智能汽车风扇离合器的分析与设计

1、智能汽车风扇离合器的分析与设计第一章 绪论1.1 引言磁流变液(Magnetorheological fluids，MR fluids)和形状记忆合金(Shape Memory Alloys，SMAs)是新型智能材料。本文从分析磁流变液和形状记忆合金力学特性出发，发展一种温度控制的智能汽车风扇离合器的设计理论和方法。磁流变液应用于传动元件是磁流变液发展的一个新方向。智能汽车风扇离合器是依靠磁流变液的剪切应力提供传递力矩的器件，而磁流变液剪切应力的大小是可以通过外加磁场强度来控制的。磁流变液剪切应力随外加磁场强度的增加而增加，外加磁场强度一般由通电线圈产生，改变线圈中的电流大小就能改变外加磁场强

2、度的大小。基于形状记忆合金的温度记忆效应，把形状记忆合金丝设计成形状记忆合金弹簧，应用于智能汽车风扇离合器线圈电流大小的控制装置，从而实现汽车发动机冷却系统的智能化散热。当来自散热器的空气温度达到一定值(如65 )，形状记忆合金弹簧开始伸长，励磁线圈中的电流增大，离合器中的主、从动盘接合，温度越高，形状记忆合金弹簧伸长越长，励磁线圈中的电流越大，传递转矩越大，风扇转得越快；当温度低于65 时，形状记忆合金弹簧恢复到原来的形状，无外加磁场作用，磁流变液表现为牛顿流体，其所能提供的传递力矩很小，离合器主从动盘分离，风扇停止转动。基于Bingham模型，对磁流变液的传力方式进行分析。在合理假设的基础

3、上，根据剪切模式建立智能风扇离合器的设计计算模型。分析形状记忆合金驱动器的驱动力大小及其输出行程与温度的关系。给出几何尺寸的设计计算公式并对其结构进行设计，进一步通过仿真实验验证。为智能风扇离合器的设计提供理论依据，为智能风扇离合器的进一步研究打下基础。1.2 智能材料与结构概述1.2.1 智能材料智能材料又称为敏感材料，机敏材料。智能材料的构想来源于仿生，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此，智能材料为能感知外部刺激(传感功能)、能判断并适当处理(处理功能)且本身可执行(执行功能)的材料1。现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能

4、材料一般由两种或两种以上材料通过有机的紧密复合或严密的科学组装而构成一个智能材料系统。设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计。基于这两种思想，智能材料具有或部分具有以下的智能功能和生命特征2。1) 传感功能，能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。2) 反馈功能，可通过传感神经网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。3) 信息识别与积累功能，能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。4) 响应功能，能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。5) 自诊

5、断能力，能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。6) 自修复能力，能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。7) 自调节能力，对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化做出恰如其分的响应。智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法也有多种，若按功能来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电材料、电(磁)流变液和电(磁)致伸缩材

6、料等。若按来源来分，智能材料可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类；无机非金属系智能材料在电(磁)流变液、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快。高分子系智能材料的范围很广泛，作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃，其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。1.2.2 智能材料结构智能材料结构是将驱动件和传感件紧密融合在结构中，同时也将控制电路、逻辑电路、信号处理器、功率放大器等集成在结构中，通过机械、热、光、化学、电、磁等激励和控

7、制。使智能材料结构不仅具有承受载荷的能力。还具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，包括应变、损伤、温度、压力、声音、光波等，而且还能够动作，具有改变结构的应力分布、强度、刚度、形状、电磁场、光学性能、化学性能及透气性等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断，自适应、自学习、自修复、自增值、自衰减等能力。总的来说，智能材料结构是具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能的结构3。如果将基体材料看成是人体的骨骼，那么智能材料结构就相当于由神经、肌肉、大脑和骨骼组成的系统。智能结构的关键技术包括传感器、驱动器、控制器及其集成4。1)

8、智能传感器。从仿生学来讲，智能传感器相当于智能结构的神经元，负担着感知外界环境变化，收集外界信息的任务。2) 智能驱动器。从仿生学来讲，智能驱动器相当于智能结构的肌肉，它的任务是使智能结构自适应动作，故必须具有较大的肌肉力量，应有较小的滞后效应。目前，常采用形状记忆合金、压电材料、电(磁)流变材料及伸缩材料作为驱动器5。目前，衡量驱动材料优劣的指标见表l.15。表1.1 常用驱动材料性能比较NitinolPZTG-5PVDFPMNTerfernolD2驱动机理形状记忆压电陶瓷压电薄膜电致伸缩磁致伸缩max()20 0001 0007001 0001 000max()8 500350105005

9、80驱动带宽低高高高中形状记忆合金驱动器的优点是可实现多种形式，变形量大，加热驱动时驱动力较大，应变灵敏度高。缺点是响应速度慢，驱动频率带宽一般小于0.1 Hz，难以用于动态控制。应注意的问题是疲劳失效、反应速度、循环周期及使用形状记忆合金的环境温度。近年来，国外已经研制成形状记忆塑料，这将用于智能结构中新的驱动器。3) 智能控制器。从仿生学来讲，智能控制器相当于智能结构的神经中枢(大脑)，控制对象为结构本身。智能结构的控制分为三个层次：局部控制，用加入阻尼或吸收能量来抵消外来干扰；整体控制，如结构整体稳定性控制、形状确定性控制及扰动抑制等；智能控制，结构可以实现自诊断、自修复、自适应、自学习

