1、XX大学毕业论文说明书 题 目： 智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计 圆筒式磁流变离合器的设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2008963301 姓 名： XXX 指导教师： XXX 完成日期： 2012年5月25日 目 录一、绪论11.1发动机冷却系统11.1.1发动机冷却系统的组成部分11.1.2发动机冷却系统的作用21.1.3冷却系统调节的工作原理3 1.2目前风扇离合器及存在的问题41.3磁流变液离合器41.4本课题的主要工作5二、磁流变液62.1磁流变液的组成62.1.1磁性颗粒62.1.2载 液72.1.3添加剂72.2磁流变液的性能82.2.1磁流变液应满足的指
2、标 82.2.2 磁流变液必须具有的性能82.2.3磁流变液的流变机理92.3磁流变效应102.3.1 磁流变效应的特征102.3.2磁流变液的磁畴理论102.3.3磁流变液的链化模型112.3.4影响磁流变效应的因素132.4磁流变液应用于离合器17三、圆筒式磁流变离合器173.1圆筒式磁流变离合器工作原理173.2圆筒式磁流变离合器理论分析183.2.1 数学模型183.2.2 流动分析20四、磁流变离合器设计234.1磁流变离合器的失效形式和设计准则244.1.1最大有效转矩244.1.2粘塑性滑动和打滑244.1.3失效形式254.1.4 设计准则254.1.5圆筒式磁流变离合器的关键
3、尺寸254.2圆筒式磁流变离合器的设计方法274.2.1原始数据及设计内容274.2.2设计方法274.3圆筒式磁流变离合器设计284.3.1圆筒式磁流变离合器结构284.3.2圆筒式磁流变离合器设计计算30结束语38参考文献38智能材料在汽车冷却系统中的应用与设计 圆筒式磁流变离合器的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
4、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、
5、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The Intelligent Material Is Used For Car Cooling System Of Application And DesignABSTRACT Its well known that cooling water temperature is very important
6、 to diesel engine.If cooling water temperature can keep in the optimal ange of cooling water temperature, diesel engines power can be improved,and less exhaust gas produced, reduce fuel wastage and engine work more calmly. Magnetorheological(MR) fluids consist of stable suspensions of particles in a
7、 carrying fluid such as silicone oils, responding to an applied magnetic field in their rheological behavior. In the absence of applied magnetic field, MR fluids exhibit Newtonian-like behavior. Upon application of a magnetic field, the suspended particles in the MR fluids become polarized and align
8、ed in the direction of the magnetic field. The fluids behave as a semi-solid having a controllable yield stress . An MR fluid clutch device achieves braking by shear force of the MR fluid.An MR fluid clutch has the property that its torque changes quickly in response to an extenral magnetic field.In
9、 the absence of an applied magnetic field,the torque is the viscous force of MR fluids in liquid state.When the external magnetic field is applied,the suspended particles in the MR fluids become polarized and gathered to form chain-like structure. These chain-like structures restrict the movement of
10、 the MR fluids,thereby increasing the yield stress of the fluids.The clutch can be achieved by utilizing the shear stress of the MR fluids.The torque can be adjusted continuously by changing the magnetic field strength.In this paper,the rheological behavior of MR fluids are introduced and the consti
11、tutive equation is analyzed, then, the design method of the MR fluids clutch is investigated theoretically.The equation of the torque transmitted by the MR fluids in the clutch is derived to provide the theoretical foundation in the design of the clutch.Keywords: Cooling System;Magnetorheological fl
12、uids(MRF);clutch;mechanical mode;geometric design method一、绪论1.1发动机冷却系统1.1.1 发动机冷却系统的组成部分 在整个冷却系统中，冷却介质是冷却液，主要零部件有节温器、水泵、水泵皮带、散热器、散热风扇、水温感应器、蓄液罐、采暖装置(类似散热器)。 1)冷却液冷却液又称防冻液，是由防冻添加剂及防止金属产生锈蚀的添加剂和水组成的液体。它需要具有防冻性，防蚀性，热传导性和不变质的性能。现在经常使用乙二醇为主要成分，加有防腐蚀添加及水的防冻液。 2)节温器从介绍冷却循环时，可以看出节温器是决定走“冷车循环”，还是“正常循环”的。节温器在
13、80后开启，95时开度最大。节温器不能关闭，会使循环从开始就进入“正常循环”，这样就造成发动机不能尽快达到或无法达到正常温度。节温器不能开启或开启不灵活，会使冷却液无法经过散热器循环，造成温度过高，或时高时正常。如果因节温器不能开启而引起过热时，散热器上下两水管的温度和压力会有所不同。 3)水泵水泵的作用是对冷却液加压，保证其在冷却系中循环流动。水泵的故障通常为水封的损坏造成漏液，轴承毛病使转动不正常或出声。在出现发动机过热现象时，最先应该注意的是水泵皮带，检查皮带是否断裂或松动。 4)散热器发动机工作时，冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过，热的冷却液由于向空气散热而变冷。散热器上还
