圆筒式磁流变离合器的设计.doc

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 1
1.1发动机冷却系统 1
1.1.1发动机冷却系统的组成部分 1
1.1.2发动机冷却系统的作用 2
1.1.3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 4
1.3磁流变液离合器 4
1.4本课题的主要工作 5
二、磁流变液 6
2.1磁流变液的组成 6
2.1.1磁性颗粒 6
2.1.2载 液 7
2.1.3添加剂 7
2.2磁流变液的性能 8
2.2.1磁流变液应满足的指标 8
2.2.2 磁流变液必须具有的性能 8
2.2.3磁流变液的流变机理 9
2.3磁流变效应 10
2.3.1 磁流变效应的特征 10
2.3.2磁流变液的磁畴理论 10
2.3.3磁流变液的链化模型 11
2.3.4影响磁流变效应的因素 13
2.4磁流变液应用于离合器 17
三、圆筒式磁流变离合器 17
3.1圆筒式磁流变离合器工作原理 17
3.2圆筒式磁流变离合器理论分析 18
3.2.1 数学模型 18
3.2.2 流动分析 20
四、磁流变离合器设计 23
4.1磁流变离合器的失效形式和设计准则 24
4.1.1最大有效转矩 24
4.1.2粘塑性滑动和打滑 24
4.1.3失效形式 25
4.1.4 设计准则 25
4.1.5圆筒式磁流变离合器的关键尺寸 25

4.2圆筒式磁流变离合器的设计方法 27
4.2.1原始数据及设计内容 27
4.2.2设计方法 27
4.3圆筒式磁流变离合器设计 28
4.3.1圆筒式磁流变离合器结构 28
4.3.2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、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 Design
ABSTRACT
It's well known that cooling water temperature is very important to diesel engine.If cooling water temperature can keep in the optimal ange of cooling water temperature, diesel engine's 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 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 aligned 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 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 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 constitutive 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 fluids(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，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；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:
① 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。
② 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。
③ 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。
④ 磁流变效应的响应时间非常短，响应速度快。
⑤ 实现磁流变效应的能耗低。
⑥ 控制磁流变效应的信号容易获得，即通过外加磁场强度。
⑦ 易与计算机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 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0.1-100μm，常见值为3-5μm。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;磁性颗粒的大小一般在1～10μm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: ①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; ②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。
(3) 特殊型载液　由于某种特殊的要求,往往要选择具有特殊性质的载液, 比如既可以导电又可以导磁的载液,将0.15～0.2mm尺寸的铁磁颗粒(例如含4%Si的硅钢)分散在含有0.5μm石墨颗粒的未聚合的环氧树脂基体中可制成多用途磁流变液，这种树脂基体的黏度系数为300Pa·s(20℃)。使用高黏度的载液可以有效防止磁流变液的沉降。
2.1.3添加剂
