汽车电流变液运用现况及发展走向范文

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电流变液是由可极化导电微粒分散于基液中而形成的一种悬浮液。当对电流变液施加电场时,其黏度、剪切强度等性能瞬间变化,大小连续可调,甚至达到几个数量级,并由低黏度流体转换为高黏度流体,直至固体[1-6];当电场撤去以后,他又可在毫秒时间内恢复到流体状态,同时这种液态和固态之间转换的特殊相变消耗的能量很低,控制相变的能量很小[7-12]。图1为电场作用下的导电微粒排列、受力示意图。这种介于液体和固体的属性间的可控、可逆、连续转变,可通过电场实现力矩的可控传递和机构的在线无级、可逆控制,因而能代替传统的电-机械转换元器件,特别适合于制备各种阻尼、减振装置,诸如汽车的发动机悬置、悬架、离合器、制动器、减振器、隔振器,驾乘员座等主动控制和半自动控制阻尼装置,在汽车工程、控制工程等相关领域呈现出良好的应用前景[13-18]。电流变液的应用可极大简化部件结构,大幅减轻装置重量;其灵敏度高、噪声小、寿命长、成本低;可与计算机、探测器结合并根据车辆的运动特性和服役环境状态来实现实时主动、半主动控制,大幅提高车辆的速度,增强机动性;能有效提高车辆在行进时的平顺性,满足多工况、宽频带(0~200Hz)的隔振、减振等阻尼要求,是实现车辆阻尼智能化控制的新一代高性能智能材料[18-25]。

1电流变液材料

国内外对电流变液材料、机理及应用的研究始于40年代末,至今共经历了3个主要阶段[26-33]。1947年,美国学者Winslow第1次使用分散微粒与基液形成的悬浮物制成电流变液,提出了电流变效应的纤维结构理论;20世纪60年代末,Klass首次采用介电手段表征了电流变体,初步揭示了电流变颗粒的极化与电流变效应之间的联系;随后,Uejima在20世纪70年代初研究电流变体介电性能的基础上提出了“双电层的理论”模型;在此基础上,Deneiga于1984年提出了“极化模型”。但上述研究的电流变体系均为含水体系,存在使用温度范围窄、漏电电流密度大、稳定性差、腐蚀性大等固有缺陷。

20世纪80年代中后期,英国学者Block等首次研制成功非水型电流变体,他扩展了电流变体工作的温度范围,提高了电流变体的综合性能,引起了世界发达国家对电流变体材料的高度重视。如美国许多大学、研究机构、公司都在进行电流变学和电流变装置的研究开发。同时,英国、德国和日本的许多科研机构和大公司也都在进行电流变体元件的开发研究,并先后开发出无机材料、有机材料、多层包覆材料、有机-无机杂化材料等多种体系电流变材料,丰富了纤维化、水桥理论、介电失配、电导失配等多种理论和模型,为电流变技术的发展奠定了良好的基础,这标志着电流变体发展的第2阶段的到来。但此阶段研制的电流变材料力学性能、悬浮稳定性和温度使用范围距实际应用仍有较大差距,难以满足工业、工程应用的实际需求。直到2003年,温维佳开发出用极性小分子尿素修饰BaTiO(C2O4)2化合物的纳米介电微粒,其具有强的电流变活性,剪切强度超过100kPa,比传统电流变体提高了1个数量级以上。其成果在《NatureMaterials》上发表后,立即受到该领域专家的高度关注,其研制的复合纳米结构的电流变体系,被称为巨电流变体,理论上能满足工业、工程的实际需求。图2为纳米核壳结构电流变体微粒示意图。英国出版的《新科学家》杂志发表了题为《“硬”液体很快就应用于汽车刹车上》的文章。美国福特汽车公司高级工程研究部的物理学家JohnGinder称“这一技术为聪明的电流变液体的应用找到了一条途径”,标志着电流变材料研究的第3次浪潮的到来。美国“联邦科学工程和技术协调会”的报告中,将电流变体研究列为一个重要领域,美国能源部“关于电流变体研究需求估量的最终报告”中指出,“电流变体有潜力成为电气-机械转换中能源效率最高的一种,而且价格合理、结构紧凑、响应快速、经久耐用以及动态范围可变,这些特性是任何其他电气—机械转换方法都无法做到的”。巨电流变液的发现向人们展示出了电流变液的巨大应用价值。一些西方国家的国防及工业部门也投入数以亿计的资金,进行电流变材料及其阻尼器件的研究[34-36]。

