低成本磁流变液制动试验机的设计、制造和试验

摘要

本工作的主要目的是设计一种低成本的磁流变制动器试验机。我们试图通过使用数字弹簧天平来计算扭矩，从而降低了操纵扭矩所需的飞轮和数字凸轮的成本。

关键字

先生的液体;磁路;制动转矩;压力计

简介

磁流变液，是一种聪明的流体材料在外加磁场的作用下，它的表观粘度会发生变化。它由分散在低粘度载液中的微米级可极化颗粒组成。MR流体最初由Jacob Rainbow(1949)在美国国家标准局开发[1］．它们的主要成分包括:载体液、可磁化颗粒和稳定剂添加剂。在外加磁场的情况下，可磁化粒子在磁场线方向上形成链状结构，在施加磁场时，其屈服应力和粘度在几毫秒内发生快速、可逆和可控的变化[2］．在过去的20年里，随着磁流变液的商业开发和悬架、阻尼器、制动器等装置的设计，磁流变液得到了广泛的关注。MR流体操作主要有三种模式，即:剪切模式、阀门模式和挤压模式，具体取决于所需的应用情况[3.-5］．在阀门模式下，也称为流动模式，流体在两个固定壁面之间流动，磁场与流动方向垂直。该模式是线性阻尼器应用的典型模式[6］．挤压模式使流体包含在两个壁面之间，对流体施加压缩力和垂直于壁面的磁场。它主要用于轴承应用。剪切模式主要用于旋转应用，如制动器和离合器，其特点是流体被约束在两个相对运动的壁面之间，磁场垂直于壁面方向，解释为图1所示。各种研究人员设计和测试了磁流变流体制动器，大部分工作在剪切模式。Li和Du实验研究了所设计的盘式磁流变制动器在低速运行时的扭矩特性。他们发现，制动力矩随着磁场或转速的增加而稳步增加[7］．Huang等人提出了圆柱形磁流变制动的理论设计，假设圆盘圆周与充满磁流变流体的电磁铁之间为环形空间，并计算了磁流变流体剪切引起的制动力矩[8］．Assadsangabi在他的工作中提出了一种盘式制动器的设计，该制动器的新磁路使磁通量密度集中在制动器的末端，从而产生更大的制动扭矩[9］．Bydon介绍了Lord MR制动器的结构和操作，该制动器在运行速度为1000rpm时可提供最大5.65 Nm扭矩[10］．Karakoc研究了多盘磁流变流体制动器，并进行了有限元分析，以检查磁流变制动器配置中的磁路和热分布[11］．

为了测试磁流变流体制动器的性能特性，需要设置各种仪器。Sarkar和Hirani开发了一个基于飞轮的磁流变制动实验装置来分析磁流变制动的性能(扭矩特性)，但他们必须使用牛顿运动方程手动计算制动扭矩[12］．由李和杜设计的装置使用液力变矩器来计算制动扭矩，这使得它的成本很高。本文讨论了一种采用数字弹簧天平计算制动力矩的MR流体制动试验机的低成本备选设计方案。

Mr流体制动器试验机的设计

制动装置

为试验装置设计了制动装置。它由一个装在MR流体的圆柱形壳体内的制动转子组成。在关闭状态下，转子在机匣内自由旋转，而在开启状态下(磁场作用下的高粘性流体)，转子的旋转与高粘性流体相反，对转子产生制动作用。这种制动装置可以很容易地应用于与转子连接到其车轮和外壳保持静止相对于车辆的车辆。为了在车辆中施加制动，骑车人可以简单地在一组线圈中接通电流，并在磁流变液存在的区域产生磁场，从而在车辆中产生制动。

作为初步试验装置，设计了一个冗余系统，考虑到高压可达200 Pa，设计安全系数在3 ~ 4范围内。根据上述假设计算得到以下尺寸:

轴-连接到转子

•半径= 10mm

•长度= 300mm

转子-制动外壳内的旋转盘

•外部半径= 60mm

•半径内部= 10mm

•厚度=4毫米

外壳板-外壳组件的一部分

•内径=由于轴承将安装在套管内，因此内径将取决于轴承尺寸和轴直径。

•外径= 120mm

•厚度= 10mm

•槽位置=径向62毫米至80毫米

•槽深= 7mm

•不。螺栓孔=6个

•螺栓孔位置-中心位置= 100mm(径向)

