智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计讲解.doc
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目录
一、绪论 1
1.1发动机冷却系统 1
1.1.1发动机冷却系统的功能 1
1.1.2冷却系统调节的工作原理 1
1.1.3冷却系统调节的主要途径 2
1.2目前风扇离合器及存在的问题 3
1.3磁流变液离合器 3
1.4本课题的主要工作 4
二、磁流变液 5
2.1磁流变液的组成 5
2.1.1磁性颗粒 5
2.1.2载液 6
2.1.3添加剂 6
2.2磁流变液的性能 7
2.2.1磁流变液的性能要求 7
2.2.2磁流变液的物理性能 7
2.2.3磁流变液的化学性能 8
2.2.4磁流变液的力学性能 8
2.2.5磁流变液的质量因数 10
2.2.6几种磁流变液的性能 11
2.3磁流变效应 15
2.3.1磁流变效应的特征 15
2.3.2磁流变效应的机理 15
2.3.3磁流变液的磁畴理论 16
2.3.4磁流变液的链化模型 17
2.3.5影响磁流变效应的因素 18
2.4磁流变液应用于离合器 22
三、圆筒式磁流变离合器 23
3.1圆筒式磁流变离合器工作原理 23
3.2圆筒式磁流变离合器理论分析 23
3.2.1数学模型 23
3.2.2流动分析 25
四、磁流变离合器设计 29
4.1磁流变离合器的失效形式和设计准则 29
4.1.1最大有效转矩 29
4.1.2粘塑性滑动和打滑 29
4.1.3失效形式 30
4.1.4设计准则 30
4.1.5圆筒式磁流变离合器的关键尺寸 30
4.2圆筒式磁流变离合器的设计方法 32
4.2.1原始数据及设计内容 32
4.2.2设计方法 32
4.3圆筒式磁流变离合器设计 33
4.3.1圆筒式磁流变离合器结构 33
4.3.2圆筒式磁流变离合器设计计算 35
结束语 45
致谢 46
参考文献 47
附录英文文献翻译 48
47
智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计
摘要
由于冷却水温与发动机的许多工作性能有着直接或间接的关系，如果冷却水温保持最佳的温度范围内，不仅可以提高发动机的动力性、减少废气的产生、还可以减少燃料消耗量、增强发动机工作平稳性。
磁流变液（MRF）是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料，它在无外加磁场作用时呈现牛顿流体的流动特性，然而在强磁场作用下，其表观粘度可在毫秒级的短时间内增加几个数量级以上，并呈现类似固体的力学性质，而且粘度的变化是连续、可逆的，即一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。
圆筒式磁流变离合器是一种利用磁流变液剪切应力来进行离合的一种装置，它传递的力矩随外加磁场的变化迅速变化。
在没有磁场作用的情况下，磁流变液处于液体状态，离合器的离合力矩仅为粘性阻力。
当有一个外加磁场作用时，磁流变液中的极性粒子马上被极化并沿着磁力线方程成链状分布。
这种链状结构就使磁流变液的剪切应力增大，表现出塑性体的特性，因此离合器就可以传递一定的力矩。
力矩的大小可以通过调节磁场强度的大小来控制。
磁流变离合器具有传动平稳、均衡、结构简单、紧凑、操作简便、能耗低、寿命长等优良性能。
本文首先对磁流变液的材料及流变特性进行了介绍，对磁流变液本构模型进行了分析。
对磁流变液的传力方式进行了讨论，并根据剪切模式建立了磁流变液的传力模型，完成了圆筒式磁流变离合器的设计，得出了基本设计公式。
关键词：
冷却系统；磁流变液；离合器；传力模型；几何设计方法
TheIntelligentMaterialIsUsedForCarCoolingSystem
OfApplicationAndDesign
ABSTRACT
It'swellknownthatcoolingwatertemperatureisveryimportanttodieselengine.Ifcoolingwatertemperaturecankeepintheoptimalangeofcoolingwatertemperature,dieselengine'spowercanbeimproved,andlessexhaustgasproduced,reducefuelwastageandengineworkmorecalmly.
Magnetorheological（MR）fluidsconsistofstablesuspensionsofparticlesinacarryingfluidsuchassiliconeoils,respondingtoanappliedmagneticfieldintheirrheologicalbehavior.Intheabsenceofappliedmagneticfield,MRfluidsexhibitNewtonian-likebehavior.Uponapplicationofamagneticfield,thesuspendedparticlesintheMRfluidsbecomepolarizedandalignedinthedirectionofthemagneticfield.Thefluidsbehaveasasemi-solidhavingacontrollableyieldstress.
