磁流變制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀分析

胡國良，吳禮繁

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013）

傳統(tǒng)的制動器主要采用零件之間的摩擦方式實(shí)現(xiàn)制動，其安全性較高，但摩擦制動存在著零件磨損大、工作壽命短以及噪聲大等缺點(diǎn)，比較難實(shí)現(xiàn)較高平穩(wěn)性和制動可控性的制動要求[1-3]。 磁流變制動器利用磁流變液獨(dú)特的流變特性來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動部件的可控柔性制動，其制動性能可控、能耗低、響應(yīng)較為迅速，便于集成新型控制技術(shù)[4-7]。 其通過控制勵磁電流產(chǎn)生可控的制動轉(zhuǎn)矩來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式摩擦制動，不再需要傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，因此能夠減少機(jī)械傳動耗時所導(dǎo)致的制動延時問題，更好地保證了制動的安全性。 磁流變制動器在醫(yī)療器械、公共設(shè)施、汽車制動等方面具有較好的應(yīng)用前景[8-9]。 根據(jù)制動盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要分為盤式和鼓式磁流變制動器[10]。 國內(nèi)外的學(xué)者對磁流變液的流變性質(zhì)和磁流變制動器做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但受應(yīng)用場合的空間限制以及磁流變液本身特性影響[11]，磁流變制動器應(yīng)用于較大功率的制動時，常常會出現(xiàn)制動轉(zhuǎn)矩不足的問題，因此磁流變制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響制動性能的一個重要環(huán)節(jié)[12-15]。同時磁流變制動器在工作時產(chǎn)生的熱量會對磁流變液的流變特性有較大的影響，解決制動器工作時的溫升問題成為了目前研究的一個重要方向[16]。

1 磁流變制動器的工作原理

圖1 所示為典型的磁流變制動器的結(jié)構(gòu)示意圖。 磁流變制動器主要由勵磁線圈、轉(zhuǎn)軸、制動盤及缸筒等組成[17]。 當(dāng)磁流變制動器中勵磁線圈未通電時，磁流變液以牛頓流體狀態(tài)填充在有效阻尼間隙處，其自身零場粘度相對較小，提供磁流變制動器基礎(chǔ)的制動轉(zhuǎn)矩。 當(dāng)磁流變制動器中勵磁線圈通電時，由于電流的磁效應(yīng)，制動器阻尼間隙處產(chǎn)生感應(yīng)磁場，在磁場的作用下，磁流變液中的磁性顆粒沿磁場方向迅速形成鏈狀結(jié)構(gòu)，使其從牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w狀態(tài)，制動器中磁流變液粘度增加[18]，且隨磁場強(qiáng)度的增加而增大，從而提供制動所需的轉(zhuǎn)矩。 通過調(diào)節(jié)輸入電流的大小，進(jìn)而控制磁流變制動器的轉(zhuǎn)矩大小，可實(shí)現(xiàn)對制動轉(zhuǎn)矩的無級調(diào)節(jié)。 由于磁流變制動器的工作特性，且為了避免其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，通常采用剪切模式作為磁流變液的工作模式。

圖1 磁流變制動器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of MR brake

2 磁流變制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從磁流變制動器本身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)考慮，增加其制動性能主要有兩種方式，一是增加有效阻尼間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；二是增加有效阻尼通道的長度。 增加有效阻尼間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度主要通過對激勵方式進(jìn)行優(yōu)化，如增加勵磁線圈個數(shù)或采用電磁雙激勵等工作方式；增加有效阻尼通道長度可以通過對制動鼓或制動盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)及數(shù)量的改進(jìn)，達(dá)到增加制動性能的目的[19-20]。

