汽車電流變液運用現況及發展走向范文

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電流變液是由可極化導電微粒分散于基液中而形成的一種懸浮液。當對電流變液施加電場時,其黏度、剪切強度等性能瞬間變化,大小連續可調,甚至達到幾個數量級,并由低黏度流體轉換為高黏度流體,直至固體[1-6];當電場撤去以后,他又可在毫秒時間內恢復到流體狀態,同時這種液態和固態之間轉換的特殊相變消耗的能量很低,控制相變的能量很小[7-12]。圖1為電場作用下的導電微粒排列、受力示意圖。這種介于液體和固體的屬性間的可控、可逆、連續轉變,可通過電場實現力矩的可控傳遞和機構的在線無級、可逆控制,因而能代替傳統的電-機械轉換元器件,特別適合于制備各種阻尼、減振裝置,諸如汽車的發動機懸置、懸架、離合器、制動器、減振器、隔振器,駕乘員座等主動控制和半自動控制阻尼裝置,在汽車工程、控制工程等相關領域呈現出良好的應用前景[13-18]。電流變液的應用可極大簡化部件結構,大幅減輕裝置重量;其靈敏度高、噪聲小、壽命長、成本低;可與計算機、探測器結合并根據車輛的運動特性和服役環境狀態來實現實時主動、半主動控制,大幅提高車輛的速度,增強機動性;能有效提高車輛在行進時的平順性,滿足多工況、寬頻帶(0~200Hz)的隔振、減振等阻尼要求,是實現車輛阻尼智能化控制的新一代高性能智能材料[18-25]。

1電流變液材料

國內外對電流變液材料、機理及應用的研究始于40年代末,至今共經歷了3個主要階段[26-33]。1947年,美國學者Winslow第1次使用分散微粒與基液形成的懸浮物制成電流變液,提出了電流變效應的纖維結構理論;20世紀60年代末,Klass首次采用介電手段表征了電流變體,初步揭示了電流變顆粒的極化與電流變效應之間的聯系;隨后,Uejima在20世紀70年代初研究電流變體介電性能的基礎上提出了“雙電層的理論”模型;在此基礎上,Deneiga于1984年提出了“極化模型”。但上述研究的電流變體系均為含水體系,存在使用溫度范圍窄、漏電電流密度大、穩定性差、腐蝕性大等固有缺陷。

20世紀80年代中后期,英國學者Block等首次研制成功非水型電流變體,他擴展了電流變體工作的溫度范圍,提高了電流變體的綜合性能,引起了世界發達國家對電流變體材料的高度重視。如美國許多大學、研究機構、公司都在進行電流變學和電流變裝置的研究開發。同時,英國、德國和日本的許多科研機構和大公司也都在進行電流變體元件的開發研究,并先后開發出無機材料、有機材料、多層包覆材料、有機-無機雜化材料等多種體系電流變材料,豐富了纖維化、水橋理論、介電失配、電導失配等多種理論和模型,為電流變技術的發展奠定了良好的基礎,這標志著電流變體發展的第2階段的到來。但此階段研制的電流變材料力學性能、懸浮穩定性和溫度使用范圍距實際應用仍有較大差距,難以滿足工業、工程應用的實際需求。直到2003年,溫維佳開發出用極性小分子尿素修飾BaTiO(C2O4)2化合物的納米介電微粒,其具有強的電流變活性,剪切強度超過100kPa,比傳統電流變體提高了1個數量級以上。其成果在《NatureMaterials》上發表后,立即受到該領域專家的高度關注,其研制的復合納米結構的電流變體系,被稱為巨電流變體,理論上能滿足工業、工程的實際需求。圖2為納米核殼結構電流變體微粒示意圖。英國出版的《新科學家》雜志發表了題為《“硬”液體很快就應用于汽車剎車上》的文章。美國福特汽車公司高級工程研究部的物理學家JohnGinder稱“這一技術為聰明的電流變液體的應用找到了一條途徑”,標志著電流變材料研究的第3次浪潮的到來。美國“聯邦科學工程和技術協調會”的報告中,將電流變體研究列為一個重要領域,美國能源部“關于電流變體研究需求估量的最終報告”中指出,“電流變體有潛力成為電氣-機械轉換中能源效率最高的一種,而且價格合理、結構緊湊、響應快速、經久耐用以及動態范圍可變,這些特性是任何其他電氣—機械轉換方法都無法做到的”。巨電流變液的發現向人們展示出了電流變液的巨大應用價值。一些西方國家的國防及工業部門也投入數以億計的資金,進行電流變材料及其阻尼器件的研究[34-36]。