AnMRfluidclutchdeviceachievesbrakingbyshearforceoftheMRfluid.AnMRfluidclutchhasthepropertythatitstorquechangesquicklyinresponsetoanextenralmagneticfield.Intheabsenceofanappliedmagneticfield,thetorqueistheviscousforceofMRfluidsinliquidstate.Whentheexternalmagneticfieldisapplied,thesuspendedparticlesintheMRfluidsbecomepolarizedandgatheredtoformchain-likestructure.Thesechain-likestructuresrestrictthemovementoftheMRfluids,therebyincreasingtheyieldstressofthefluids.TheclutchcanbeachievedbyutilizingtheshearstressoftheMRfluids.Thetorquecanbeadjustedcontinuouslybychangingthemagneticfieldstrength.
Inthispaper,therheologicalbehaviorofMRfluidsareintroducedandtheconstitutiveequationisanalyzed,then,thedesignmethodoftheMRfluidsclutchisinvestigatedtheoretically.TheequationofthetorquetransmittedbytheMRfluidsintheclutchisderivedtoprovidethetheoreticalfoundationinthedesignoftheclutch.
Keywords:
CoolingSystem;Magnetorheologicalfluids（MRF）;clutch;mechanicalmode;geometricdesignmethod
一、绪论
1.1发动机冷却系统
1.1.1发动机冷却系统的功能
发动机冷却系统对发动机整体性能及可靠性、耐久性有很大影响。
发动机运转时，与高温燃气相接触的零部件（如气缸盖、气缸套、活塞、气门等）受到强烈的加热，它的强度下降，而且热应力很大。
如果发动机得不到充分冷却，即过热，会产生很多不良后果。
如:
机械强度降低，甚至可能出现热变形，破坏零件之间的配合间隙，引起零件强烈磨损，严重时，还可能发生零件断裂事故.高温也会引起气缸壁机油变质，使之失去润滑性能，甚至结焦。
高温还会引起发动机充气系数下降，使其功率降低。
另外，气缸套和活塞的最大热负荷受润滑条件的限制，温度超过240'C，就会因机油碳化，使活塞环胶结失去弹性并刮伤缸壁，磨损加剧;轻金属活塞的热应力是受温度制约的，随着温度的增加，铝合金的强度将很快降低，温度达到380-500℃以上，就不可能保证可靠运转。
反之,冷却系统的冷却能力过强，也是非常有害的。
发动机过冷，散热损失的热量多，发动机工作的热效率低，功率下降而耗油增加:
零件过冷，膨胀量不足，相互之间的配合间隙大，零件在运动过程中相互碰撞，运转噪音增大且加快磨损速度:
冷却温度低，会恶化混合气的形成和燃烧，使发动机工作粗暴，增加机油粘度和摩擦功率[1]。
因此，冷却系统的重要作用是使发动机尽快升温，并使其保持恒温：
将受热零件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下工作。
冷却系统既要防止发动机过热,也要防止冬季发动机过冷。
在发动机冷起动之后,冷却系统还要保证发动机迅速升温,尽快达到正常的工作温度
1.1.2冷却系统调节的工作原理
目前汽车发动机多采用强制循环水冷系统。
发动机气缸盖和气缸体中都有水套。
水泵将冷却水从机外吸入加压，使冷水在水套内流动，带走邻近部件的热量。
冷却水吸热后自身温度升高，进入车前端的散热器（水箱）内。
由于汽车前进和风扇的抽吸，外界冷空气通过散热器，带走散热器内冷却水的热量并送入大气。
当散热器中的冷却水得到冷却后，在水泵的作用下，再次进入水套.如此循环不断地冷却了发动机的高温部件。
