杨坤全



基于电流变效应的汽车制动器结构设计

杨坤全

（漳州职业技术学院 机械与自动化工程系，福建 漳州 363000）

论述了基于电流变效应制动器工作原理设计的一款汽车车轮制动器，利用软件画出其模型，并通过具体车型数据，进行分析计算验证其可行性。

电流变效应；汽车制动器；可行性

1 电流变效应的机理

电流变液是一种新型的智能材料，它是用不导电的母液和均匀散布在其中的固体电介质颗粒所制成的悬浮体。在电场作用下, 电流变液会形成一束由固体电介质颗粒组成的纤维状的“链”，横架于正负二极之间。这是由于电介质颗粒在电场中极化之后，其相互之间作用力增强并通过链从电极的一端传到另一端的缘故，见图1所示。这样电流变液在电场的作用下就从流动性好的具有一定粘滞度的牛顿流体转变为有一定剪切屈服应力的粘塑性体（既所谓的“硬化”），且随着电场的加强，这种剪切屈服应力会有相当的提高。这种特性称之为电流变效应。

图1 电流变效应示意图

电流变效应作为一种特殊的物理现象，一般具有以下特征[1]：

(1)在电场作用下，电流变液体的表观粘度可随场强的增大而增大，甚至在某一种电场强度下，达到停止流动或固化，但当电场消除后，电流变液体又可恢复到原始的粘度，即在电场作用下，电流变液可在液态和固态之间转换。

(2)在电场作用下，电流变液体的属性由液态至固态的转换是可逆的。

(3)在电场作用下，电流变液体表观粘度随场强变化而变化的过程是连续的和无级的。

(4)在电场作用下，电流变液体表观粘度的变化以及液固间属性的转换是可控的。

(5)电流变效应很容易与微机技术结合实现完全自动化的智能控制。

(6)电流变效应对电场作用的响应十分灵敏，一般其响应时间为毫秒级。

(7)控制电流变效应的能耗低。

电流变技术具有广泛工程应用前景，本文设计的电流变制动器能否实现其制动功能，关键在于是否有能够产生足够强的剪切应力的电流变液体。采用电流变液体制成的制动器结构简单，容易控制，只要通过调节电压的大小就可以控制的输出制动力矩的大小，对于汽车制动器的研究具有重要意义。

2 电流变制动装置的工作原理

图2 圆筒式电流变制动装置的工作原理图

从动力传动方式看，电流变液制动器的基本形式有平行圆盘式和同心圆筒式两种，本文以同心圆筒式来说明其工作原理,如图2。由参考文献[2]可知，同心圆筒式电流变液制动器产生的力矩：

因为，电流变液在无外加电场时表现为牛顿流体，在外加电场作用下表现为Bingham流体，所以(2)式右边第一项代表电致屈服应力产生的力矩，第二项代表流体粘性传递的力矩。

对于电流变效应所传递的转矩，它的大小由下列因素决定：

由此可得如下仿真关系图：

图3 L，ω为常值时扭矩与电压、剪切应力的关系

图4 电压U=2000V时扭矩与间隙、长度的关系

由图3和图4可以看出，在圆筒长度L和角速度ω不变的情况下，电流变液体的剪切应力随着电压的增大而增大，从而使制动扭矩也随之增大，制动扭矩随电压的变化关系，具有良好的线性，这有利于通过改变电压的大小来控制所需的制动扭矩。在电压保持不变的情况下，扭矩随着两圆筒间隙的增大而减小，随圆筒的长度（即接触面积）的增大而增大，因而在设计间隙大小时，除了考虑机加工的因素，也必须考虑对扭矩的影响。

由上论述可知，电流变制动装置的工作原理其实就是通过控制加在电流变液上的电压来控制制动力矩，通过调节电压的大小就可以控制输出制动力矩的大小，进而实现汽车制动。

3 电流变制动装置的设计计算

3.1 轮边电流变制动装置的结构设计

轮边电流变制动装置结构如图5所示，画成立体结构的PRO/E模型如图6所示。采取电流变制动装置的轮胎结构与现有轮胎结构相比有很大改变，在汽车行驶时，轮毂围着轮轴旋转，即在行驶过程中，外圆筒5、绝缘层6和轮轴12都是连成一体并且是静止的，左轮毂4和右轮毂7绕着它们旋转运动。外圆筒5和绝缘层6及内圆筒10通过八根内六角圆柱头螺钉固定在一起，外圆筒的外径R1=0.1m，外圆筒的内径R2=0.06m，厚度L1=0.048m。内圆筒采用花键与轮轴12连接，轮轴固定在汽车的转向节上。左轮毂4与外圆筒的外圆面及左端面均存在h=1mm的间隙，右轮毂7与外圆筒的右端面也存在h=1mm的间隙，这三个地方的间隙将充满电流变液体，也是电流变液发生电流变效应的工作区。用耐高压线沿着事先开好的壁槽和孔将铜套8和外圆筒5紧密连接在一起，外来的直流高压电源的正极可用碳刷与铜套8接触，这样外圆筒5就成为高压端的正极，轮毂就为高压端的负极，两者之间形成电场并作用于电流变液，产生电流变效应从而起到刹车的目的。

图5 轮边电流变制动装置结构图

1毡圈；2圆锥滚子轴承；3 O型密封圈；4左轮毂（地级）；5外圆筒（高压端）；6绝缘层；7右轮毂；8铜套；9 塑料套筒；10 内圆筒；11 电流变效应区；12 轮轴

图6 轮边电流变制动装置三维图

3.2 轮边电流变液屈服应力的计算

由设计可知L1=0.048m，R1=0.1m，R2=0.06m 则：

由上计算可知，只要电流变液的屈服应力能达到97.8kPa，轮边电流变制动器就能达到1/4整车制动的扭矩要求。而由文献可知，目前研发出来的电流变液的最大屈服应力达到130kPa[4]，因此本文设计的轮边电流变制动器是能够满足汽车制动的要求。

4 结束语

盘式和鼓式制动器存在一系列缺陷，而基于电流变效应的电流变制动器利用了电流变液的特性，有效的将其与汽车刹车系统结合起来，通过控制加在电流变液上的电压可以实现汽车制动的功能。这种制动器制动原理简单，控制也方便，制动效果也较好，这对于解决目前制动器出现的刹车打脚现象，散热不好和电磁阀及制动机构存在滞后等问题具有重要的研究价值。

[1] 魏宸官.电流变技术[M].北京:北京工大学出版社,2000.

[2] 陈伯丰.基于电流变效应的防抱死制动装置的研究[D].福州大学,2008.

[3] 陈淑梅.电流变液体性能的试验研究[J].机械工程学报,2002(9):38.

[4] 温维佳,黄先祥,杨世和，等.巨电流变效应及其机理[J].物理,2003(12):777－779.

[5] 魏鑫编.最新国外汽车车型手册[M].北京:机械工业出版社,1991:116.

Structural Design of Automotive BrakeBased on Electro rheological (ER) Effect

YANG Kun-quan

(Zhangzhou Institute of Technology，Mechanical and Automation Engineering，Zhangzhou 363000，China)

In this paper,elaborating the automobile brake based on the ER effect,a automotive wheel-brake is designed, and drawing the model through software, furthermore, analysing its feasibility through specific data.

Electrorheological effect;Automotive brake; Feasibility

（责任编辑：季平）

2011－01－10

杨坤全（1983－），男，福建长泰人，助教，硕士，研究方向：液压与气动技术。

U463.51

A

1673-1417（2011）01-0001-05