电流变技术在履带车辆设计中的应用研究

电流变技术在履带车辆设计中的应用研究

中图分类号：tm 文献标识码：a 文章编号：1007-0745（2008）06-00

摘要：概述了电流变现象和电流变液的机理及材料的研究近况，介绍了电流变液的工程应用现状。详细讨论了电流变技术在履带车辆动力传递，制动，减振等方面的应用，对关键的技术问题进行了探讨。

关键词：电流变车辆传动减振

1、电流变效应

1949年美国人winslow首先发现一种液体在电场作用下会产生显著的变化，其粘度及抗剪切力可比无电场下增大几个数量级，液体呈现凝固状态，使不能剪切的液体产生屈服现象，并具有明显的屈服应力。这种变化的转变时间极短，响应时间一般在毫秒量级，变化是无级连续的并且可逆，变化还可由外加电场实时控制。这种液体就称为电流变液(erf)。电流变液(erf)在外加电场下在毫秒内可以从液态材料转换到固体状态的现象称为电流变效应(er效应)。通俗的理解是指电流变液的表观粘度发生了巨大的变化，甚至在电场强度达到某一临界值时，液体停止流动而达到固化，并具有保持流体自身形状或具有一定抗剪切能力，还表现出固体所特有的屈服现象。在电场撤去后，电流变液又能恢复牛顿流体特性。

一般来讲，电流变液是由作为分散相的微纳尺度的固体颗粒和作为分散介质的液体以及适当的添加剂组成的悬浮液组成。电流变液

的分散相为能够产生极化的介电颗粒，分散介质为绝缘液体。电流变效应的机理可以用分散相在外加电场作用下，在分散介质中形成链状结构来解释。由于电场的作用，分散相颗粒产生极化，异性电极相互吸引导致颗粒沿场方向排列，形成纤维状结构。异性电极之间的引力从微观上决定了颗粒链的断裂强度，从宏观上决定了电流变的强度。这种引力的大小决定于分散相、分散介质的特性，外加场的强度和频率，以及环境温度等等。电流变液作为一种重要的人工智能材料和高效机电一体化中非常有潜力的智能流体，被认为是有可能使诸如交通工具、液压设备、机械制造业、机器人工业、传感器技术等许多领域引起革命性的创新和带动某些工程技术的一种新型智能材料。目前这一技术在车辆工程中已开始进入应用研究，主要用于离合器、减振器，阻尼器等。

2、电流变液基本原理

电流变液(elctrorheological fluid)是用不导电的母液和不均匀分布在其中的固体电介质颗粒所制成的悬浮体。电流变液是种可控液体，在外电场作用下，其液体粘度可在几毫秒内随外电场变化而在较大范围内快速从自由流动状态变为粘稠态或从粘稠态变为自由流动状态，其过程可控可逆。对大多数电流变液来说，在没有外加电场的作用时，其粘度较低，表现为牛顿流体的力学特性，在流动时其剪切应力与剪切速率成正比，即：

当施加外加电场后，流体的力学性能发生明显的变化，电流变液体变成粘塑体，只有当剪切应力大于屈服应力时，液体才会流动，

液体呈现出屈服应力，此时的液体是一种宾汉(bingham)流体，其方程符合bingham模型。假设外电场为时，根据宾汉(bingham)理论，电流变液的剪切应力可由以下公式近似得出式中是液体摄氏温度；是电流变液静态材料屈服剪应力；是剪应变速率为零时的电流变液材料的粘度系数；是剪应变速率。传统的电流变液剪切强度较低，大约10。最近研究成功具有巨电流变液ger(giant electrorheologica1)效应的纳米颗粒电流变液流体由表面包裹有尿素薄层的纳米颗粒与硅油混合而成，其电流变效应远远突破了通常理论所预测的“上限”，剪切强度可超过130，比现有电流变液高一个量级以上，其剪切强度与外加电场呈线性变化关系，而非通常的二次方关系。