10、等功能。4) 智能结构集成与设计。智能结构的集成及设计是智能结构的又一关键问题，不仅产生出许多新的数学及力学问题，而且产生出一些新的工程技术问题5。1.2.3 国内外研究现状材料的智能化问题是八十年代初由美国科学家提出的，其最初目的是为了提高其军用飞机的质量可靠性、可生存性和可支持性。随着军事发展需求，美国国家航空和航天管理局NASA、空间研究中心SERC、莱特航空实验室、海军研究署NRD、空军科学研究署AFRD和国家科学基金会，相继投入了大量资金，进行了深入研究，其应用目标也扩展到空间站、潜艇、坦克以及各类武器系统6。智能材料结构的研究，受到美、日、欧洲各国的高度重视，被列为具有战略意义的优

11、先发展领域之一7。日本对智能材料的研究提出了将智能结构中的传感器、驱动器、处理器与结构的宏观结合变为在原子、分子层次上的微观“组装”，从而得到更为均匀的物质材料的技术路线，其研究侧重于空间结构的形状控制和主动抗振控制8-9。此外，在形状记忆合金和高分子聚合物压电材料的研究方面，日本也处于国际领先地位。1989 年日本航空电子-技术审议会提出了从事具有对环境变化作出响应能力的智能型材料的研究，并在其科技发展预测报告中称，将在 2010 年开发出具有识别、传递、输出和环境响应功能的智能材料10。英国的研究涉及智能复合材料损伤监测、结构健康监控、分布式传感器和新型驱动器及其位置优化策略、土木工程结构

12、的安全监测等11。德国宇航研究中心也制定了ARES计划，研究内容包括：自适应结构主动控制技术，传感器和驱动器优化布置，形状记忆合金的物理特性及其在智能结构中的应用等。加拿大在其雷达卫星的合成孔径雷达(SAR)天线结构上采用智能材料，对其形状和振动进行监控。我国对这一新兴学科的研究也十分重视。1991年，国家自然基金会将智能结构列入国家高技术研究发展计划纲要的新概念、新构思探索课题，智能结构及其应用直接作为国家高技术研究发展计划计划(863计划)项目课题，航空基金于1993年起每年都将智能结构列入研究计划项目，此后的资助强度不断加大。目前国内已有一批研究单位在该领域的研究达到国际先进水平，199

13、1年，南京航空航天大学率先成立了智能材料与结构研究所，迄今已在强度自诊断自适应结构3,12、结构损伤检测评估13、光纤传感技术在结构智能化中的应用14，以及利用压电元件对结构进行减振降噪等方面取得了阶段性的研究成果15，并在结构自修复方面也进行了一定的研究16。重庆大学彭向和17等对不同温度下形状记忆合金材料的特性进行了描述；李海涛18等建立了形状记忆合金的一种基于经典塑性理论的两相混合本构模型；西安交通大学在压电层合板、形状记忆合金智能结构等方面作了深入的理论研究工作19；此外，中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、西北工业大学等院校也都从不同角度对智能结构进行了研究，并取得了

14、多项研究成果。智能结构的研究目前经过基础性研究与探索，已在基本原理、传感器研制、驱动器研制、功能器件与复合材料之间匹配技术、智能材料成型工艺技术、智能材料在特殊环境下的性能评价、主动控制智能器件等方面开展了许多工作，取得了较大的突破。并且，已经从基础性研究进入到预研和应用性研究阶段。预计若干年后将出现一批应用智能结构相关技术的国防装备与民用设施。1.3 磁流变液1.3.1 磁流变液研究现状磁流变液是将微米尺寸的磁极化颗粒分散溶于绝缘载液中形成的具有可控流变行为的特定非胶性悬浮液体，其流变特性随外加磁场变化而变化20。在外加磁场作用下，其流体结构和性能会在几个毫秒内迅速变化，表观粘度系数增加两个

15、数量级以上，会变成类似“固体”的状态，一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体21。在磁场作用下，其流变特性表现为Bingham塑性体。磁流变液是由美国学者Rabinow22于1948年发明的一种智能材料。磁流变液主要由以下三部分组成23：磁性颗粒；基础液；添加剂。在外加磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒产生磁极化，是磁流变液产生磁流变效应的核心。磁性颗粒的关键问题是颗粒的制作，通常磁性颗粒所用的磁性材料都属于铁、钴、镍等材料；在人们所知道的大量磁性材料中，可供选择用于制备磁流变液的却只有少数几种：-Fe2O3，CoFe2O4，Ni Fe2O4，Fe3O4， Ni，Co，Fe，FeCo和NiFe合金