2.1 激勵方式的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了獲得更好的制動性能，Kikuchi T 和Kobayashi K[21]設(shè)計(jì)了一種雙線圈鼓式磁流變制動器，該制動器磁路的外軛包含有2 個勵磁線圈，2 個勵磁線圈軸向排列，使每個線圈內(nèi)的電流方向相反，可以達(dá)到制動器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大化。在零電流工況時的轉(zhuǎn)矩約為1.0 N·m，其主要由磁流變液自身粘度以及油封的摩擦而產(chǎn)生。 當(dāng)輸入電流為1.0 A 時，該制動器的最大轉(zhuǎn)矩約為10 N·m，最大功率為6.1 W，功耗值低于常規(guī)的磁流變制動器，達(dá)到了節(jié)能減耗的目的。

Shiao Y 和Nguyen Q[22]提出了一種新的多磁極磁流變制動器，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2 所示。 采用常規(guī)的單一環(huán)形磁極磁流變制動器，最大轉(zhuǎn)矩值相對不高，其中一個主要原因是由于線圈的尺寸約束，液流通道內(nèi)的磁場強(qiáng)度不夠大。 多磁極式磁流變制動設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用多個勵磁線圈均勻布置，從而產(chǎn)生多個磁極，且相鄰線圈產(chǎn)生的磁極方向相反，轉(zhuǎn)子表面的磁感線得到了充分的利用。 結(jié)果表明，磁流變液的有效阻尼間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度有較大的增加，制動轉(zhuǎn)矩得到顯著提高。

如圖3 所示，Yu 等[23]提出了一種多磁路的磁流變制動器。 6 對線圈均勻分布在制動器的兩側(cè)，產(chǎn)生高強(qiáng)度的磁場。通過快速改變勵磁線圈的電流方向來改變磁場，實(shí)現(xiàn)制動狀態(tài)和非制動狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換。與切斷電流實(shí)現(xiàn)零制動轉(zhuǎn)矩狀態(tài)不同，該設(shè)計(jì)有效地減少了制動器中的磁滯現(xiàn)象。 該制動器的創(chuàng)新之處在于其利用了有限的磁場，制動性能在一定程度上得到了提升；另一方面因?yàn)橛行П苊饬舜艤F(xiàn)象，非制動狀態(tài)轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時間也得到了縮短。

圖2 多磁極磁流變制動器原理圖Fig.2 Schematic diagram of multiple MR brake

圖3 多磁路磁流變制動器Fig.3 MR brake with multiple magnetic circuit

在大多數(shù)工況下， 粘滯轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致的巨大能量損失是磁流變制動器在實(shí)際應(yīng)用中主要存在的問題。Shamieh H 和Sedaghati R[24]提出了如圖4 所示的一種用于汽車的新型磁流變制動器設(shè)計(jì)方案，該方案通過在制動器內(nèi)設(shè)置永磁體，使得其在無外加磁場的情況下幾乎不產(chǎn)生粘滯轉(zhuǎn)矩。 所提出的磁流變制動器采用永磁體來將磁流變液與阻尼間隙完全分離，因此在沒有應(yīng)用磁場的情況下不會產(chǎn)生粘滯轉(zhuǎn)矩，使其更適用于汽車的應(yīng)用。 研究表明，無論道路狀況如何，與傳統(tǒng)的液壓制動器和傳統(tǒng)的磁流變制動器相比，該磁流變制動器提供了良好的制動轉(zhuǎn)矩能力，沒有剩余粘滯轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，而且效率提高了約40%。

圖4 零粘滯磁流變制動器原理圖Fig.4 Schematic diagram of MR brake with no zero-field viscous torque

