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磁流变传动的研究现状、发展趋势及关键技术

曾亿山;王道明;高文智

【摘要】磁流变传动具有反应迅速可逆、控制简单且能耗低、抗外界干扰能力强

等特点,在机电设备软启动、软制动、无级调速和过载保护等方面具有广泛的应用

前景.在阐述磁流变液基本概念的基础上,首先介绍了磁流变传动基本形式和工作原

理;其次,综述了磁流变传动技术的国内外研究进展和现状,指出了当前研究在大功率

应用场合尚存在的局限性与不足;最后,从磁流变液材料的可靠性、磁流变传动装置

的温度特性以及散热问题三个方面,着重分析了磁流变传动技术的发展新趋势和关

键技术.

【期刊名称】《液压与气动》

【年(卷),期】2016(000)008

【总页数】9页(P1-9)

【关键词】磁流变传动;可靠性;温度特性;散热问题

【作者】曾亿山;王道明;高文智

【作者单位】合肥工业大学机械工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学机械工

程学院,安徽合肥230009;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;合肥工业

大学机械工程学院,安徽合肥230009

【正文语种】中文

【中图分类】TH137;TH139

传统机械传动包括齿轮传动、链传动、带传动和蜗杆传动等，它们能够传递较大扭

矩且传动比较精确，通常适用于定比传动，但其振动和噪声较大；液压传动利用液

体介质来传递动力，通过改变工作压力实现输出转速的无级调节，可有效减小接合

和分离过程中的冲击和振动，但调速过程中损失功率较大、效率较低；液体黏性传

动是一种新型流体传动形式，利用摩擦副间油膜的剪切作用来传递动力，通过改变

油膜厚度实现无级调速，具有调速性能好、工作稳定和效率高等优点[1]，但其启

动电流大、发热严重、摩擦片寿命短、系统复杂且制造和维护成本高[1]。

为弥补上述传动形式存在的不足，采用表观黏度变化范围大且响应迅速、过程可逆

及易于控制的新型传动介质磁流变液来实现动力传递具有十分重要的现实意义。

本研究首先介绍了磁流变传动基本形式和工作原理；其次，综述了磁流变传动技术

的国内外研究现状，指出了当前研究在大功率传动领域尚存在的问题与不足；最后，

着重分析了磁流变传动技术的发展新趋势和关键技术。

磁流变液(MagnetorheologicalFluid,MRF)是一种新型的磁智能材料，如图1所

示，它是由微米级的软磁性颗粒均匀分散于载液和分散剂中而形成的一种黑色不透

明悬浮液[2-3]。

如图2所示，磁流变液在无磁场时表现为流动良好的自由流体状态，一旦施加磁

场H，可在毫秒级时间内由自由流动状态转变为半固体状态，其表观黏度增加几

个数量级以致失去流动性，呈现出可控的剪切屈服强度[4]，当磁场H撤除时，又

能迅速恢复为自由流动状态，这种现象称为磁流变效应。

磁流变效应的宏观表现如图3所示[5]。磁流变液均匀分布在圆盘面上，线圈环绕

在圆盘四周，无磁场时，磁流变液呈自由流动状态；当线圈中通入较小电流时，在

圆盘间形成中等磁场作用，此时磁流变液逐渐沿盘面径向凸起，颗粒沿磁场方向排

列成链状结构；若进一步增大电流，圆盘间将产生强磁场作用，颗粒链相互吸引形

成更为稳定的柱状结构，表现为颗粒链变粗、表面硬度增大。

利用高速摄影显微成像系统观测磁流变效应的微观表现如图4所示[6]。无磁场时

(H=0)，由于分子的布朗运动，磁流变液中的颗粒呈无规则自由分布；当施加磁场

作用后，颗粒发生磁极化，沿磁场方向排列，当磁场达到一定强度(H=7.5mT)，

颗粒间的相互作用足以克服自身热运动而形成较为稳定的链状结构；随着磁场进一

步增强至H=15mT，颗粒团聚效果明显，颗粒链变粗，相邻单链间相互吸引形成

更为稳定的网、柱状结构。

鉴于磁流变液具有极其优良的流变性能，近年来，在汽车、建筑、医疗、健身器械

和军用车辆的悬架系统等行业和设备中得到越来越广泛的应用[7-8]，其应用形式

主要有伺服阀、减震器、阻尼器、制动器、离合器等，如图5所示。

磁流变传动是磁流变效应在工程传动领域的具体应用，它以磁流变液为工作介质，

依靠传动界面间磁流变液的剪切应力来传递动力，通过控制外加场强来连续改变剪

切应力，从而实现传递扭矩和转速的无级调节，具有反应迅速可逆、控制简单且能

耗低、抗干扰能力强等特点[9-10]，在机电设备软启动、软制动、无级调速和过载

保护等方面具有广泛应用前景。

如图6所示，磁流变液主要有流动、剪切和挤压三种工作模式[11-12]。流动模式

是将磁流变液置于两固定平行极板间，靠两端压差来驱动其流动，当压差恒定时