16、等。在这些磁性材料中，只有Fe2O4，CoFe2O4，NiFe2O4氧化稳定性较好。目前磁性颗粒制备方法有：粉碎法、共沉法、软化学方法、热分解法、超声分解法和沉积法等，如Papell24在1966年申请专利中介绍了粉碎法，但是该法研磨时间很长、成本过高；程海斌25等人用化学共沉法合成了纳米Fe3O4粒子，与铁粉复合配制了磁流变液，纳米复合磁流变液对温度比较稳定；杨仕清26等人用多元醇软化学方法制备了平均直径为50 nm的Co-Ni超细颗粒，将Co-Ni磁性颗粒与微孔材料通过粘结剂混合研磨，制得复合磁性颗粒，用此颗粒制备的磁流变液具有较高的低磁场敏感特性；Bica27等人介绍了热分解法制造磁流变

17、液，把Fe2(CO)9 容入硅油和硬脂酸的混合溶剂，加热至85 ，Fe2(CO)9分解析出铁超微粒子，铁超微粒子分散于溶剂中，成为磁流变液；Lita28等人用超声分解法分解的FeCrP非结晶的铁磁粉末，然后分散在聚合体的溶液中，制成稳定性良好的磁流变液；Ulicny29等人用无电镀沉积的方法在铁粉末上涂一层镍，在降低粉末的氧化方面取得了很好的效果，但是，无电镀处理过程也降低了铁粉末的饱和磁化和密度。基础液作为磁流变液中磁性颗粒的载体，是磁流变液的重要组成部分，它对磁流变液的性能有重大影响。基础液一般要具有低粘度、高沸点、低凝固点、较高密度、较高的“击穿磁场”、化学稳定性好、无毒、无异味、价格低

18、廉等特点。目前，较常用的基础液是硅油，除硅油外，水、矿物油和植物油等性能稳定的液体也可作为磁流变液的基础液。如Ashour30等人用Mobil公司生产的合成润滑油；Park31等人将羰基铁分散在以水和油混合乳剂为载体，油是矿物油，这种磁流变液的稳定性提高了，又具有较好的流变特性；美国Lord公司32已商品化的型号有：MRF-132DG，MRF-122EG，MRF-140CG、MRF-241ES，MRF-336AG，磁流变液的基础液分别为碳氢化合物、水和硅油。磁流变液中的添加剂在改善磁流变液的稳定性能方面起着很重要的作用，如增强磁流变效应的表面活性剂，防止零磁场时颗粒凝聚的分散剂和防止颗粒沉淀的

19、稳定剂。一般在磁流变液中加入添加剂的主要目的是阻止磁性颗粒集聚。表面活性剂可以提高磁流变液的稳定性，当两个吸附着表面活性剂的磁极化粒子靠近时，伸展在载体液中的亲油基热摆动受阻，表面活性剂就会产生相互排斥的力，阻碍粒子靠近。从50年代到80年代，磁流变液发展一直非常缓慢。进入90年代，随着科技的发展，磁流变液的研究重新得到了重视和发展。美国通用汽车公司Ulicny29等人研究了磁流变液的制备方法；德国BASF公司Kormann33等人研制出稳定的纳米级磁流变液。英国Dundee 大学Wahed34等人研究了在外力作用下磁流变液的性能；法国Nice大学Cutillas35和Bossis36等人对磁

20、流变液的物理机制进行了分析；白俄罗斯Kordonsky37对磁流变液的流变效应和微观结构进行了系统的研究。美国Exxon工程研究公司的Rosensweig38等人研究了磁流变液的静态屈服应力特性；Laun39等人研究了磁流变液的剪切流动；中国香港Jin40等人研究了在外加磁场作用下链弯曲的演化过程；中国台湾Chen41等人磁流变液的磁流变行为。重庆大学的常建、彭向和42、司鹄43等人研究了磁流变液流变特性的测试方；李海涛44等人研究了磁流变液的屈服应力；中国科技大学周刚毅45、金昀46和张先舟47等人研究了磁场作用下磁流变液结构演化及剪切屈服应力、磁流变液相变技术柔性夹具；复旦大学潘胜48等人

21、研究了磁流变液的屈服应力与温度效应；南京航空航天大学翁建生49等人从唯象角度研究了磁流变液的流变力学特性等等。1.3.2 磁流变器件研究现状虽然磁流变理论还有待进一步研究，但是磁流变液的应用研究在工业发达国家已经取得了飞速的发展。磁流变液的应用基础是依据本身具有的特性和流变性可被磁场控制、定位、定向、移动与变形。根据已有的文献，利用磁流变液的磁流变效应的特点，磁流变液可以用于阻尼器、离合器、制动器、抛光装置以及医疗器件等。Bolter50等人分析了磁流变液在阻尼器中流动的模式，有剪切流动、压力驱动流动和挤压流动。Wereley51等人采用了一组不同的无量刚参数建立了磁流变液在两平行平板间流动的

22、平板模型，并计算了压力梯度。Bica52分析了磁流变液流过减振器中同心圆筒组成的环形间隙，在外加磁场下和零磁场下的阻尼力之比。廖昌荣53等人对微型汽车用磁流变阻尼器的设计原理、方法及实验进行了研究；上海交通大学何亚东54、西安交大倪建华55等人研究了磁流变阻尼器在车辆悬架控制中的应用。黄金56-58等人研究了磁流变液在制动器和离合器中的应用，建立了磁流变制动器的设计方法；Li59等人分析了磁流变制动器的原理，建立了磁流变液传递转矩的方程。Yalcintas60分析了磁流变离合器的转矩传递能力， 发现转矩随外加磁场的增加而增大； Bica61等人分析了功率为P=85 W的平行圆盘式制动器在不同外