2.2 液流通道的改進(jìn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的磁流變制動器一般為單鼓或單盤式，其結(jié)構(gòu)相對較簡單，但輸出的制動轉(zhuǎn)矩相對較小[25]。 因此Qin H 等[26]設(shè)計(jì)了一種如圖5 所示的新型的中空多鼓式磁流變制動器來解決實(shí)際應(yīng)用的磁滯問題，將微電機(jī)置于制動器內(nèi)部，使其結(jié)構(gòu)緊湊，且多鼓式結(jié)構(gòu)增加了有效阻尼間隙長度。 制動器直徑為40 mm，長為28 mm，其產(chǎn)生的最大扭矩達(dá)到1.26 N·m。通過閉環(huán)控制，利用微電機(jī)PID 控制器使得微電機(jī)產(chǎn)生補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，混合式制動器的轉(zhuǎn)矩曲線中沒有明顯的滯回。前后轉(zhuǎn)矩的最大差值從總轉(zhuǎn)矩范圍的7.2%降低到1.94%，動態(tài)范圍從41.17 dB 增加到45.42 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與普通磁流變制動器相比，該混合式制動器在有限的體積下能夠產(chǎn)生更大的制動轉(zhuǎn)矩，且有效地減小了轉(zhuǎn)矩的滯回現(xiàn)象。

Wang S 等[27]提出的多鼓式磁流變制動器能夠很好的解決制動器內(nèi)空間利用率不高的問題，常規(guī)的電磁線圈的放置方式有內(nèi)置、外置和側(cè)置3 種， 其中側(cè)置結(jié)構(gòu)型式更緊湊， 扭矩傳遞效率高。 圖6 所示為一種側(cè)面安裝電磁線圈、左右對稱結(jié)構(gòu)的多鼓式磁流變制動器， 一共有16 個制動鼓，18 個有效阻尼間隙，當(dāng)線圈通電時，制動器能夠獲得更大的制動轉(zhuǎn)矩。

圖5 中空多鼓式磁流變制動器Fig.5 Hollowed multi-drum type MR brake

圖6 多鼓式磁流變制動器Fig.6 Multi-drum MR brake

在相同激勵條件下，多鼓式磁流變制動器有效阻尼間隙處的磁通密度分布不均勻，每個液流通道處都有不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度和剪切面積。 因此，優(yōu)化制動鼓的數(shù)量是多鼓式磁流變制動器設(shè)計(jì)中需要考慮的重要參數(shù)。 Qin H 等[28]根據(jù)優(yōu)化制動鼓的數(shù)量，對制動器進(jìn)行了有限元分析，對給定鼓數(shù)和優(yōu)化阻尼間隙選擇條件下的制動器進(jìn)行了優(yōu)化。 過多的制動鼓會使得制動器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，且體積會過大，結(jié)果表明，3 個制動鼓對制動性能的提升最大。

Mousavi S H 和Sayyaadi H 等[29]提出了一種T 形鼓磁流變制動器，T 形鼓的設(shè)計(jì)使得制動器在有限的體積下，獲得了更多的有效剪切區(qū)域，且在T 形鼓的左右兩端各設(shè)置一個勵磁線圈，增加了有效阻尼間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

為了研究阻尼間隙對制動性能的影響，Song W 等[30]設(shè)計(jì)了一種阻尼間隙可調(diào)的磁流變制動器。 通過改變轉(zhuǎn)軸和制動盤的相對位置，從而調(diào)節(jié)阻尼間隙的尺寸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 當(dāng)阻尼間隙尺寸在0.25～1 mm 范圍內(nèi)變化時，對制動器制動性能的影響較大，因此阻尼間隙的尺寸應(yīng)該盡量根據(jù)實(shí)際工作需求在此范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x??；且阻尼間隙可調(diào)的設(shè)計(jì)也有效地增加了制動轉(zhuǎn)矩的可調(diào)范圍，使其更加適用于各種變化的工況。

如圖7 所示，胡國良等[31]提出的多液流通道旋轉(zhuǎn)式磁流變制動器，將隔磁材料應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)套筒中間位置，從而使得磁力線通過未被利用到的外軸向液流通道部分，制動器發(fā)生磁流變效應(yīng)的區(qū)域增加了，且有效阻尼間隙從傳統(tǒng)磁流變制動器的2 段變?yōu)? 段。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其制動性能較常規(guī)液流通道制動器得到良好的改善。

