通過調整線圈中的電流，能夠平穩、快速、可逆地調節制動扭矩。相較于傳統制動器，磁流變制動器具有結構緊湊、運行穩定、能耗低和智能可控等優勢。這些特性更適用于自動駕駛技術集成，為車輛提供高效可控的制動系統，從而提升自動駕駛的安全性和可靠性。

為加速磁流變制動器商業化進程，研究人員一直致力于嘗試各種手段改善磁流變制動器的制動性能，例如，優化磁路、改善線圈設計、增大磁流變液有效工作面積等[7?10]。Kikuchi 等[11]通過仿真和實驗對比100 μm和50 μm 2 種規格工作間隙的磁流變制動器，發現50 μm 工作間隙情況下制動力矩提高20%，證明磁流變液工作間隙是影響制動器性能的重要因素。但由于50 μm 間隙下磁流變液未能充分填充，導致仿真和實驗結果誤差較大。Wellborn 等[12]設計并測試一種工作間隙僅為0.1 mm 的小型磁流變制動器，其力矩質量比達到了6.79 N·mm/g。Wu 等[13]設計一種具有4 層工作間隙的多極多層磁流變制動器，最終制動力矩達到106 N·m。Nguyen 等[14]設計一種鋸齒形工作間隙的盤式制動器，通過多目標優化算法將制動力矩提升到20.2 N·m。王西等[15]設計了一種圓錐式磁流變工作間隙，證明在相同參數下圓錐式磁流變傳動較圓盤式結構能傳遞更大的轉矩。過小的工作間隙可能會帶來磁流變液難以充盈、零場黏度增加等問題，部分學者對可變工作間隙進行研究。Song 等[16]設計并測試一種工作間隙可變的單盤式磁流變制動器，發現0.25 mm 工作間隙下制動力矩較1 mm 時提升1 倍。Chen 等[17]設計了一種利用形狀記憶合金彈簧調節磁流變液工作間隙的盤式磁流變制動器，更能補償由溫升或長期使用等因素引起的扭矩損失，降低能耗。Hu 等[18] 設計了間隙可變的磁流變阻尼器，進一步驗證了可變工作間隙結構能夠有效提高磁流變器件動態性能。

多盤片結構是提高磁流變制動器制動性能便捷的方式之一，是磁流變制動器設計主流。若能結合多盤片和可變間隙2 種設計優點，突破磁流變制動器設計“瓶頸”，可為未來磁流變制動器設計提供新的思路。目前，關于此類磁流變制動器相關研究較少。文中引入楔形盤片，設計一種多盤連續可變工作間隙磁流變制動器，通過靜盤片托架的徑向移動實現多盤片工作間隙的連續調節；再建立該結構制動力矩模型，對制動器在不同工作間隙、不同電流下的靜態電磁場進行有限元分析；最后，基于設計參數制造樣機和試驗臺架，并進行實驗分析。

1 多盤可變間隙磁流變制動器結構與工作原理

多盤可變間隙磁流變制動器結構如圖1 所示，主要由以下4 部分構成：1）制動器外殼體模塊：包含左右端蓋、軸承端蓋、軸承座、外圈和隔磁環等部件，共同構成制動器的外部結構；2）制動發生模塊：包括軸、1 組矩形截面制動盤、4 組楔形截面的動盤片，以及4 組分離式楔形截面的靜盤片、磁流變液和隔環等，其中，動盤片通過鋁合金隔環及對稱布置的平鍵固定在不銹鋼軸上隨軸一起轉動，而靜盤片則通過鋁合金靜盤隔環及不銹鋼子母螺絲固定在靜盤片托架上，可沿著對稱固定在隔磁環的不銹鋼導向塊上下運動；3）間隙連續可變機構：主要由鋁合金靜盤片托架、導向塊、扭桿和鋼絲等組成，這些部件協同工作以實現制動盤片間隙的連續可調；4）其他附件：包括高溫骨架油封、O 形密封圈、螺絲、鍵、溫度傳感器等，選用圓錐滾子軸承減少因楔形盤面設計可能引起的軸向運動。此外，左右殼體上設有注液孔，使磁流變液能夠注入由隔磁環和左右端蓋組成的密閉空腔內，形成完整的制動系統。

在制動器非工作狀態下，勵磁線圈未加載電流，磁流變液維持液態，制動器內部磁場強度為0，磁流變液中的鐵粉顆粒未形成鏈狀結構。此時，制動力主要來源于磁流變液自身的黏性、軸承以及密封結構的摩擦效應。隨著勵磁線圈加載電流，磁流變液中的鐵粉顆粒在磁場的作用下開始沿磁場方向形成鏈狀結構。使得制動器能夠利用磁流變液的剪切屈服應力實現有效制動。通過精細調控電流強度和磁流變液工作間隙尺寸，可實現精確調控制動器制動力矩。

工作間隙的調節原理如圖2 所示。使用1.5 mm 線徑的鋼絲將對稱布置的靜盤片托架和扭桿相連，并用一字機米螺絲將鋼絲與靜盤片托架鎖緊，鋼絲與托架穿孔接觸部分采用不銹鋼保護套進行保護。靜盤片托架之間有藍色矩形彈簧，用于確保托架復位及制動過程中降低震顫。在矩形彈簧中心使用不銹鋼螺紋導銷，確保矩形彈簧在伸縮過程中不會出現彎折。左右對稱布置的扭桿可以順時針或逆時針旋轉，隨著鋼絲纏繞在扭桿上，靜盤片托架被鋼絲拉動沿著導向塊相向或背向運動，靜盤片也隨之運動。在此過程中，楔形截面動靜盤片之間的磁流變液工作間隙逐漸減小或增大。靜盤片托架位移變化范圍為0～3.5 mm，相應的楔形盤面工作間隙變化范圍為0.75～0.25 mm，直面盤面間隙為固定間隙0.5 mm。磁流變液工作間隙可以通過棘輪和棘輪支持塊進行手動調節，也可以通過外接伺服電機進行電動調節。