我國電流變體技術的研究起步較晚,20世紀80年代中期魏宸官才將這一課題信息帶到中國。魏宸官與許元譯等一起進行了電流變液體的研究及工程應用的開發,并于1989年成功研究了非水型焦化丙烯睛類電流變體;朱克勤對靜電場下2個球體之間的相互作用原理進行了理論分析,為電流變體機理的發展提供了理論依據;中科院物理研究所的專利技術合成的納微米復合材料及其復合功能電流變材料具有很多優點,可制成相對介電常數較高和恰當的電導率固體粒子;趙曉鵬對摻雜稀土的鈦酸鋇、二氧化鈦體系及高嶺土和蒙脫土摻雜二氧化鈦等體系進行了較廣泛的研究。但是,目前電流變體材料的剪切強度較低,電流變體機理尚不清楚,控制方法亟待完善,且無法同時滿足高力學性能、良好溫度和懸浮穩定性的實際應用要求,因此,發展高綜合性能的電流變體材料,已成為電流變體實際應用的關鍵,急需突破。

2電流變液體器件

在電流變體的應用方面,世界各國特別是發達國家均先后投入巨資開發了多種電流變體器件[37-38]。圖3為電流變體器件工作原理圖。國外在20世紀80年代初期就開始了采用電流變液體為工作介質的可調阻尼懸架減振器的研究。主動電磁感應懸架系統已經應用在凱迪拉克SRX4.6L系列中;AmdrewPinkos等在應用ER旋轉減振器的研究中提到用增益補償式自適應策略進行控制;美國的Lord公司己有發動機懸置、車輛懸架等多種電流變產品推向市場;Lubrizol公司研制的半主動電流變液汽車懸架系統在福特汽車公司進行了道路試驗,極大地改善了汽車的平穩性,取得了良好的效果;內華達大學的研究人員研制出了可安裝在橋梁和高速公路支架下的減振器,以減小地震的損失;NavalResearchLab和ArmymaterialsLab、Ford和GeneralMators等公司也在致力于電流變技術的研究;“悍馬”汽車采用電磁懸掛系統,其自適應懸掛裝置可使車速提高1~2倍,越野速度提高2倍,平臺的穩定性提高5~10倍,減小了震動,縱、橫向擺動減少了6~8倍,同時可減少設備的故障率,提高壽命。在航空領域,美國密執安大學的研究人員正在研究含電流變體的直升機旋翼葉片,通過電流變效應改變葉片剛度,以防止其彎曲和扭轉振動;在日本,Toyota、Nissan和Onoda公司均投入了大量人力和財力來進行電流變的應用研究;在英國,由7家有影響的公司成立了電流變技術研究中心———辛加迪,進行電流變技術的開發工作;AFS公司的雙向減振器,在3kV/mm的電場強度下可實現4000N的阻尼力;德國的Bayer公司研制了一種結構簡單的電流變制動器。可見,電流變技術的應用已滲透到包括航空、航天、軍用裝備、機械工程、汽車工程、控制工程和機器人等各個領域,所產生的社會效益越來越大,部分電流變體制品己成為商品進入市場。在電流變液的研究進程中,其在減振、隔振降噪領域的巨大應用潛力愈來愈受到人們的重視。