23、加磁场作用下，转速与功率的关系。美国LORD公司carlson 等人申请了可控制动器62和带调速轮的磁流变制动器的专利63。美国Rochester大学的Lambropoulos64等人研究了磁流变液在光学元件抛光中的应用；Sunil65等人用磁流变抛光液对光学元件表面进行磨削抛光，分析了外加磁场强度对表面粗糙度的影响。Kuzhir66等人分析了磁流变液在多孔介质的阀中的流动，并建立了压力梯度与外加磁场强度的关系。Huang67等人研究了磁流变液在磁流变液阀中两圆筒间隙之间的轴向压力驱动粘塑性流动力学，建立了流量方程。美国LORD公司的Jolly68等人发明了磁流变液手柄，这种手柄可用于不同的工

24、件形状。Kordonski69等人分析了磁流变液密封原理；Liu70等人用磁流变液与溶解的纤维蛋白酶合剂，靠磁场可使药剂由血液流入阻塞的支血管，经淤血区吸到血栓处。美国Lord材料公司的研究人员在磁流变液及应用研究方面还取得了突出成果，如Carson等人对磁流变器件进行了研究，并申请了磁流变阻尼器及减振器、制动器等的多项专利，Lord公司生产的磁流变液材料性能卓越，其应用也非常广泛，如图1.1所示。(a) 磁流变阻尼器(b) 磁流变制动器(c) 磁流变设备控制器图1.1 Lord公司生产的磁流变产品1.4 形状记忆合金1.4.1 形状记忆合金概述 形状记忆合金是指具有一定初始形状的合金在低温下

25、经塑性形变并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect，SME)。“形状记忆效应”的含义是，某些具有热弹性马氏体相变的合金材料，处于马氏体状态，并进行一定限度的变形或变形诱变马氏体后，在随后的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时材料完全恢复到变形前的形状和体积。自从1938年美国的格里奈哥(Greniger)和穆拉迪安( Mooradian)在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变至今，发现具有形状记忆效应的合金至少有5：1) Ti-Ni，Ti-Nb，Ti-N

26、i-X( Fe，Co，Cu，Au，Pt，Pd，Ta)；2) Au-Cd，Au-Cu-Zn；3) Cu-Zn，Cu-Zn-Al，Cu-Zn-Sn，Cu-Zn-Ni，Cu-Zn-Si，Cu-Zn-Ga，Cu-Al，Cu-Al-Ni，Cu-Pb-Zn，Cu-Al-Mn，Cu-Al-Si；4) Ag-Cd，Ag-Zn-Cd，Ag-Zn；5) Ni-Al，Ni-Al-Co，Ni-Al-Ga，Ni-Al-Ti；6) Co，Co-Ni；7) Fe-Ni，Fe-Ni-Co-Ti，Fe-Mn，Fe-Mn-C，Fe-Mn-Si，Fe-Mn-Si-Ni (Cr)，304型不锈钢和Fe-Pt等。1951年美国的程(C

27、hang)和里德( Read)71在Au-Cd合金的研究中亦发现热弹性马氏体转变，但该合金的价格昂贵，难以应用。直到1962年，美国海军军械研究所的比勒( Buehler)72发现了NiTi合金中的形状记忆效应，才使得形状记忆效应得到广泛的应用。1969年，Raychem公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14战斗机上；1970年，美国将NiTi记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。20世纪70年代，相继开发出了Ni-Ti基、Cu-Al-Ni基和Cu-Zn-Al基形状记忆合金；80年代开发出了Fe-Mn-Si基、不锈钢基等铁基形状记忆合金，

28、由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。从20世纪90年代至今，高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究的热点73。形状记忆合金作为一种集感知和驱动为一体的功能材料具有重要的理论及实际应用研究价值。目前形状记忆合金研究论文数目已位居马氏体相变研究领域之首，而且该材料的应用已涉及诸如电子、机械、能源、宇航、医疗及日常生活等领域，显示了极强的发展势头。1.4.2 形状记忆合金的特性形状记忆合金与一般金属的力学特性有很大区别，当应力不大时，处于马氏体状态的合金就可发生相当大的形变。卸去外力后，试样保留“塑性”伸长8%10%。若将试样加热到Af以上，逆转变便使试样回复初

29、始形状。在晶体材料中，形状记忆效应表现为：当一定形状的母相样品由Af以上冷却至Mf以下形成马氏体后，将马氏体在Mf以下变形，经加热至Af以上，伴随逆相变，材料会自动回复其在母相时的形状，如图1.2所示。当马氏体变形后经逆相变，能回复母相形状的称为单程形状记忆效应；有的材料经适当“训练”后，不但对母相形状具有记忆，并且在再度冷却时能回复马氏体变形后的形状，称为双程记忆效应74。(a) 单程记忆(b) 双程记忆>Af<Mf<Mf<Mf<Mf>Af图1.2 形状记忆合金弹簧演示的记忆单程记忆是指加热到Af以上，伴随马氏体逆转变发生形状回复的现象，显示出记忆热状态下