14、有一个重要的小零件，就是散热器盖，这小零件很容易被忽略。随着温度变化，冷却液会“热胀冷缩”，散热器器因冷却液的膨胀而内压增大，内压到一定时，散热器盖开启，冷却液流到蓄液罐；当温度降低，冷却液回流入散热器。如果蓄液罐中的冷却液不见减少，散热器液面却有降低，那么，散热器盖就没有工作！ 5)散热风扇正常行驶中，高速气流已足以散热，风扇一般不会在这时候工作；但在慢速和原地运行时，风扇就可能转动来助散热器散热。风扇的起动由水温感应器控制。 6)水温感应器水温感应器其实是一个温度开关，当发动机进水温度超出90以上，水温感应器将接通风扇电路。如果循环正常，而温度升高时，风扇不转，水温感应器和风扇本身就需要检
15、查。 7)蓄液罐蓄液罐的作用是补充冷却液和缓冲“热胀冷缩”的变化，所以不要加液过满。如果蓄液罐完全用空，就不能仅仅在罐中加液，需要开启散热器盖检查液面并添加冷却液，不然蓄液罐就失去功用。 8)采暖装置采暖装置在车内，一般不太出问题。从循环介绍可以看出，此循环不受节温器控制，所以冷车时打开暖气，这个循环是会对发动机的升温有稍延后的影响，但影响实在不大，不用为了让发动机升温而使人冻着。也正因为这循环的特点，在发动机出现过热的紧急情况下，打开车窗，暖气开大最大，对发动机的降温会有一定的帮助。 1.1.2发动机冷却系统的作用 发动机冷却系统的作用是利用重汽配件的冷却介质冷却液，将发动机受热零部件的热量
16、及时传导出去，保证 零部件在允许温度条件下正常工作。对发动机的冷却，并非是越冷越好，而是要求冷却温度适当。过度冷却也会给发动机工作带来不良影响。一是气缸温度过低，燃 料的着火延迟期延长，燃烧速度降低，散热损失增加；二是造成发动机工作粗暴，油耗增加；三是机油黏度增大，造成运动零部件的摩擦损失加大，从而使发动机功 率下降，经济性、动力性随之下降。重汽配件的冷却液(又称防冻液、不冻水)是汽车发动机的专用化学品，主要用于冷 却液是一种加入冷却水加入冷却水中以防止结冰的专是冰点可的专用的低冰点冷却冷 却液是一种加入冷却水中以防止结冰的专用的低冰点冷却溶液。它作为发动机冷却系统的一种冷却介质，其特点是冰点
17、可以根据使用地区温度来调配。重汽配件手制动阀连同塑料制动管预先装配好，再与手制动阀固定支架装配，每根管路需做好标记，这样管路连接到组合踏板底板上时才不会接错。管路注意远离运动件，并在适当位置用紧固带固定。发动机对冷却液性能的要求，最主要的是冰点、沸点，除水垢性和防化学腐蚀性。其目的是防止发动机冷却水在冬季结冰而使散热器和气缸套冻裂，还要阻止水中的 氧及其他杂质对冷却系统金属的腐蚀。发动机对冷却液性能的具本要求是：降低水的冰点效果好；对冷却系统机件(金属、橡胶)无腐蚀；化学安定性好，能长期使 用；低温时黏度增大不多；泡沫多等。目前市场上的冷却液质量参差不齐，尤其一些假冒伪劣产品过多，若是选用不当
18、，将会对发动机造成一定的危害，引起不可挽回的损失，因此正确使用重汽配件的冷却液保持发动机正常工作，具有十分重要的意义。 1.1.3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。 1.1.4冷却系统类型液冷液冷汽车的冷却系统通过发动机中的管道和通路进
19、行液体的循环。 当液体流经高温发动机时会吸收热量，从而降低发动机的温度。 液体流过发动机后，转而流向热交换器（或散热器），液体中的热量通过热交换器散发到空气中。 风冷某些早期的汽车采用风冷技术，但现代的汽车几乎不使用这种方法了。 这种冷却方法不是在发动机中进行液体循环，而是通过发动机缸体表面附着的铝片对气缸进行散热。 一个功率强大的风扇向这些铝片吹风，使其向空气中散热，从而达到冷却发动机的目的。因为大多数汽车采用的是液冷，所以本文将着重对液冷系统进行说明。 汽车中的冷却系统中有大量管道。 我们从泵开始逐一考察整个系统，在下一节，我们将对系统的各个部件进行详细说明。泵将液体输送至发动机缸体后，液
20、体便开始在气缸周围的发动机通道里流动。 接着，液体又通过发动机的气缸盖返回。 恒温器位于液体流出发动机的位置。 如果恒温器关闭，则液体将经过恒温器周围的管道直接流回到泵。 如果恒温器打开，液体将首先流入散热器，然后再流回泵。加热系统也有一个单独的循环过程。 该循环从气缸盖开始输送液体，使其流经加热器风箱，然后又流回泵。对于配备有自动变速器的汽车，通常会有一个独立的循环过程来冷却内置于散热器的变速器油液。 变速器油液由变速器通过散热器内另一个热交换器抽吸得到。汽车可以在远低于零摄氏度到远高于38的宽泛温度范围内工作。 因此，不管使用何种液体对发动机进行降温，其必须具有非常低的凝固点、很高的沸点以
21、及能吸收大量热量。水是吸收热量的最有效的液体之一，但水的凝固点太高，不适用于汽车发动机。 大多数汽车使用的液体是水和乙二烯乙二醇的混合液 (C2H6O2)，也称为防冻液。 通过将乙二烯乙二醇添加到水中，可以显著提高沸点、降低凝固点。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
22、；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
23、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磁流变液离合器磁流变液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
24、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。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
25、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使磁流变液能够用于离合器的主要依据是: 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。 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。 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。 磁流变效应的响应时间非常短，响应速度快。 实现磁流变效应的能耗低。 控制磁流变效应的信号容易获得，即通过外加磁场强度。 易与计算机
26、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
27、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主要由磁性粒子、载液和添加剂三个部分组成。 图2.1
28、 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 、Fe3 N、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0.1-100m，常见值为3-5m。只有氧化物颗粒的直径能达到约30 nm , 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5 kPa 。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
29、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
30、的大小一般在110m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: 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; 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
31、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。