磁流变液母液的密度一般为1g/cm左右，而悬浮颗粒的密度为 7～8 g/cm ,由于磁性颗粒的密度远远大于母液的密度而造成的磁性颗粒的沉降一直是很难解决的问题之一。此外，悬浮颗粒的直径一般仅为几个微米，比表面积大,也容易团聚而沉降。目前解决此问题最为有效的方法就是添加不同类型的表面活性剂，一般是亲油基和亲水基这两种性质不同的结构组成的低聚物，它的亲水基可以吸附在磁性颗粒的表面，而亲油基像“鞭梢”一样扩散在母液当中。磁性颗粒吸附表面活性剂以后，由于亲油基的“鞭梢”相互缠绕及排斥，一方面会增加颗粒的体积，减少它们相互吸引碰撞的机会；从而降低由于颗粒与母液的密度差而造成的颗另一方面会在母液内部形成一个相互作用的三维骨粒沉降。
2.2磁流变液的性能
2.2.1磁流变液应满足的指标
　　（1）零磁场粘度低，以便使其在磁场作用下，具有同等剪切屈服强度增长时，具有更大的可调范围。
　　（2）强磁场下剪切屈服强度高，至少应达到20～30Kpa，这是衡量磁流变液特性的主要指标之一。
　　（3）杂质干扰小，以增加其使用范围。
　　（4）温度使用范围宽，即在相当宽的温度范围具有极高的稳定性。
　　（5）响应速度快，最好能达到毫秒级，以使磁流变液减振器作为主动和半主动控制器时，基本不存在时迟问题。
　　（6）抗沉降性好，长时间存放应基本不分层。
　　（7）能耗低，在较弱的磁场下可产生较大的剪切屈服强度。
　　（8）无毒、不挥发、无异味，这是由其应用领域所决定的。
2.2.2磁流变液必须具有的性能：
(1) 具有优良的磁化和退磁特性，以保证磁流变液的磁流变效应是一种可逆变化。因此这种流体的磁滞回线必须狭窄，内聚力较小，而磁导率很大，尤其是磁导率的初始值和极大值必须很大。
(2) 应具有较大的磁饱和特性，以便使得尽可能大的“磁流”通过悬浮液的横截面，从而给颗粒相互间提供尽可能大的能量；
（3）应具有较小的能量损耗，在工作期间，全部损耗(如磁滞现象、涡流现象等)都应该是一个很小的量；
(4) 应具有高度磁化和稳定的性能，这就要求磁流变液中的强磁性粒子的分布必须均匀，而且分布率保持不变；
(5) 应具备极高的“击穿磁场”，以防止磁流变液被磨损并改变性能；
(6) 应在相当宽的温度范围内具有极高的稳定性，以保证磁流变液的流变性能不会在正常工作温度范围内发生改变；
(7)构成磁流变液的原材料应是价廉的而不是稀有的。
目前国际上关于磁流变液材料制备方法和工艺的报道比较多。中国科技大学磁流变研究组陈祖耀、江万权等人用Y-辐射技术产生直径在２００nm～５μm 的Co粒子，并将铁颗粒表面复合此纳米尺寸的Co粒子，形成铁复合物为悬浮粒子制备的磁流变液。在中国科技大学的旋转式磁流变液测试系统上测试，结果表明剪切屈服应力显着增大；用直径为２.５μm～８μm羰基铁粉分散于硅油中，并用偶联剂预先处理，改善液态相和固态相的相容性，可有效防止粒子沉淀，该磁流变液效应显着，且具有较大的温度稳定性。2002年，中国科学技术大学磁流变研究组成功地筛选制备了KDC—1磁流变液，该样品实验室工艺稳定，有较大的剪切屈服强度和沉降稳定性，其主要力学性能指标与美国Lord公司产品接近。现已完成对3家友邻研究单位KDC—1 MRF小批量实验室规模供给，反映良好。
2.2.3磁流变液的流变机理
按照磁畴理论可以解释磁流变效应。在磁流变液中，每一个小颗粒都可当做一个小的磁体。在这种磁体中，相邻原子间存在着强交换耦合作用。它促使相邻原子的磁矩平行排列，形成自发磁化饱和区域即磁畴。无外磁场作用时，每个磁畴中各个原子的磁矩排列取向一致，而不同磁畴磁矩取向不同。磁畴的这种排列方式使每一颗粒处于能量最小的稳定状态。因此，所有颗粒平均磁矩为零，颗粒不显磁性。在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外磁场反方向排列时的磁能，结果是同自发磁化磁矩成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。这时颗粒的平均磁矩不等于零，颗粒对外显示磁性，按序排列相接成链。当外磁场强度较弱时，链数量少、长度短、直径也较细，剪断它们所需外力也较小。随外磁场不断增强，取向与外场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴开始向外磁场方向旋转，磁流变液中链的数量增加，长度加长，直径变粗，磁流变液对外所表现的剪切应力增强；再继续增加磁场，所有磁畴沿外磁场方向整齐排列，磁化达到饱和，磁流变液的剪切应力也达到最高。磁流变液的磁化特征不仅依赖固态相本身的磁特性，而且与颗粒间聚集状态和结构特征密切相关。另外，磁流变液的磁化饱和强度与体积分数无关，但磁化率却随体积分数的增加而线形增加，且有随颗粒直径增大而增大的趋势。

2.3磁流变效应
2.3.1 磁流变效应的特征
磁流变效应是指磁流变液在外加磁场作用下，其流动状态(一般是指表示其流动阻力的表观粘度)和流体的屈服强度发生了强烈变化的现象。磁流变效应作为一种特殊的物理现象，一般具有以下特征:
①在外加磁场的作用下，磁流变液的表观粘度可随磁场强度的增大而增大，甚至在某一种磁场强度下，达到停止流动或固化，但当磁场撤除后，磁流变液又恢复到原始的粘度，即在外加磁场作用下，磁流变液可在液态和固态之间转换。
② 在外加磁场的作用下，磁流变液由液态至固态之间转换是可逆的。
③ 在外加磁场作用下，磁流变液的屈服强度随磁场强度的增大而增大。
④ 在外加磁场作用下，磁流变液的表观粘度和屈服强度随磁场强度的变化是连续的和无级的。
⑤ 在外加磁场作用下，磁流变液的表观粘度和屈服强度随磁场强度的变化是可控的，这种控制可以是人控的或自动的。