30、形状的能力，如图1.2(a)所示。在低于Mf时，把压紧弹簧拉长；当将其加热到Af以上时，弹簧就会收缩到原来的形状；当弹簧温度再次冷却到低于Mf时，压紧螺旋弹簧并不改变形状。它通常用于一次性抱合和连接的紧固件、连接件和密封垫。在低温时把需要连接的部件配合在一起，温度升高到Af时就会记忆原来形状，把它们牢牢地抱合在一起。这种连接可靠、牢固，适用于空间很小、常规情况下难以连接的地方，操作时也省时省工。双程形状记忆如图1.2(b)所示，加热温度超过Af时，压紧弹簧伸长；冷却到低于Mf时，它又自动收缩。再加热时，再次伸长。这个过程可以反复进行，弹簧显示出能分别记忆冷和热状态下原有形状的能力。双程形状记忆

31、需要对合金进行一定训练后才能得到，也就是把记忆合金制作的元件在外加应力作用下，反复加热和冷却。当合金加热，恢复到它原来形状时，即可输出力而做功。通常可用这种合金的双程记忆效应，配上偏置弹簧制成各种驱动器。双程记忆效应需经过一段训练才能得到。训练方法有两种，用其中一种或两种并用均可。第一种方法是在Ms以上反复形变，即反复形成应力诱发马氏体(Stress-Induce Martensite，简称SIM)。卸去外力后，试样内部形成的应力状态使Ms以下的马氏体相变产生选择性，造成某些变体易于形成，另一些变体则不出现，在母相转变成马氏体时，也会伴有显著形变。这样，正向和逆向转变都伴有定向的形变，就获得双

32、程记忆。第二种方法是形状记忆合金循环法(SME )。首先淬成马氏体，然后外加应力变形，再加热发生逆转变就会并恢复原来形状，如此反复处理多次，这样也可获得双程记忆。若把SIM和SME联合使用会得到更好的效果。为了达到100%的可恢复率，应变量应限制在3%-9%之间，具休数值取决于不同的合金。实验表明，之所以有双程记忆效应，是因为合金中存在着方向性的应力场或晶体缺陷。相变时，马氏体容易在这种缺陷处形核，同时发生择优生长。除了上述两种形状记忆效应以外，在某些形状记忆合金中还发现有全程形状记忆效应( All-round Shade Memory，简称ARSM )75。富Ni的Ni-Ti合金76经过特殊

33、处理具有的形状恢复现象称为全程形状记忆效应，它属于双程形状记忆效应的一种。图1.3所示即为一例全程记忆效应。图中试样为0.3 mm厚的Ni-49Ti(at.%)合金薄板(图1.3 (a)。薄板在约束下进行如下热处理：将其置入直径为20 mm的铜管内约束处理(如图1.3 (b)所示)，使其变形为环形；然后在773 K进行热处理以固定这一形状。如图1.3 (c)所示，当热处理后的试样从铜管中取出置于沸水中(373 K)，此时温度高于RB2相变结束温度Af(接近室温)；环形试样的直径比在铜管中时略大。将试样从沸水中取出空冷，形状自然变化成图1.3 (d)所示的形状。(c)和(d)之间的自然形状变化与

34、B2R相变有关，而且温度滞后非常小。当试样进一步冷却时，试样先变平然后向上成环形。图1.3 (e)为低于Mf(213 K)时的形状，可见它与(c)中373 K时的形状正好相反。由(d)到(e)的形状改变与RB19相变有关，与B2R相比温度滞后大。从(c)到(e)的形状变化是可逆的。如图1.3 (f)所示，当试样加热到Af温度以上时，图1.3 (e)所示的Mf以下向上弯曲的环翻转成向下弯曲，同时当加热到Af以上时，试样将完全恢复到原来向下弯的形状，见图1.3 (g)。当再次冷却到Mf以下时，试样再次恢复到向上弯曲的环形，如图1.3 (h)所示。值得注意的是，只有Ni的原子含量不小于50.5%的合

35、金且又经过时效，才能具有这种效应。因为时效析出的是透镜状的Ti3Ni4相，它们在奥氏体基体中能产生不同方向的约束应变。50 mm(a)(b)(f)(c)(d)(e)(g)(h)773 K> Af<Mf<Mf<Mf> Af> Af图1.3 Ni-49Ti(at.%)合金全程记忆效应当发生两个阶段马氏体相变(B2相 R相 M相)时，R相开始在Ti3Ni4沉淀相表面生成，同时M相(包括R相)将沿沉淀相的方向择优形成，使得内外层分别发生不同取相的马氏体相变。所以冷热循环过程中，试样内外层分别发生不同取向的可逆相变，导致全程形状记忆效应的出现77。1.4.3 形状记忆

36、合金的应用形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。1) 航空航天工业中的应用形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。由于直升飞机高震动和高噪声使用受到限制，其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小偏差。这就需要一种平衡叶片螺距的装置，使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器，它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动降到最低。还可用于制

37、造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金在高温环境下制作好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。2) 工业应用a) 利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。1969年，NiTi合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用。人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金，在高于其转变温度

38、的条件下，做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管(作接头用)，然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的外径一样大，当达到转变温度时，接头就自动收缩而扣紧被接管道，形成牢固紧密的连接。美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了一种NiTi合金接头，从未发生过漏油、脱落或破损事故。b) 外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。c) 内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。d) 超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。3) 医学应用用于医学领域的Ni