我國的許元譯等進行了電流變液體的工程應用開發,申請了2項電流變減振器專利;魏宸官則在工程減振及汽車風扇的柔性聯軸器應用方面進行了研究;孟永剛對電流變體汽車減振器進行研究并開發出了電流變體減振器;李天劍、高晶敏等研制了三筒式結構的電流變減振器。國內在電流變減振降噪裝置研究涉及的領域有:汽車懸架、坐椅等的隔振;飛機操縱面的顫振抑制;轉子過臨界轉速時的減振;建筑物的抗風抗震;含電流變液板梁的振動控制等。

3電流變液體在汽車工業中的應用

電流變體材料在汽車阻尼減振方面的應用大多集中在懸架、懸置、駕乘員座、離合器、制動器和隔振器等方面[39-42],主要利用充填在其中的電流變體在電場作用下表觀出的黏度變化,使其阻尼力或阻尼系數無級調節,從而實現2種功能:一是作為振動阻尼元件———減振器,達到消耗振動能量的功能;二是作為受迫振動狀態下的阻尼元件———隔振器,防止共振振幅增大。如各種發動機的懸置隔振器,汽車、機車主動和半主動懸架中的可控阻尼器等。在不同的工作環境下,對隔振系統的阻尼有不同的要求。如在激振頻率與隔振系統的固有頻率相近時,會出現共振現象,如果此時隔振系統的阻尼較大,則共振就較小甚至可以完全抑制;但當激振頻率大于隔振系統的固有頻率時,如果阻尼較小,則減振效果就較好。阻尼大小可調的阻尼器可以用來實現比被動隔振效果更好的隔振系統;而阻尼不可調的阻尼器,則不能適應許多減振控制的要求。但一般的可控阻尼器為閥控液壓缸,利用節流閥的開口調節來獲得不同的阻尼,這種阻尼器在實際應用中有難以克服的缺點。首先,節流閥開口的調節是機械運動,再加上流體的動力作用,使得其頻寬小,不適應于要求高速響應的場合;其次,高速響應的控制閥具有價格高昂和嬌嫩的特點,使得工程成本提高,適用的場合減少。正是由于可控阻尼器在振動控制領域的重要性,而原有的可控阻尼器又不能令人滿意,故人們把眼光投向了電流變體等主動、半主動阻尼器。他正是利用電流變液體在電場作用下阻尼特性顯著而迅速變化這一效應,來達到阻尼可控的目的。同時,電流變體阻尼器響應快速,很容易達到毫秒級的水平,其結構簡單,工作時功耗小、無噪音,是實現智能化振動控制的新一代高性能裝置。電流變液主動控制阻尼器將外部能量輸入受控系統,與系統本身振動能量相互抵消來實現振動控制。主動懸掛的剛度(包括側傾剛度)或減振器阻尼能夠根據道路條件和行駛狀況自動進行連續不斷的調節,使之在所有工況下都工作在最佳狀態,使車輛的各種性能指標(包括乘座舒適性、操縱性和行駛穩定性、安全性,輪胎的動態載荷、車身高度等)均得到優化,從而在技術上解決工程師在設計汽車懸掛系統時所面臨的既要保證汽車操縱穩定性要求又要滿足汽車乘座舒適性要求的矛盾和困難,同時也有助于解決在懸掛設計中重載和輕載不同要求之間的矛盾。圖4為電流變液主動控制示意圖,圖5為汽車振動噪音來源示意圖。控制汽車振動、噪音應從車體懸架、發動機懸置、傳動系統振動、路況激勵等多種因素綜合考慮。圖6為電流變體阻尼器消除臨界轉速的效果圖。從圖6中可看出,加電場后轉子振幅最大值得到了明顯推遲。