2.3 針對散熱問題的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

在制動過程中， 制動器中活動部件間的摩擦、磁流變液中磁性顆粒的摩擦、通電線圈的發(fā)熱都會導(dǎo)致制動器的溫度上升，從而使得其基液有一定蒸發(fā)， 粘度下降以及磁性顆粒出現(xiàn)沉淀，導(dǎo)致磁流變制動器工作失效。 制動過程產(chǎn)生的熱量成為目前影響磁流變制動器制動性能的主要因素[32-33]。

為了研究溫度對磁流變制動器制動性能的影響，Wang N 等[34]設(shè)計(jì)了一種水冷散熱的大轉(zhuǎn)矩磁流變液制動器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較大的冷卻水流量可以提高磁流變液的冷卻速率，通過水冷散熱方法可以有效的減少制動器溫升對制動性能的影響。因此，有效的冷卻方法對大轉(zhuǎn)矩磁流變制動器的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，極大地提高制動器的制動性能。

Huang H 等[35]設(shè)計(jì)了一種具有自保護(hù)和散熱功能的磁流變制動器。磁流變制動器采用永磁體系統(tǒng)，不僅能與勵磁線圈形成雙磁場，在正常運(yùn)行狀態(tài)下提高制動轉(zhuǎn)矩，還能在斷電時提供一定的保護(hù)制動力矩。 此外，在磁流變制動器的制動軸上還設(shè)計(jì)了冷卻通道，以保證磁流變液的有效散熱。

圖7 多液流通道旋轉(zhuǎn)式磁流變制動器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of rotary MR brake with multiple fluid flow channels

3 磁流變制動器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

磁流變制動器的性能指標(biāo)主要有制動轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩可調(diào)系數(shù)、響應(yīng)速度和質(zhì)量等[36-37]。 而其性能指標(biāo)的優(yōu)劣主要受制動器的尺寸參數(shù)影響。 對磁流變制動器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)在一定程度上提高了制動性能，但通過激勵方式以及液流通道改進(jìn)的同時，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得加工制造的難度更大，一定程度上增加了制造成本，且活動構(gòu)件的數(shù)量隨之增加，導(dǎo)致制動器整體體積增大[38-40]。

因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上合理的采用優(yōu)化算法對磁流變制動器進(jìn)行尺寸優(yōu)化，不僅能夠改善其制動性能，且能有效地提高磁路的利用率以減小制動器的整體體積，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊[41-42]。

胡國良和李林森[43]提出的利用ANSYS 軟件中的一階優(yōu)化方法對磁流變制動器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用線性加權(quán)組合法將制動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩可調(diào)系數(shù)構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化。其優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖8 所示，結(jié)果表明，優(yōu)化后的制動器體積更小，制動性能提升了34.6%。

圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖Fig.8 Flowchart of optimization design

Assadsangabi B 等[44]利用遺傳算法對汽車用盤式磁流變制動器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 通過有限元軟件分析了磁流變制動器內(nèi)部的磁場強(qiáng)度分布，然后利用該制動器的有限元模型進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合遺傳算法獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。優(yōu)化目標(biāo)是在盡可能降低制動器重量的同時增加制動器的制動轉(zhuǎn)矩性能。與初始設(shè)計(jì)相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)的制動轉(zhuǎn)矩更大。

在對磁流變制動器進(jìn)行優(yōu)化時，由于優(yōu)化目標(biāo)的非單一性，且其都需要通過ANSYS 軟件進(jìn)行仿真，因此優(yōu)化過程比較費(fèi)時。 曾寧[45]提出了一種基于RBF（radial basis function）網(wǎng)絡(luò)代理模型的磁流變制動器的優(yōu)化方法，以改進(jìn)制動器的性能并提高優(yōu)化求解的效率。 將制動轉(zhuǎn)矩與制動器質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，利用拉丁超立方采樣方法構(gòu)建了源函數(shù)的RBF 網(wǎng)絡(luò)代理模型，最后通過多目標(biāo)遺傳算法對其進(jìn)行優(yōu)化。 該方法很好地解決了制動器的優(yōu)化問題，且提出的優(yōu)化方法在提高計(jì)算精度的同時，保證了求解的效率。

