智能型ERF汽車制動器應(yīng)用研究

楊坤全　陳伯豐　葉海平

摘要：液壓式汽車制動器存在很多缺點。文章根據(jù)電流變液體的特性，研究了一種制動汽車傳動軸動力的制動器，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)力進行計算分析，同時利用LABVIEW軟件對該制動器的制動效果進行仿真分析。

關(guān)鍵詞： 液壓式汽車；電流變液體；制動器；屈服應(yīng)力；傳動軸動力 文獻標識碼：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，容易與計算機結(jié)合實現(xiàn)自動化控制。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)用于振動中的阻尼無級調(diào)節(jié)和控制，傳動中轉(zhuǎn)速、扭矩和力的無級調(diào)節(jié)和控制，以及液體傳動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)用于汽車制動系統(tǒng)，設(shè)計一種制動整車傳動軸動力的電流變制動器。

1 電流變制度裝置的工作原理

圖1 圓筒式電流變制動裝置的工作原理圖

電流變制動裝置是利用電致屈服應(yīng)力受電場控制這一特點來實現(xiàn)的，從動力的傳動方式看，電流變液體制動器的基本結(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的，此制動裝置可實現(xiàn)傳動中主、被動部分的動力中斷，通過電致屈服應(yīng)力的調(diào)節(jié)可實現(xiàn)傳遞轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)或?qū)崿F(xiàn)對運動部件的平穩(wěn)制動。本文以同心圓筒結(jié)構(gòu)形式來說明電流變制動裝置的工作原理，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，圓筒B與汽車轉(zhuǎn)動軸C聯(lián)接在一起，在實際中圓筒B隨著傳動軸C做同步轉(zhuǎn)動，圓筒A和B的長度都是L，且兩端用絕緣材料密封，此時若在圓筒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，進而也使固定在圓筒B上的傳動軸C產(chǎn)生減速或制動。為便于研究，本文假設(shè)：（1）電流變液體為不可壓縮，其運動是層流且是穩(wěn)態(tài)的，即連續(xù)性方程和運動方程中所有對時間的導數(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：電場強度（v/m）；U：加載的電壓。

因為電流變液體在無外加電場時表現(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。

顯然對傳遞的轉(zhuǎn)矩有重大影響，但在設(shè)計過程中，當結(jié)構(gòu)完全確定后，這些參數(shù)可認為是一些常數(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為常值時扭矩

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

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扭矩成為可能。同時在施加電壓保持不變的情況下，制動扭矩與兩圓筒間隙大小成反比，且與L成正比，因此在設(shè)計電流變制動裝置時必須考慮結(jié)構(gòu)尺寸因素對所傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。由以上分析可知，電流變制動裝置的工作原理實際上是通過改變施加在電流變液體上電壓的大小，進而實現(xiàn)輸出制動力矩的控制，從而達到期望的制動效果。

2 電流變汽車制動裝置設(shè)計

2.1 ER汽車制動器位置布置

不考慮其他因素影響，把整車重量和制動力均勻分配到各輪上，則兩前輪的制動裝置將分別承受整車的1/4重量和制動力，安裝在傳動軸上制動兩后輪的電流變制動裝置將承受整車的1/2重量和制動力。本文將以制動兩后輪的電流變制動裝置為研究對象，具體車上位置布置如圖4所示：

圖4 電流變制動裝置的安裝位置

1.左前輪制動器；2.發(fā)動機；3.右前輪制動器；4.離合器；5.變速器；6.傳動軸；7.傳動軸電流變制動器；8.主減速器；9.差速器；10.半軸。

2.2 ER制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳動軸電流變制動裝置結(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與傳動軸1固定在一起，隨傳動軸一起轉(zhuǎn)動；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；由于電流變效應(yīng)產(chǎn)生的制動力矩將阻礙傳動軸的轉(zhuǎn)動，從而達到制動的目的。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 制動器ER屈服應(yīng)力的計算

以馬自達（Mazda）牌運動轎車為例，計算電流變制動裝置實現(xiàn)制動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，制動減速度=5.8m/s2，主減速傳動效率η=0.97。本文以傳動軸制動裝置為研究對象，對其電流變液產(chǎn)生的屈服應(yīng)力要求做進一步計算。

由設(shè)計可知L3=0.185m，R3=0.061m，則：

由上述計算可知，只要電流變液的屈服應(yīng)力能達到77.8kPa，傳動軸電流變制動器就能達到1/2整車制動的扭矩要求，而由文獻可知，目前研發(fā)出來的電流變液的最大屈服應(yīng)力已達到130kPa，因而此設(shè)計方案滿足轉(zhuǎn)動軸制動時制動力矩的要求。

3 制動性能仿真分析

汽車制動時，制動器直接對車輪產(chǎn)生作用，而車身在慣性力作用下，速度降得比較慢，但隨著制動器對車輪進行制動，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器進行仿真分析，分別對傳動軸電流變制動裝置的電流變液加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，當加在電流變液上的電壓為1kV時，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，車輪抱死的時間越來越短，當電壓加到4kV時，車輪6.8s的時候就抱死了。由此可驗證電流變液用于制動器上的制動效果比較明顯，在實際中具有一定的應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

將電流變技術(shù)應(yīng)用于汽車制動系統(tǒng)，這可以解決原本汽車制動系統(tǒng)由液壓產(chǎn)生制動力所帶來的一系列缺點，諸如液壓制動信號會滯后、剎車會出現(xiàn)打腳等現(xiàn)象，但電流變液體的性能是阻礙此項技術(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性能等，都將是今后電流變液體研制的核心。隨著社會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，對汽車制動器的要求也越來越高，而電流變技術(shù)是一項新興的科學技術(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軸制動的形式應(yīng)用于汽車制動系統(tǒng)是一種新型的制動模式，這將對今后汽車制動器的發(fā)展以及電流變技術(shù)在汽車制動器上的應(yīng)用提供一個理論參考。

參考文獻

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基金項目：漳州職業(yè)技術(shù)學院科研計劃資助項目（項目編號：ZZY1418）。

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

（責任編輯：陳 倩）