3.1發動機懸置

汽車懸置系統是動力總成與車架/底盤之間通過彈性元件連接而成的系統,汽車懸置的基本功能是支承、限位和隔振。支承就是要承受整個動力總成的靜質量,避免因產生過大的靜變形而影響安裝定位;限位就是防止發動機在運轉過程中發生過大位移而與周圍的部件發生擦撞;隔振就是衰減發動機的振動向車體的傳遞,降低路面激勵對發動機的影響,改善汽車的振動、噪聲和舒適性。隔振是汽車懸置設計的主要目的,懸置系統要隔離的激振力的頻率范圍較寬,路面激勵的頻率集中在2~3Hz的低頻范圍內,發動機產生的擾動力頻率在亞音頻(3~20Hz)到音頻(20~1000Hz)這一頻率范圍內,這同汽車較寬的行駛速度范圍是相對應的。

同時,懸置系統面臨的任務是要緩沖汽車處于啟動、怠速、加速、減速、轉彎、剎車、制動、換檔等非穩態工況下受到的沖擊載荷的作用。汽車復雜而多變的行駛工況,使懸置系統在整個工作范圍內都起到良好的隔振作用成為一件十分困難的事情。要滿足上面這些要求,理想的懸置必須滿足低頻、高剛度、大阻尼,高頻、低剛度、小阻尼的特性。近年來,國內外普遍采用液壓、彈簧和橡膠等的阻尼裝置,由于其本身的性能已無法滿足裝備多工況、寬頻帶(10~200Hz)的隔振、減振要求,雖然開發了液力懸置,在隔振性能方面較橡膠懸置有了改善,但其仍屬于被動式發動機懸置裝置,由于液力懸置在高頻下的動態硬化,使其減振降噪能力仍無法滿足現代車輛的發展需求和日益提高的駕乘員空間的舒適性要求。由于傳統的減振元件———彈簧、橡膠墊及其所組成的隔振裝置只對有限范圍的頻率振動干擾有效,造成其使用的極大局限性,故單純依靠結構自身的強度、剛度或常規的減振元件來降低振動干擾是不合適的。由于電流變體黏度、剪切強度具有連續、可逆、可控的變化特性,其材料特性十分適合懸置類部件的阻尼特性需求,因此利用其所設計的懸置阻尼和剛度可調的減振元件對發動機在寬頻范圍內實現積極、有效隔振具有重要的現實意義。圖7為ER液懸置示意圖。

3.2汽車懸架

汽車懸架是保證車輪或車橋與汽車承載系統之間具有彈性聯系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動以及調節汽車行駛中的車身位置等有關裝置的總稱,是保證乘坐舒適性的重要部件。懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩,并緩和汽車駛過不平路面時所產生的沖擊,衰減由此引起的承載系統的振動,以保證汽車的行駛平順性。為此,必須在車輪與車架或車身之間提供彈性聯接,依靠彈性元件來傳遞車輪,或車橋與車架,或車身之間的垂向載荷,并依靠其變形來吸收能量,達到緩沖的目的。采用彈性聯接后,汽車可以看作是由懸掛質量、非懸掛質量和彈性元件組成的振動系統,承受來自不平路面、空氣動力及傳動系、發動機的激勵。為了迅速衰減不必要的振動,懸架中還必須包括阻尼元件,即減振器。懸架一般由彈性元件、導向裝置、減振器、緩沖塊和橫向穩定器等組成。

目前,懸架中用得最多的減振器是內部充有液體的液力式減振器。汽車車身和車輪振動時,減振器內的液體在流經阻尼孔時的摩擦和液體的黏性摩擦形成了振動阻力,將振動能量轉變為熱能,并散發到周圍空氣中去,達到迅速衰減振動的目的。圖8為汽車前懸架結構示意圖。在主動懸掛系統中,傳統的被動懸掛中的彈簧或減振器已不再存在,而是由一個通過電子控制的驅動裝置來代替。其中,基于電流變技術的智能控制系統以其優異的特性,如結構緊湊、效率高且高穩定性的智能控制而倍受關注,其可控減振器應用ER流體作為阻尼器介質,通過改變流體的黏度來主動調節阻尼,與常規阻尼器相比,可通過控制電流實現電場強度的控制,并最終達到控制阻尼的目的,故其更能滿足安全性和舒適性的要求。同時,這種流體使得阻尼器不再需要機械式閥門(無閥式可控減振器),其減振器的阻尼可以連續調節,也比較容易控制,這種系統用很少的電能,反應很快,阻尼調節速度可達到每秒1000次。無閥式可控減振器技術使其很容易與計算機控制系統進行一體化設計和操作。圖9為轎車懸架阻尼器位置示意圖,圖10為轎車前懸架阻尼器位置示意圖。