我国电流变体技术的研究起步较晚,20世纪80年代中期魏宸官才将这一课题信息带到中国。魏宸官与许元译等一起进行了电流变液体的研究及工程应用的开发,并于1989年成功研究了非水型焦化丙烯睛类电流变体;朱克勤对静电场下2个球体之间的相互作用原理进行了理论分析,为电流变体机理的发展提供了理论依据;中科院物理研究所的专利技术合成的纳微米复合材料及其复合功能电流变材料具有很多优点,可制成相对介电常数较高和恰当的电导率固体粒子;赵晓鹏对掺杂稀土的钛酸钡、二氧化钛体系及高岭土和蒙脱土掺杂二氧化钛等体系进行了较广泛的研究。但是,目前电流变体材料的剪切强度较低,电流变体机理尚不清楚,控制方法亟待完善,且无法同时满足高力学性能、良好温度和悬浮稳定性的实际应用要求,因此,发展高综合性能的电流变体材料,已成为电流变体实际应用的关键,急需突破。

2电流变液体器件

在电流变体的应用方面,世界各国特别是发达国家均先后投入巨资开发了多种电流变体器件[37-38]。图3为电流变体器件工作原理图。国外在20世纪80年代初期就开始了采用电流变液体为工作介质的可调阻尼悬架减振器的研究。主动电磁感应悬架系统已经应用在凯迪拉克SRX4.6L系列中;AmdrewPinkos等在应用ER旋转减振器的研究中提到用增益补偿式自适应策略进行控制;美国的Lord公司己有发动机悬置、车辆悬架等多种电流变产品推向市场;Lubrizol公司研制的半主动电流变液汽车悬架系统在福特汽车公司进行了道路试验,极大地改善了汽车的平稳性,取得了良好的效果;内华达大学的研究人员研制出了可安装在桥梁和高速公路支架下的减振器,以减小地震的损失;NavalResearchLab和ArmymaterialsLab、Ford和GeneralMators等公司也在致力于电流变技术的研究;“悍马”汽车采用电磁悬挂系统,其自适应悬挂装置可使车速提高1~2倍,越野速度提高2倍,平台的稳定性提高5~10倍,减小了震动,纵、横向摆动减少了6~8倍,同时可减少设备的故障率,提高寿命。在航空领域,美国密执安大学的研究人员正在研究含电流变体的直升机旋翼叶片,通过电流变效应改变叶片刚度,以防止其弯曲和扭转振动;在日本,Toyota、Nissan和Onoda公司均投入了大量人力和财力来进行电流变的应用研究;在英国,由7家有影响的公司成立了电流变技术研究中心———辛加迪,进行电流变技术的开发工作;AFS公司的双向减振器,在3kV/mm的电场强度下可实现4000N的阻尼力;德国的Bayer公司研制了一种结构简单的电流变制动器。可见,电流变技术的应用已渗透到包括航空、航天、军用装备、机械工程、汽车工程、控制工程和机器人等各个领域,所产生的社会效益越来越大,部分电流变体制品己成为商品进入市场。在电流变液的研究进程中,其在减振、隔振降噪领域的巨大应用潜力愈来愈受到人们的重视。

我国的许元译等进行了电流变液体的工程应用开发,申请了2项电流变减振器专利;魏宸官则在工程减振及汽车风扇的柔性联轴器应用方面进行了研究;孟永刚对电流变体汽车减振器进行研究并开发出了电流变体减振器;李天剑、高晶敏等研制了三筒式结构的电流变减振器。国内在电流变减振降噪装置研究涉及的领域有:汽车悬架、坐椅等的隔振;飞机操纵面的颤振抑制;转子过临界转速时的减振;建筑物的抗风抗震;含电流变液板梁的振动控制等。