3、电流变技术在履带车辆上的应用

根据电流变技术的原理，构成液－机耦合的机制，可以设计出全新的车辆结构。根据这一原理，同样可以设计出新颖的履带车辆传动机构、减震装置、制动装置等。与传统的机械产品相比，具有设计简化、应用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、成本低、易于实现计算机控制的特点。

电流变液的工作模式有3种：流动模式、剪切模式、压缩模式。基于电流变液的液压阀，一般采用流动模式；用于振动控制的器件，如阻尼器，一般采用压缩模式；而用于动力传动的器件，如离合器，一般采用剪切模式。

3.1电流变离合器。电流变技术在车辆上最直接的应用是利用它

在电场下粘度连续变化的特性制造车辆的离合器装置。常见的圆盘式电流变液离合器的结构示意图见图1。左右圆盘分别为主动盘和从动盘，主动盘和从动盘之间充有电流变液。当外加电场为零时，主动盘不会带动从动盘转动，离合器处于半离状态，切断了动力；当电压逐渐增加时，电流变液的粘度会随之增加，主动盘开始带动从动盘转动，离合器处于半分离半结合状态，实现了动力的不完全传递；当电压增加到使电流变液粘度达到一定临界值时，主动盘与从动盘转速趋于一致，离合器处于结合状态，从而实现了动力的传递。

整个过程响应时间在数毫秒之内，可由电压的变化进行控制。3.2电流变减振器。筒式电流变减振器是人们研究得比较多的电流变装置，它是利用电流变液的屈服后性质，即屈服应力的可控性，制成各种电流变液的可控器件。电流变减振器可以实时调整阻尼参数，而又不施加能量给被隔振系统，能耗极低，具有一般被动或主动阻尼器无法企及的优点。与传统的筒式减振器相比，从结构上看电流变减振器取消了传统的节流孔以及控制节流孔开度的装置，其阻尼力不只取决于活塞运动速度，而主要通过控制在内外筒间所施加的电压来控制阻尼力的大小。由于在电流变减振器中不设置节流面积可变的节流阀，其抗机械磨损性能大大提高。此外，电流变减振器在一定的工作温度范围内有较快的响应速度。试验研究表明，在最佳的工作温度范围内，电流变减振器的性能调节响应速度可以达到5ms或更小，从控制的角度看，减振器只需电压信号即可控制

阻尼，动态响应快、能耗低，完全可以满足履带车辆主动悬挂系统的实时阻尼控制要求，是替代传统减振器的最佳选择。电流变液阻尼器基本原理如图2所示，当活塞与缸体产生相对运动时，活塞挤压电流变液，使其压力增高，活塞两侧产生压力差，该压力差使电流变液通过缝隙流向刚体中活塞的另一侧。当在活塞和缸体的缝隙加上电场后，由于缝隙中电流变液固化，发生粘塑性流动，使活塞与缸体相对的阻尼力增加。

3.3 电流变悬置装置

发动机是履带车辆内部主要的振动噪声源，利用电流变技术的发动机液力悬置能很好的解决这一问题，其实体结构示意图如图3所示。当承受来自发动机的外部激励力的作用时，橡胶主簧发生变形，使得上下腔中的电流变液体经过阻尼孔流动。在电场作用下，通过阻尼孔的电流变液体将变稠，流动变得困难，此时悬置的阻尼和动刚度都会增加，而且随着电场的增大，电流变效应越为明显。利用可控高压电源，控制阻尼孔两侧电极的电场强度，可以用来无级凋节电流变液力悬置的阻尼力的大小，从而达到减振的效果。

4、存在的技术问题

我们知道，驱动履带车辆需要的扭矩是很大的，这是履带车辆有别于其它车辆的重要特征。扭矩的传递要靠剪切应力，所以制约电流变液在履带车辆传动系统中应用的主要因素是所允许的最大剪

切应力。目前大多数电流变液的动态剪切应力在15kpa以下，需要进一步提高，用电流变液原理取代传统的机械离合器的关键是剪切