3.3駕乘員座

現有的駕乘員座大多是彈簧、橡膠或者液壓裝置,其對頻段的適應范圍窄,難以滿足不同路況、駕駛需求的要求;而電流變體駕乘員座則可根據不同的激勵條件來適時調節阻尼,滿足乘坐的舒適性要求。

3.4離合器

利用電流變體在電場下黏度連續變化這一特性制造的汽車離合器裝置,與傳統的機械產品相比,具有設計簡化、應用簡便、靈敏度高、噪聲小、壽命長、成本低、易于實現計算機控制的特點,可取代傳統的齒輪離合裝置、橡膠阻尼座、液壓阻尼座、液氣阻尼座和彈簧阻尼裝置等阻尼機構,還可利用電流變體黏度可主動控制的特性,通過電場的調節來改變、調整黏度,實現減振器件的適時減振、隔振、降噪等阻尼功能。

4電流變液及其器件的發展及研究趨勢

在電流變材料的研究中,早期的電流變效應機理的研究僅考慮到介電常數對極化的作用,近年來不斷深化的研究使人們認識到電流變效應不僅需要微粒具有高的介電常數,同樣需要適宜的介電損耗和電導率,而且提高電導率,可提高電流變液響應時間。鈦-氧系微粒由于具有較大的介電常數而成為電流變液分散相的首選材料,但是其電導率和介電損耗均較低,因此對鈦-氧系介電材料進一步改性提高其介電性能成為目前高性能電流變材料發展的關鍵技術。根據電流變液介電極化原理,綜合分析與極化相關的介電常數、電導率、介電損耗等物理性能與電流變效應的關系,可開發設計稀土和有機極性分子酰胺衍生物共雜化鈦-氧系納米微粒。由于稀土金屬具有提高微粒介電常數和介電損耗、細化微粒、提高微粒溫度穩定性的作用,而有機極性分子酰胺衍生物有利于提高微粒的界面極化強度,故在鈦-氧系介電材料中通過加入稀土和有機極性分子雜化,可優化介電參數。

近年來的研究證明,基液的分子結構及組成對電流變強度有較大影響,具有長鏈分子量和極性基團改性的硅油對分散相微粒鏈具有聚集束縛作用,與傳統的惰性基液相比,活性基液可使電流變強度提高數倍。因此,開發設計石蠟摻雜和羥基極性基團改性硅油復合基液,利用氯化石蠟對分散相微粒具有較好親和性的特性來提高微粒的抗沉降性和成鏈性,可提高基液對分散微粒的潤濕性和成鏈性,獲得具有高電流變強度的活性基液。

在電流變阻尼器結構設計中,提高極板與電流變液的接觸面積是提高器件阻尼力的關鍵。應設計新型曲面多層通道阻尼器,通過多層通道提高極板與電流變液的接觸面積,獲得較高強度的阻尼力,滿足大應力阻尼器件的需求。

5存在問題及發展趨勢

1)進一步提高電流變液材料的性能,完善電流變效應的機理、尤其是動態條件下的性能和變化機制,滿足器件的設計需求;

2)開展沖擊條件下的電流變液性能規律和效應的研究;

3)根據材料的特性開展器件的設計,加強器件的控制理論探索;

4)按照材料、器件、控制一體化研制的思路,研究具有高綜合性能的電流變阻尼降噪智能材料及其相關器件。