近年來，隨著優(yōu)化理論的不斷發(fā)展，粒子群優(yōu)化算法也被廣泛用于解決各類優(yōu)化問題[46]。Topcu O 等[47]針對旋轉(zhuǎn)式磁流變制動器提出了一種改進(jìn)的粒子群算法來解決多物理場工程優(yōu)化問題。 與傳統(tǒng)粒子群算法不同的是，其將原始的單一種群分成多個次種群，求解速度較快。 仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的粒子群算法在提高精度的同時，克服了多物理場計(jì)算量大的問題，優(yōu)化后的制動器體積更小。

Thanikachalam J 和Nagaraj P[48]提出一種基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的磁流變制動器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將幾組待優(yōu)化變量各取不同的值，組合成9 種不同尺寸參數(shù)的磁流變制動器。 如表1 所示為其結(jié)構(gòu)參數(shù)表，通過COMSOL軟件對制動器進(jìn)行仿真，最終得出最優(yōu)參數(shù)為制動盤半徑70 mm，線圈匝數(shù)300 匝，電流2 A。

表1 制動器結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Structure parameter of brake

4 磁流變制動器的應(yīng)用

磁流變制動器以其獨(dú)特的工作特性，越來越被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在醫(yī)療器械、汽車制動、公共設(shè)備等方面具有良好的應(yīng)用前景。Adiputra D 等[49]設(shè)計(jì)了一種用于矯正站姿的腳踝輔助裝置，集成磁流變制動器的設(shè)計(jì)使得矯正康復(fù)設(shè)備更加便攜穩(wěn)定，利用被動控制使得該裝置能夠針對不同患者的步態(tài)習(xí)慣更好的輔助康復(fù)。王道明等[50]設(shè)計(jì)的一種用于汽車制動的多盤式磁流變制動器，其制動性能穩(wěn)定可控，且工作噪音小。陳凱峰[51]設(shè)計(jì)了一種用于電梯制動的磁流變制動器，基于磁流變效應(yīng)并結(jié)合了永磁鐵的制動，使得其更加適用于拽引式電梯，在突發(fā)斷電情況下能夠保證了電梯的安全性。 目前，磁流變制動器被應(yīng)用于汽車制動的研究較為普遍，但磁流變制動器大多數(shù)尚處于理論和實(shí)驗(yàn)的階段，仍存在一些待解決的問題，如單位體積輸出轉(zhuǎn)矩的不足，工作時內(nèi)部溫升而導(dǎo)致的制動性能下降，這些問題成為了當(dāng)前制約磁流變制動器推廣發(fā)展的主要因素。 國內(nèi)外學(xué)者正在不斷研究改善，使得磁流變制動器能夠逐漸替代常規(guī)液壓或機(jī)械式制動器，應(yīng)用于更多的工作場合。

5 結(jié)束語

磁流變制動器是一種被廣泛應(yīng)用于各類制動的智能設(shè)備。 文中對近年來國內(nèi)外現(xiàn)有的磁流變制動器設(shè)計(jì)研究進(jìn)行了綜合分析，重點(diǎn)介紹了不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化方法對磁流變制動器性能的提升。 當(dāng)前的磁流變制動器因其結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、可控性強(qiáng)，比較適用于中低轉(zhuǎn)矩制動場合，但對于需要提供大轉(zhuǎn)矩的工作環(huán)境，磁流變制動器尚不能較好的滿足工作需求，同時對于需要持續(xù)工作的制動場合，自身的發(fā)熱問題也會影響其制動性能。 因此磁流變制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響制動性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文對其結(jié)構(gòu)及優(yōu)化問題的探討為磁流變制動器的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價值。