39、Ti形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。4) 汽车业的应用形状记忆合金在汽车的散热器散热活门、冷却风扇离合器、汽车轮胎防滑钉、雾灯罩自动开闭装置、手动变速器、电磁阀、发动机等都有或即将有很大的应用。5) 其他方面的应用在工程和建筑领域用NiTi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个

40、新的应用领域。随着薄膜形状记忆合金材料的出现和开发利用，形状记忆合金在智能材料系统中受到高度重视，应用前景十分广阔。1.5 本文研究的主要内容根据磁流变液在外加磁场作用下产生磁流变效应的特点，分析磁流变液剪切传力工作模式，采用圆柱坐标建立相应的数学、力学模型，利用非线性连续介质力学、计算力学、电磁学和机械学等学科的理论和方法，分析磁流变传递的原理，并建立激励温度与励磁电流及传递力矩之间的关系式，确定离合器结构尺寸，最终采用仿真软件对设计计算结果进行验证。研究内容主要包括：1) 磁流变液和形状记忆合金研究现状分析；2) 磁流变液和形状记忆合金的力学特性分析；3) 智能汽车风扇离合器理论分析；4)

41、 智能汽车风扇离合器设计方法研究；5) 智能汽车风扇离合器设计计算；6) 对智能汽车风扇离合器进行仿真分析；7) 智能汽车风扇离合器实验方案建立。第二章 磁流变液及形状记忆合金材料2.1 磁流变液的组成磁流变液主要由以下三部分组成23：磁性颗粒、基础液和添加剂。在外加磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒产生链化作用，是磁流变液产生磁流变效应的核心。基础液添加剂磁性颗粒图2.1 磁流变液的组成磁性颗粒的关键问题是颗粒的制作，目前磁性颗粒制造的主要方法有：共沉法、热分解法、超声分解法和沉积法等。2.1.1 磁性颗粒磁性颗粒一般呈球状，直径尺寸在 110 m左右，一般选择羟基铁粉，羟基铁通过分解Fe(C

42、o)5 而得到，这样可以使生产出的球型微粒不致减少，且效果不错。该微粒性能稳定，可以压缩。在外加磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒产生链化作用，是磁流变液产生磁流变效应的核心。在人们所知道的大量磁性材料中，可供选择用于制备磁流变液的却只有少数几种：-Fe2O3，CoFe2O4，NiFe2O4，Fe3O4，Ni，Co，Fe，FeCo和NiFe合金等。在这些磁性材料中，只有Fe2O4，CoFe2O4，NiFe2O4氧化稳定性较好。根据磁流变效应机理研究结论，磁性颗粒具有以下特点： 通常磁性颗粒的所用的磁性材料都属于铁、钴、镍等材料； 磁性颗粒的材料的饱和磁化强度为0.210.24 Tesla； 磁性

43、颗粒的形状为球形，直径一般为10-710-5 m； 磁性颗粒的体积分数一般为10%40%。2.1.2 基础液基础液的作用是将固体颗粒均匀的分散在磁流变液中，这种分散作用能保证在零磁场时，使磁流变液仍保持Newton流体的特性；而在外加磁场作用下，则能使固体颗粒在液体中形成链化结构，产生抗屈服应力，并使磁流变液呈现Bingham流体的特性，对基础液的要求如下：1) 具有低粘度，在满足磁流变液器件所传递的功率条件下，为了使其所用磁流变液的体积少，应确保磁流变液具有零磁场粘度低的要求。2) 具有高沸点和低凝固点，以确保磁流变液有较宽的工作温度范围为-50 150 ，在此温度范围内工作中，磁流变液不挥

44、发，不凝固。3) 具有较高的密度，为了减小磁流变液沉降问题，应缩小载体液与磁极化粒子的密度差。4) 具备较高的“击穿磁场”，增加工作时的磁场强度，能提高磁流变液的磁流变效应。5) 化学稳定性好，在高磁场强度和高工作温度范围内，长期使用和存放时，不分解，不氧化变质。6) 无毒、无异味、价格低廉。目前，较常用的基础液是硅油，油是一种合成润滑油，它是一些半有机硅的聚合物或共聚物，其优良性能表现为：1) 粘-温性能好，润滑油粘度受温度影响的程度用粘度指数(VI)表示，VI越大，表明粘度随温度的变化越小，硅油的VI在170以上。2) 凝点低，凝点的高低直接影响磁流变器件在低温下的起动性能，硅油的凝点为-

45、70 。3) 氧化稳定性好，抗酸性化合物，对塑料、橡胶和油漆不起膨化作用。4) 热稳定性好；5) 具有抗“磁击穿”特性。但是，硅油的缺点是润滑性差，润滑性是指润滑油中的极性分子与金属表面吸附形成一层边界油膜，按边界油膜形成机理，边界油膜分为吸附膜(物理吸附膜及化学吸附膜)和反应膜，润滑油中脂肪酸的极性分子牢固地吸附在金属表面上，就形成物理吸附膜。润滑油中分子受化学键力作用而贴附在金属表面上所形成的吸附膜则称为化学吸附膜。吸附膜的吸附强度随温度升高而下降，当达到一定温度后，吸附膜发生软化、失向和脱吸现象，从而使润滑作用降低。润滑性越差，油膜与金属表面的吸附能力越差，对在低速和重载条件下工作的磁流