图1.1冷却系统的图解：
管道系统是如何连接的
1.1.3冷却系统调节的主要途径
现代汽车一般都采用改变通过散热器的空气量或改变冷却水的流量来控制冷却的效果。
一是调节冷却风量。
冷却风扇的转速与风量成正比;而风量与风速成正比例关系。
在发动机稳定运行状态，风速与单位时间散热量成正比;而散热量与冷却液的温度变化值（即温度差）成正比.因此，通过控制冷却风扇的转速可以控制冷却液的温度。
在发动机稳定运行的状态下，风扇转速升高，单位时间内的散热量增多，会降低冷却液温度;风扇转速降低，单位时间内的散热量减少，会提高冷却液温度。
二是调节冷却水流量。
目前调节水温流量主要通过节温器来实现。
节温器通常安装在发动机冷却水出口与散热器之间的管段上，其作用是根据冷却水的温度，改变冷却水在水系中的循环路线，控制通过散热器冷却水的流量，调节冷却强度，以确保发动机在最佳温度范围内工作。
另外，通过改变水泵的转速可以改变冷却水的流速，即改变冷却水的流量；而冷却水的流量与散热能力成比例关系.因此，可以通过改变水泵的转速来调节冷却能力。
风速是决定散热器散热能力的主要因素.散热器前风速主要取决于风扇的转速，亦即取决于发动机转速。
当发动机大负荷工作时，风扇转速下降，散热器冷却能力降低[2]。
1.2目前风扇离合器及存在的问题
气动风扇离合器[3]与汽车压缩气体供给系统相连，利用压缩气体做动力使离合器接合，离合器分离则靠弹簧力。
电磁风扇离合器依靠电磁力接合离合器，断电则分离离合器。
这两种离合器风扇转速不可调，风扇只能运行或者关闭。
因此控温不理想、节油效果不好、噪声大。
但结构简单、成本较低。
继续改进例如气动风扇离合器贮气筒经过供气管路中的一只电磁阀向离合器供气等；电磁风扇离合器做成有刷式。
这些措施可以改良冷却性能却导致装置复杂、可靠性变差以及成本升高。
目前对冷却系统的控制多由硅油风扇离合器控制冷却风扇转速实现．硅油风扇离合器是一种以硅油为传递介质，并由散热器后面气流温度控制的液力传动离合器。
它由感温元件随发动机的温度变化调节主、从动盘之间硅油注入量来控制和调节风扇的旋转速度。
发动机温度升高，风扇转速上升，冷却效果增大；反之，转速下降，冷却效果减小。
该风扇离合器可随发动机的温度高低来调节风扇的转速，使风扇风量去适应发动机的负荷，使发动机保持在合适的温度下工作，从而达到延长发动机使用寿命、降低噪声和减少发动机功率损失的作用。
但是它不是一个真正的离合器，它由输入输出部件之间硅油的剪切作用提供转矩，既不能锁紧成1:
1的同步传动，又不能完全的分离。
这使得输入输出之间总存在一定的转速差，一般输出转速为输入转速的30%～90%。
虽然传统的硅油风扇离合器理论上输出的转速无级可调，但由于其结构相对复杂，调速灵敏性不高，温度变化时风扇转速变化不能及时跟上，不能准确地控制发动机的冷却状态，且增加了燃油的消耗。
因此，研究新型风扇离合器，设计一种结构比现有硅油风扇离合器更简单，且能够准确控制发动机冷却状态的新型风扇离合器就显得非常必要。
1.3磁流变液离合器
美国学者Rabinow[4]在1948年发明了磁流变液及磁流变离合器，并在1915年申请了磁流变液传递转矩器件的专利[5].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，磁流变液的研究重新焕发了生机;特别是，自1995年起，两年一届的国际电流变液会议也易名为国际电流变液与磁流变液会议[6-8]，促进了磁流变液和磁流变器件的研究和开发。
磁流变液（MRF）是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料，它在无外加磁场作用时呈现牛顿流体的流动特性，然而在强磁场作用下，其表观粘度可在毫秒级的短时间内增加几个数量级以上，并呈现类似固体的力学性质，而且粘度的变化是连续、可逆的，即一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。
磁流变液[9]作为一种新型的智能材料，它的表观粘度和屈服应力可用外加磁场连续调控。
基于这一特性设计成的磁流变器件具有响应时间快、结构简单和能耗低等一系列优点。
这使磁流变液在工程技术领域具有广泛的应用前景[10-16]。
磁流变液在离合器中的应用是充分利用磁流变液在外加磁场作用下能产生磁流变效应的特长和传统的机械设计方法，去开拓为实现规定功能的磁流变液离合器新装置和新产品。