•螺栓半径= 5mm

环-外壳组件的一部分

•内径=125mm

•外径=135毫米

•长度= 20mm

•MR流体入口孔的位置=距离中心40毫米(直径。= 15毫米)。

•1孔用于制动液插入，1孔用于压力表，所有参数均在图2

试验机

这台试验机设计得很好作文磁流变液的变化可以测试其制动性能。该系统由交流电机通过皮带传动驱动制动转子，磁线圈在制动装置腔内产生磁场，数字弹簧秤用于测量制动器外壳因磁流变液腔内圆盘旋转而产生的扭矩。如图3，安装在试验机机架上的电机驱动转子，在不需要制动时，模拟MR Fluid off状态下制动器的正常运行情况。整个制动装置安装在转子轴两端的两个支承轴承上。安装在制动装置两侧的电流线圈通过软铁芯向制动装置提供恒定的磁场。电流到线圈是由电源供应和踏板之间连接，以改变电流输入到线圈。当电流供应时，磁流变液中悬浮的铁颗粒在磁场的存在下形成链，由于这些链也与静态外壳接触，转子受到相反的力。雷竞技网页版这也导致外壳经历扭矩，可以通过连接在外壳和框架之间的数字弹簧天平测量。该扭矩可用于计算给定磁流变流体对给定电流所获得的制动力，还显示图4．文中给出了机器各部件的规格表1．

表1:组件规范。

扭矩的理论计算

如上所述，当踏板被压下时，电流开始流过线圈，导致在腔内形成铁颗粒链。由于这一作用，制动系统的外壳经历一个扭矩，试图使其在圆盘旋转的方向上旋转。但是，弹簧量规，一端连接到外壳，另一端连接到底座，不允许它旋转，因此测量套管的受力。

如果弹簧计测得的力是F牛顿和R₁和R₂是盘的外径和弹簧规端附在机匣上的位置，分别为:

x * R1 = F * R2

R₁—磁盘半径=60mm

R₂-圆盘中心到孔位置的距离= 100mm

x = 1.66 f

因此，通过弹簧天平的读数可以直接计算出圆盘所受的扭矩。

实验与材料

在这项工作中，我们采用了这四个组成部分

•可磁化的粒子:羰基铁粉(SIGMA ALDRICH 12310，纯度99%，平均粒径150 μm)

•基础液:硅油(技术细节)

表面活性剂:四甲基氢氧化铵TMAH(技术细节)

•合成油悬浮液:大豆卵磷脂(技术细节)

研究发现，磁流变液中铁颗粒的含量对转矩的影响很大。因此，在本工作中制备了4个以下组合物的样品:

•mrf1:1: 5%(按体积)铁颗粒，4%大豆卵磷脂，2.75% TMAH和剩余硅油，

•mrf2: 10%(体积)铁颗粒，4%大豆卵磷脂，2.75% TMAH和剩余硅油，

•mrf3: 15%(体积)铁颗粒，4%大豆卵磷脂，2.75% TMAH和剩余硅油，

•mrf4: 20%(按体积)的铁颗粒，4%的大豆卵磷脂，2.25%的TMAH和剩余的硅油。

对于液体的制备，采用以下程序:

采用机械搅拌的方法制备了磁流变液。

•涂布CI颗粒:卵磷脂涂布CI颗粒，机械搅拌60分钟，转速600。

•四甲基氢氧化铵倒入其中，以每分钟600转的速度搅拌90分钟。

•在容器中取出硅油，搅拌，同时逐渐加入涂覆的CI颗粒(5克/10分钟)，然后搅拌6小时。

测试与观察

将上述制备的4个样品逐一填充在空腔内，计算不同电机转速和电流值下的制动转矩。所有实验均在恒定1000rpm下进行。计算不同电流额定值下的多个转矩读数，然后取平均值，以减少系统误差。从实验中得到的数据被绘制在图中图5．

结果及讨论

从实验中进行了计算转矩，在电流为1.2安培、磁场为450高斯、转速为1000转/分时，从MRF- 4试样获得的最大转矩为1.2牛顿-米。对于mrf1和mrf2样品，制动扭矩显示出轻微的线性趋势，这是由于由于振动和其他动态因素，铁颗粒的比例低，因此链的形成不充分。

结论

本工作的主要目的是设计一种低成本的磁流变制动器试验机。我们利用数字弹簧天平来计算扭矩，从而降低了飞轮和数字凸轮的成本。采用一种全新的方法在制动器腔内产生磁场。铁芯被用来集中磁场线，从而可以增加制动扭矩。最后，在实验室制备了不同的磁流变液样品，并将其填充在制动装置中计算制动扭矩。本机可用于比较不同磁流变液的扭矩特性。

参考文献

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