46、变器件，润滑性具有重要的意义。为了改善硅油的润滑性能，可采用如下办法：a) 在硅油中加入油性添加剂。b) 与其它润滑油混合使用，例如在硅油中加入双脂，可提高硅油的润滑性能。除了硅油外，水、矿物油和植物油等性能稳定的液体也可作为磁流变液的基础液。2.1.3 添加剂为改善磁流变液的性能而加入添加剂，如增强磁流变效应的表面活性剂，防止零磁场时颗粒凝聚的分散剂和防止颗粒沉淀的稳定剂。利用下列方法之一可以确保磁流变液的稳定性：1) 粗分散小体积分数(<10%)的磁流变液可通过引入凝胶形成的附加剂，即在铁磁颗粒外表面形成保护性的胶体结构实现稳定化。该结构的强度应能阻止磁性颗粒的沉降和凝聚。此外，该结

47、构的强度也应能承受在外磁场中的可逆触变转变而不致破坏。作为这种稳定剂的一个例子可使用包含有超细颗粒的无定形硅粉即硅凝胶。该粉末有一个大的表面积(100300 m2/g)。每个颗粒是高度多孔的且包含有可吸收大量液体或蒸汽的孔面积。铁磁分散颗粒在力学上可通过硅凝胶的表面结构来支撑且可均匀分散在载液中。2) 细分散高体积分数(25%左右)的 磁流变液 可通过引入表面活性剂促使铁磁颗粒形成凝胶的空间结构从而实现稳定化。离子键的表面活性剂(如油酸)可用来实现团聚稳定。2.2 磁流变效应2.2.1 磁流变效应机理及特征磁流变效应是指磁流变流体在磁场作用下，流体的表观粘度发生了巨大的变化，甚至在磁场强度达到

48、某一临界值时，流体停止流动而达到固化，并具有一定的抗剪切能力，还表现出固体所特有的屈服现象。在外加磁场作用下，磁流变流体的磁极化是产生磁流变效应的原因。首先磁流变效应是由磁场作用引起的，此外磁流变流体的变稠和产生抗剪屈服现象，也是由于磁场引起的作用力形成的。整个磁流变效应的发生过程是：磁场作用下分散相颗粒发生磁极化形成偶极子现象带有偶极矩的颗粒产生定向运动(伴随着能耗)颗粒在磁力的作用下定向排列颗粒从无序随机状态到有序化、成链、成束或形成某种结构对外呈现明显的磁流变效应(即表观粘度增大、凝固以及呈现剪切屈服应力)，如图2.2所示。图2.2 磁流变效应机理H(1) 无磁场时，颗粒无规律分布(2)

49、 强磁场H时，颗粒成柱状链图2.2 磁流变效应机理H(1) 无磁场时，颗粒无规律分布(2) 强磁场H时，颗粒成柱状链在磁场作用下固体颗粒的磁极化是产生磁流变效应的主要因素。磁流变效应作为一种特殊的物理现象，一般具有以下特征：1) 在加磁场的作用下，磁流变液的表观粘度可随磁场强度的增大而增大，甚至在某一种磁场强度下，停止流动或固化，但当外加磁场撤除后，磁流变液又恢复到原始的粘度，即在外加磁场作用下，磁流变液可在液态和固态之间转换。2) 在外加磁场作用下，磁流变液由液态至固态之间转换是可逆的。3) 在外加磁场作用下，磁流变液的屈服强度随磁场强度的增大而增大，直至固体颗粒达到磁饱和后趋向于某一稳定值

50、。 4) 在外加磁场作用下，磁流变液的表观粘度和屈服强度随磁场强度的变化是连续的和无级的。5) 在外加磁场作用下，磁流变液的表观粘度和屈服强度随磁场强度的变化是可控的，这种控制可以是人控的或自动的。6) 磁流变效应的控制较简单，它只需要应用一个极易获得的磁场强度信号即可，可以利用磁感应线圈通过调整电流大小来控制。7) 磁流变效应对磁场作用的响应十分灵敏，一般其响应时间为毫秒(ms)级。8) 控制磁流变效应的能量低，即液态和固态间的相互转换，不像物理现象中的相变要吸收或放出大量的能量。磁流变效应的上述特征是发展磁流变液在工程技术领域中应用的科学依据，在充分利用这些特征的基础上，就能够开发一系列性

51、能优良、价格低廉、有市场竞争能力的磁流变器件新产品。2.2.2 影响磁流变效应的因素影响磁流变效应强弱的主要因素有以下因素： 外加磁场的磁场强度在没有外加磁场作用时，磁流变液无屈服应力；在外加磁场作用下，磁流变液具有一定的屈服应力，并且屈服应力随外加磁场的增加而增加，这种现象被认为是磁流变效应的主要标志。 颗粒的磁饱和强度Carlson78等人利用偶极子相互作用模型描述了磁流变液特性，建立了流变性能与悬浮相微粒饱和磁化强度的关系式， (2.1)式中，为磁流变液的剪应屈服应力，和分别为悬浮相微粒的平均磁化强度和体积分数，为应变量，为介质相对磁导率，h为单链中微粒间隙宽度。该模型考虑了随外磁场增加