⑥ 磁流变效应的控制较简单，它只应用一个极易获得的磁场强度信号即可。
⑦ 磁流变效应对磁场作用的响应十分灵敏，一般其响应时间为毫秒级。
⑧ 控制磁流变效应的能量低，即由液态向固态的转换，不像物理现象中的相变要吸收或放出大量的能量。
磁流变效应的上述特征是发展磁流变液在工程技术领域中应用的科学依据，在充分利用这些特征的基础上，就能够开发一系列性能优良、价格低廉、有市场竞争能力的新产品。
2.3.2磁流变液的磁畴理论
根据磁畴理论可以解释磁流变效应。在磁流变液中，每一个小颗粒都可以当作一个小的磁体。在这种磁体中，相邻原子间存在着强交换祸合作用。它促使相邻原子的磁矩平行排列，形成自发磁化饱和区域，即磁畴。没有外加磁场作用时，每个磁畴中各个原子的磁矩排列取向一致，而不同磁畴磁矩的取向不同。磁畴的这种排列方式使每一颗粒处于能量最小的稳定状态。因此，所有颗粒平均磁矩为零，颗粒不显磁性。在外加磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外磁场反方向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。这时颗粒的平均磁矩不等于零，颗粒对外显示磁性，按序排列相接成链。当外加磁场强度较弱时，链数量少、长度短、直径也较细，剪断它们所需外力也较小。随着外加磁场强度的不断增大，取向与外加磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴开始向外磁场方向旋转，磁流变液中链的数量增加，长度加长，直径变粗，磁流变液对外所表现的剪切应力增强;再继续增加磁场，所有磁畴沿外加磁场方向整齐排列，磁化达到饱和，磁流变液的剪切应力也达到饱和。
2.3.3磁流变液的链化模型
① 磁流变液的链化过程
磁流变液中的颗粒磁极化后的链化过程主要与外加磁场强度有关系。在外加磁场作用下，磁流变液中的相邻颗粒问存在着强交换藕合作用，以促使相邻的原子的磁矩平行排列，形成磁畴。当磁矩与外加磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外加磁场反方向排列时的磁能时，磁流变液中的颗粒平均磁矩不等于零，颗粒对外显示磁性，按序排列相接成链。其链化过程如图2.9所示，颗粒被当作一些刚性微球，它们代表磁性颗粒，图(1)表示无磁场作用时，颗粒无规律地分布在基础液中，这种情况下的动态屈服应力为零;图（2）表示在外加磁场H作用下，在时间t=0s时，颗粒磁极化后形成的偶极子;图(3)表示在外加磁场H作用下，在时间t=0.1s时，磁流变液中的颗粒按序排列相接成链，磁流变液的表现粘度、增加;图(4)表示增加磁场强度，在时间t=1s时，磁链的数量增加，直径变粗，磁流变液的动态屈服应力和表观粘度增大，对外所表现的剪切应力增强;图(5)表示当撤除外加磁场时，磁流变液材料迅速复原，其响应时间只有几毫秒。

图2.9 颗粒链化过程的微观图
② 磁流变液链化的集聚方式
当有外加磁场作用时，颗粒被产生有序化的运动，这种运动从颗粒磁极化一开始就产生，直至有序化运动终止，达到相对稳定状态，形成某种固定的结构，即这些颗粒在磁场力作用下相互吸引，沿着N极和S极之间的磁力线方向形成链
状结构，这一过程称之为链化过程。颗粒磁极化后在磁场及颗粒之间相互作用下
的有序化运动，最终形成的结构，与单位体积内颗粒的数目、磁场强度及颗粒在
基液中的Brownian运动(热运动)的干扰和摩擦阻力的影响等有关。根据固体颗粒的体积分数不同，在磁流变液中可能有四种形态的颗粒集聚方式，即:
1)通链。这种链是由许多颗粒紧密联接而成，并粘附于两个平板之上，形成一个由许多颗粒构成的实体，这种链称为通链。
2)支链。这种链的一端从一个平板开始，或粘附于一个平板之上，而另一端则终止于两平板间的某一位置这种链称为支链。
3)孤立链。这种链的两端与任何一个平板都不联接，而是漂浮在基础液中，类似一个有序排列的颗粒集团，这种链称为孤立链。
4)束链。当固体颗粒体积分数达到一定数量时，有一些通链聚集而成为束链。
2.3.4影响磁流变效应的因素
影响磁流变效应强弱的主要因素有以下因素:
① 外加磁场的磁场强度
在外加磁场作用下，磁流变液具有一定的屈服应力，并且屈服应力随外加磁场的增加而增加，这种现象被认为是磁流变效应的主要标志。
② 颗粒的磁饱和强度
Carlson[30]人利用偶极子相互作用模型描述了磁流变液特性，建立了流变性能与悬浮相微粒饱和磁化强度的关系式
(2.8)
式中，为磁流变液的剪应屈服应力，和分别为悬浮相微粒的平均磁化强度和体积分数，为应变量，为介质相对磁导率，h为单链中微粒间隙宽度。该模型考虑了随外磁场增加伴随微粒的磁化饱和产生的磁非线性问题，能够用来评价磁流变体材料的磁学性能和力学性能。同时，利用所提供的微粒网内磁通密度分布机理对上述模型进行扩展，建立了复合流体的平均磁通密度与外磁场强度的关系式(2.9)及磁化强度的关系式(2.10)分别如下
(2.9)
(2.10)
式中，B为磁流变体的平均磁通密度，，是磁极化率，a为悬浮相微粒饱和磁化区和未饱和磁化区的比值，可作为B的函数来求，为悬浮相微粒饱和磁化强度。由式(2.9)可知剪应屈服应力与成正比，即选择高饱和磁化强度的悬浮相可提高屈服应力值，这与Ginder[31]等人的研究结果相一致。当悬浮相微粒磁化饱和后，剪切应力随磁场强度的增大变缓。随悬浮相体积分数的增大，剪切应力虽有较大幅度的增加，但同时会带来零场粘度的增大，屈服应力下降。另外，从磁流变体的B一H实验曲线可以看出饱和磁化后内察磁感应强度仍