尽管机械设计方法是一种传统的方法，但是开发利用磁流变效应而构思的磁流变液离合器，则充分考虑了磁流变效应以及其工作介质—磁流变液体的某些特殊条件。
利用磁流变液体在外加磁场作用下产生的磁流变效应[17][18]使磁流变液能够用于离合器的主要依据是:
①磁流变效应能够使磁流变液体的表观粘度在一定的条件范内实现连续变化，此变化可以控制并且可逆。
②磁流变效应能够使磁流变液体在外加磁场作用下，具有一定的屈服强度，并且随着外加磁场强度的增加，磁流变液体的屈服强度增加，即磁流变液体的屈服强度可由外加磁场连续调控。
③磁流变效应能够使磁流变液体，在一定条件下由液态变成固态，使其失去动流性。
④磁流变效应的响应时间非常短，响应速度快。
⑤实现磁流变效应的能耗低。
⑥控制磁流变效应的信号容易获得，即通过外加磁场强度。
⑦易与计算机技术结合实现智能控制，进行智能机械开发。
磁流变液离合器是一种利用磁流变液剪切应力来进行离合的一种装置，它传递的力矩随外加磁场的变化迅速变化。
在没有磁场作用的情况下，磁流变液处于液体状态，离合器的离合力矩仅为粘性阻力。
当有一个外加磁场作用时，磁流变液中的极性粒子马上被极化并沿着磁力线方程成链状分布。
这种链状结构就使磁流变液的剪切应力增大，表现出塑性体的特性，因此离合器就可以传递一定的力矩。
力矩的大小可以通过调节磁场强度的大小来控制。
磁流变离合器具有传动平稳、均衡、结构简单、紧凑、操作简便、能耗低、寿命长等优良胜能。
1.4本课题的主要工作
本文首先对磁流变液的材料及流变特性进行了介绍，对磁流变液本构模型进行了分析。
对磁流变液的传力方式进行了讨论，并根据剪切模式建立了磁流变液的传力模型，得出了基本设计公式，完成了圆筒式磁流变离合器的设计。
二、磁流变液
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特定非胶性悬浮液体，因而其流变特性随外加磁场变化而变化。
未加磁场时，磁流变液的流变特性与普通牛顿流体[19]相似，若加一中等强度的磁场作用时，其表观粘度系数增加两数量级以上，当磁流变液受到一强磁场作用时，就会变成类似“固体”的状态，流动性消失。
一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体，这种可逆转变可以在毫秒量级内完成。
2.1磁流变液的组成
磁流变液[21]主要由磁性粒子、载液和添加剂三个部分[22]组成。
图2.1磁流变液的组成
磁性颗粒的关键问题是制作，目前磁性颗粒的制作方法主要有：
共沉法、热分解法、超声分解法和沉积法。
2.1.1磁性颗粒
磁性材料主要是Fe3O4、Fe3N、Fe、Co、Ni等固体微粒，其中磁饱和度最大的微粒是铁钴合金，它的磁饱和度能达到2.4T，但考虑价格问题，实际应用最多的是纯铁粉和羰基铁粉[23]，磁饱和度为2.1T。
其他材料的磁饱和度都比铁粉低。
磁性颗粒的直径一般为0.1-100μm，常见值为3-5μm。
只有氧化物颗粒的直径能达到约30nm,但是这种氧化物颗粒的磁饱和度较低,配制的MRF产生的应力最大约为5kPa。
磁流变液中的固体颗粒在磁场作用下产生的磁极化，是磁流变液产生磁流变效应的核心。
因此，固体颗粒材料的化学性质和物理性质，对磁流变液的性能起
着决定作用。
根据磁流变效应的机理研究结论，对固体颗粒有以下要求，即:
1.在外加磁场作用下，磁性颗粒具有磁化效应;在撤除磁场时，磁性颗粒具有退磁效应。
2.磁性颗粒材料的磁导率要大，尤其是磁导率的初始值和最大值必须要大;
3.磁性颗粒材料应具有较大的磁饱和强度，从而给磁流变液内的磁性颗粒相互间提供最大能量。
4.磁性颗粒材料应能够在足够宽的工作范围内保持稳定的性能;一般要求的.工作范围为-40oC～150oC。
5磁性颗粒与基液的比重要相适应，以防止磁性颗粒在基液中沉淀过快;
6.磁性颗粒的大小要适当，形状要合理;磁性颗粒的大小一般在1～10μm范围内，形状一般是球形的，也有椭圆形的;
7.磁性颗粒材料应具有稳定的化学性能和物理性能:
8.磁性颗粒材料应耐磨、无毒和对其接触材料无腐蚀性。
2.1.2载液
载液是磁流变液的主要成分，其性能对磁流变液具有直接的影响[24]，一般来说，磁流变液的载液应具有如下的特点:
①高沸点、低凝固点。
这可以确保磁流变液具有较宽的工作温度范围;②适宜的黏度，磁流变液的零磁场条件下应具有较低的黏度,要求载液的黏度越低越好,但黏度不能太低，否则沉降稳定性变差。