52、伴随微粒的磁化饱和产生的磁非线性问题，能够用来评价磁流变体材料的磁学性能和力学性能。同时，利用所提供的微粒网内磁通密度分布机理对上述模型进行扩展，建立了复合流体的平均磁通密度与外磁场强度的关系式(2.2)及磁化强度的关系式(2.3)分别如下 (2.2) (2.3)式中，为磁流变体的平均磁通密度，是磁极化率，为悬浮相微粒饱和磁化区和未饱和磁化区的比值，可作为B的函数来求，为悬浮相微粒饱和磁化强度。由式(2.1)可知剪应屈服应力与成正比，即选择高饱和磁化强度的悬浮相可提高屈服应力值，这与Ginder79等人的研究结果相一致。当悬浮相微粒磁化饱和后，剪切应力随磁场强度H的增大变缓。随悬浮相体积分数的

53、增大，剪切应力虽有较大幅度的增加，但同时会带来零场粘度的增大，屈服应力下降。 磁流变液的磁化率固体颗粒的磁化率是影响磁流变液剪切应力的另一个重要影响因素，不同的颗粒材料具有不同的磁学特性，其在不同磁场强度下的磁化率也会不同，导致磁流变材料的宏观特性也会不同。剪切应力随着磁化率的增加而增加，在磁化率较小时，增加的较快，在磁化率较大的情况下，增加的幅度不是很明显。要得到具有良好磁流变效应的磁流变液，应该选用磁化率对磁场强度敏感的材料做悬浮项颗粒。 颗粒体积百分数固体颗粒的浓度对磁流变效应有明显的影响，随着固体颗粒体积百分率的增大，相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大。实验发现，当介质百

54、分率大于30%时，磁流变液易出现沉淀，将影响材料的磁流变效应。固体颗粒的浓度是指作为分散相的固体颗粒在磁流变体中所占的体积比。固体颗粒在磁场作用下磁极化，在两极间形成贯通的磁链，当固体颗粒数目较多时，更可在磁链基础上集聚成柱或网状结构，因而增加了磁流变体的黏度和阻力，甚至固化，具有明显增强屈服应力，亦即增强磁流变效应。体积百分数越大，由于分散相的固体颗粒数目多，形成的磁链也多；同时，体系的相对磁导率和磁极化率就越大，其磁流变效应就越强。因此，一般认为体积百分率越大，则磁流变效应越强。大量的实验表明，为了获得理想的磁流变效应，体积百分率应有一个合理的范围。因为，当体积百分率较低时，固体颗粒数目有

55、限，在磁场作用下磁极化形成的磁链数目少，因而磁流变效应不明显。同时，体积百分率越低，进入明显磁流变效应所需的场强越高，甚至达到固体颗粒磁饱和场强。因此，体积百分率不能过低，一般不小于10%。此外，体积百分率也不能过高。因为，对于任何一个两相的悬浮液来说，当体积百分率过高时，会有一个结构上的突变，即由无序的固体颗粒逐步形成一种三维的网状结构，液体终止流动呈现固化特征，且伴随黏度和剪切屈服应力的增加。磁流变流体也具有这一特性，即在零场时，当体积百分率达到某一数值，固体颗粒也形成网状结构，出现固化状态。如果作用一个外加磁场，一般不会出现固体颗粒重新成链和成网的现象，只是可以强化已有的结构，因此磁流变

56、效应不是很明显。此外，即使外加磁场使磁流变效应有所增加，当零场时就有了较高的表观黏度和剪切屈服应力，在外加磁场作用下，黏度和剪切屈服应力的变化幅度将很低，对要求有较大调节应力和黏度范围的工程应用项目是不利的。其次，体积百分率过大，磁流变流体易出现严重的沉淀和板结，这将影响磁流变流体的工作效率。大量的实验表明，体积百分率的最佳范围大致在15%30%之间。 温度温度对磁流变液的影响主要来自两个方面，即温度对颗粒热运动的影响和温度对磁性颗粒磁极化(主要是磁极化率)的影响。温度的升高对磁流变效应是增强还是减弱，主要决定这两方面的影响孰强孰弱。温度越高，颗粒的布朗运动越剧烈，颗粒在外加磁场作用下的成链越

57、困难，磁流变效应就会减弱。此外，对液体本身而言，其粘度随温度升高而有一定程度的降低。实验研究证明，屈服应力在温度20 150 范围内变化很小。 悬浮相尺寸固体颗粒的大小对磁流变效应有显著的影响。随着固体颗粒直径的增加，相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大，亦即磁流变效应相应增强。固体颗粒的大小，对磁流变效应的影响主要是由于颗粒在磁场作用下，颗粒间相互作用的磁力使得颗粒沿磁场方向形成磁链。颗粒半径r越大，两颗粒之间的场致磁力就越大，颗粒所成链的强度越大，具体则表现为磁流变效应越强；此外，颗粒尺寸越大，所要求产生明显磁流变效应的磁场场强越低，即越容易产生明显的磁流变效应。然而，颗粒尺寸过大，布朗运动所起的作用减小，颗粒在基础液