3电流变液体在汽车工业中的应用

电流变体材料在汽车阻尼减振方面的应用大多集中在悬架、悬置、驾乘员座、离合器、制动器和隔振器等方面[39-42],主要利用充填在其中的电流变体在电场作用下表观出的黏度变化,使其阻尼力或阻尼系数无级调节,从而实现2种功能:一是作为振动阻尼元件———减振器,达到消耗振动能量的功能;二是作为受迫振动状态下的阻尼元件———隔振器,防止共振振幅增大。如各种发动机的悬置隔振器,汽车、机车主动和半主动悬架中的可控阻尼器等。在不同的工作环境下,对隔振系统的阻尼有不同的要求。如在激振频率与隔振系统的固有频率相近时,会出现共振现象,如果此时隔振系统的阻尼较大,则共振就较小甚至可以完全抑制;但当激振频率大于隔振系统的固有频率时,如果阻尼较小,则减振效果就较好。阻尼大小可调的阻尼器可以用来实现比被动隔振效果更好的隔振系统;而阻尼不可调的阻尼器,则不能适应许多减振控制的要求。但一般的可控阻尼器为阀控液压缸,利用节流阀的开口调节来获得不同的阻尼,这种阻尼器在实际应用中有难以克服的缺点。首先,节流阀开口的调节是机械运动,再加上流体的动力作用,使得其频宽小,不适应于要求高速响应的场合;其次,高速响应的控制阀具有价格高昂和娇嫩的特点,使得工程成本提高,适用的场合减少。正是由于可控阻尼器在振动控制领域的重要性,而原有的可控阻尼器又不能令人满意,故人们把眼光投向了电流变体等主动、半主动阻尼器。他正是利用电流变液体在电场作用下阻尼特性显著而迅速变化这一效应,来达到阻尼可控的目的。同时,电流变体阻尼器响应快速,很容易达到毫秒级的水平,其结构简单,工作时功耗小、无噪音,是实现智能化振动控制的新一代高性能装置。电流变液主动控制阻尼器将外部能量输入受控系统,与系统本身振动能量相互抵消来实现振动控制。主动悬挂的刚度(包括侧倾刚度)或减振器阻尼能够根据道路条件和行驶状况自动进行连续不断的调节,使之在所有工况下都工作在最佳状态,使车辆的各种性能指标(包括乘座舒适性、操纵性和行驶稳定性、安全性,轮胎的动态载荷、车身高度等)均得到优化,从而在技术上解决工程师在设计汽车悬挂系统时所面临的既要保证汽车操纵稳定性要求又要满足汽车乘座舒适性要求的矛盾和困难,同时也有助于解决在悬挂设计中重载和轻载不同要求之间的矛盾。图4为电流变液主动控制示意图,图5为汽车振动噪音来源示意图。控制汽车振动、噪音应从车体悬架、发动机悬置、传动系统振动、路况激励等多种因素综合考虑。图6为电流变体阻尼器消除临界转速的效果图。从图6中可看出,加电场后转子振幅最大值得到了明显推迟。

3.1发动机悬置

汽车悬置系统是动力总成与车架/底盘之间通过弹性元件连接而成的系统,汽车悬置的基本功能是支承、限位和隔振。支承就是要承受整个动力总成的静质量,避免因产生过大的静变形而影响安装定位;限位就是防止发动机在运转过程中发生过大位移而与周围的部件发生擦撞;隔振就是衰减发动机的振动向车体的传递,降低路面激励对发动机的影响,改善汽车的振动、噪声和舒适性。隔振是汽车悬置设计的主要目的,悬置系统要隔离的激振力的频率范围较宽,路面激励的频率集中在2~3Hz的低频范围内,发动机产生的扰动力频率在亚音频(3~20Hz)到音频(20~1000Hz)这一频率范围内,这同汽车较宽的行驶速度范围是相对应的。

同时,悬置系统面临的任务是要缓冲汽车处于启动、怠速、加速、减速、转弯、刹车、制动、换档等非稳态工况下受到的冲击载荷的作用。汽车复杂而多变的行驶工况,使悬置系统在整个工作范围内都起到良好的隔振作用成为一件十分困难的事情。要满足上面这些要求,理想的悬置必须满足低频、高刚度、大阻尼,高频、低刚度、小阻尼的特性。近年来,国内外普遍采用液压、弹簧和橡胶等的阻尼装置,由于其本身的性能已无法满足装备多工况、宽频带(10~200Hz)的隔振、减振要求,虽然开发了液力悬置,在隔振性能方面较橡胶悬置有了改善,但其仍属于被动式发动机悬置装置,由于液力悬置在高频下的动态硬化,使其减振降噪能力仍无法满足现代车辆的发展需求和日益提高的驾乘员空间的舒适性要求。由于传统的减振元件———弹簧、橡胶垫及其所组成的隔振装置只对有限范围的频率振动干扰有效,造成其使用的极大局限性,故单纯依靠结构自身的强度、刚度或常规的减振元件来降低振动干扰是不合适的。由于电流变体黏度、剪切强度具有连续、可逆、可控的变化特性,其材料特性十分适合悬置类部件的阻尼特性需求,因此利用其所设计的悬置阻尼和刚度可调的减振元件对发动机在宽频范围内实现积极、有效隔振具有重要的现实意义。图7为ER液悬置示意图。

3.2汽车悬架

汽车悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称,是保证乘坐舒适性的重要部件。悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩,并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击,衰减由此引起的承载系统的振动,以保证汽车的行驶平顺性。为此,必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接,依靠弹性元件来传递车轮,或车桥与车架,或车身之间的垂向载荷,并依靠其变形来吸收能量,达到缓冲的目的。采用弹性联接后,汽车可以看作是由悬挂质量、非悬挂质量和弹性元件组成的振动系统,承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。为了迅速衰减不必要的振动,悬架中还必须包括阻尼元件,即减振器。悬架一般由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成。