此外，载液还应该具有化学稳定性好、耐腐蚀、无毒、无异味、价格低廉等特点。
目前MRF载液主要有以下几类。
（1）非磁性液体基载液 主要有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等。
为确保颗粒的悬浮稳定性,并增加整个磁流变液的流变学性质,一般需要使用添加剂,如加入各种表面活性剂（如油酸）或保护性胶体物质（如硅胶、硅氧化物等）,防止磁性颗粒沉淀及不可逆转的海绵状絮凝。
绝大部分的研究和应用都使用这种类型的磁流变液。
美国Lord材料公司的3种商品化磁流变液是载液分别为合成油、硅油和水的羰基铁粉磁流变液。
水基载液可以克服传统有机载液的聚合、老化、细菌繁殖且易燃等特点,但要加入一些抗沉淀剂、增稠剂或流变改性剂等来使液体变稠以降低颗粒沉降。
（2）磁性液体基载液 即用胶体状的磁流体作为载液（如铁磁流体）,使磁流变液的屈服应力大为提高。
由于载液（磁流体）的密度提高,使磁流变液的稳定性增强。
（3）特殊型载液 由于某种特殊的要求,往往要选择具有特殊性质的载液,比如既可以导电又可以导磁的载液,将0.15～0.2mm尺寸的铁磁颗粒（例如含4%Si的硅钢）分散在含有0.5μm石墨颗粒的未聚合的环氧树脂基体中可制成多用途磁流变液，这种树脂基体的黏度系数为300Pa·s（20℃）。
使用高黏度的载液可以有效防止磁流变液的沉降。
2.1.3添加剂
磁流变液母液的密度一般为1g/cm左右，而悬浮颗粒的密度为7～8g/cm,由于磁性颗粒的密度远远大于母液的密度而造成的磁性颗粒的沉降一直是很难解决的问题之一。
此外，悬浮颗粒的直径一般仅为几个微米，比表面积大,也容易团聚而沉降。
目前解决此问题最为有效的方法就是添加不同类型的表面活性剂，一般是亲油基和亲水基这两种性质不同的结构组成的低聚物，它的亲水基可以吸附在磁性颗粒的表面，而亲油基像“鞭梢”一样扩散在母液当中。
磁性颗粒吸附表面活性剂以后，由于亲油基的“鞭梢”相互缠绕及排斥，一方面会增加颗粒的体积，减少它们相互吸引碰撞的机会；从而降低由于颗粒与母液的密度差而造成的颗另一方面会在母液内部形成一个相互作用的三维骨粒沉降。
2.2磁流变液的性能
2.2.1磁流变液的性能要求
一般来说，良好的磁流变液必须具备下列性能:
①磁流变液所具有的磁流变效应是一种可逆变化，它必须具有磁化和退磁两种过程，这种流体的磁滞回线必须狭窄，内聚力小，而磁导率很大，尤其是磁导率的初始值和极大值必须很大[25];
②这种悬浮液应具有较大的磁饱和，以便使得尽可能大的“磁流”通过悬浮体的横截面，从而给颗粒相互间提供尽可能大的能量;
③这种液体在接上交流电的工作期间内，全部损耗（磁滞现象，涡流等）都应是很小的一个量;
④这种液体中的强磁性粒子的分布必须均匀，而且分布率保持不变，这样才能保证其具有高度的磁稳定性能;
⑤为了防止磁流变液被磨损并改变性能，液体必须具有极高的“击穿磁场’、
⑥一般说来，这种液体的稳定性应不随温度的变化而改变，即在相当大的温度范围内应具有较高的稳定性;
⑦构成磁流变液的原材料应廉价而不是稀少的。
2.2.2磁流变液的物理性能
①磁流变液中，颗粒和基础液的比重，特别是混合后两者的比重是否会由于巨大的失配而引起沉淀。
②颗粒材料的磁导率，颗粒的大小、形状及分布。
③基液的凝固点、沸点和闪点的温度，以及它的粘度和粘温特性。
2.2.3磁流变液的化学性能
①颗粒、基础液和添家剂的化学成分，以及其分子式和结构式。
②颗粒、基础液和添家剂的化学稳定性，它们在储存和使用过程中，是否会发生化学变化，引起性能的变质，特别是氧化、分解等。
③使用中是否会产生有害人体和环境的毒性物质。
2.2.4磁流变液的力学性能
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2.2.5磁流变液的质量因数
磁流变装置的机械能密度由下式给出
（2.1）
式中为机械能密度;为动态屈服应力;为剪应变率。
磁流变装置的磁能密度由下式给出
（2.2）
式中为磁能密度:
B和H分别是磁感应强度和磁场强度；是在磁流变液流体中形成磁场的特征时间。
把机械能密度和磁能密度的比值定义为流体的效率，用表示。
（2.3）
由以上的推导可以得到以下几个质量因数:
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