目前,悬架中用得最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。汽车车身和车轮振动时,减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和液体的黏性摩擦形成了振动阻力,将振动能量转变为热能,并散发到周围空气中去,达到迅速衰减振动的目的。图8为汽车前悬架结构示意图。在主动悬挂系统中,传统的被动悬挂中的弹簧或减振器已不再存在,而是由一个通过电子控制的驱动装置来代替。其中,基于电流变技术的智能控制系统以其优异的特性,如结构紧凑、效率高且高稳定性的智能控制而倍受关注,其可控减振器应用ER流体作为阻尼器介质,通过改变流体的黏度来主动调节阻尼,与常规阻尼器相比,可通过控制电流实现电场强度的控制,并最终达到控制阻尼的目的,故其更能满足安全性和舒适性的要求。同时,这种流体使得阻尼器不再需要机械式阀门(无阀式可控减振器),其减振器的阻尼可以连续调节,也比较容易控制,这种系统用很少的电能,反应很快,阻尼调节速度可达到每秒1000次。无阀式可控减振器技术使其很容易与计算机控制系统进行一体化设计和操作。图9为轿车悬架阻尼器位置示意图,图10为轿车前悬架阻尼器位置示意图。

3.3驾乘员座

现有的驾乘员座大多是弹簧、橡胶或者液压装置,其对频段的适应范围窄,难以满足不同路况、驾驶需求的要求;而电流变体驾乘员座则可根据不同的激励条件来适时调节阻尼,满足乘坐的舒适性要求。

3.4离合器

利用电流变体在电场下黏度连续变化这一特性制造的汽车离合器装置,与传统的机械产品相比,具有设计简化、应用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、成本低、易于实现计算机控制的特点,可取代传统的齿轮离合装置、橡胶阻尼座、液压阻尼座、液气阻尼座和弹簧阻尼装置等阻尼机构,还可利用电流变体黏度可主动控制的特性,通过电场的调节来改变、调整黏度,实现减振器件的适时减振、隔振、降噪等阻尼功能。

4电流变液及其器件的发展及研究趋势

在电流变材料的研究中,早期的电流变效应机理的研究仅考虑到介电常数对极化的作用,近年来不断深化的研究使人们认识到电流变效应不仅需要微粒具有高的介电常数,同样需要适宜的介电损耗和电导率,而且提高电导率,可提高电流变液响应时间。钛-氧系微粒由于具有较大的介电常数而成为电流变液分散相的首选材料,但是其电导率和介电损耗均较低,因此对钛-氧系介电材料进一步改性提高其介电性能成为目前高性能电流变材料发展的关键技术。根据电流变液介电极化原理,综合分析与极化相关的介电常数、电导率、介电损耗等物理性能与电流变效应的关系,可开发设计稀土和有机极性分子酰胺衍生物共杂化钛-氧系纳米微粒。由于稀土金属具有提高微粒介电常数和介电损耗、细化微粒、提高微粒温度稳定性的作用,而有机极性分子酰胺衍生物有利于提高微粒的界面极化强度,故在钛-氧系介电材料中通过加入稀土和有机极性分子杂化,可优化介电参数。

近年来的研究证明,基液的分子结构及组成对电流变强度有较大影响,具有长链分子量和极性基团改性的硅油对分散相微粒链具有聚集束缚作用,与传统的惰性基液相比,活性基液可使电流变强度提高数倍。因此,开发设计石蜡掺杂和羟基极性基团改性硅油复合基液,利用氯化石蜡对分散相微粒具有较好亲和性的特性来提高微粒的抗沉降性和成链性,可提高基液对分散微粒的润湿性和成链性,获得具有高电流变强度的活性基液。

在电流变阻尼器结构设计中,提高极板与电流变液的接触面积是提高器件阻尼力的关键。应设计新型曲面多层通道阻尼器,通过多层通道提高极板与电流变液的接触面积,获得较高强度的阻尼力,满足大应力阻尼器件的需求。

5存在问题及发展趋势

1)进一步提高电流变液材料的性能,完善电流变效应的机理、尤其是动态条件下的性能和变化机制,满足器件的设计需求;

2)开展冲击条件下的电流变液性能规律和效应的研究;

3)根据材料的特性开展器件的设计,加强器件的控制理论探索;

4)按照材料、器件、控制一体化研制的思路,研究具有高综合性能的电流变阻尼降噪智能材料及其相关器件。