В течение последних десятилетий сформировалось новейшее научно-техническое направление, объединяющее научные достижения коллоидной физической химии, физики магнетизма, электромеханики, трибологии, электродинамики и других областей науки. В результате научных и практических исследований создано новое поколение магнитоуправляемых материалов, физические и функциональные свойства которых целенаправленно регулируются при воздействии на них магнитных полей.
Магнитоуправляемые композиции подобного рода синтезируются с применением ультрадисперсных и дисперсных магнетиков. В зависимости от степени дисперсности и организации физико-химической структуры существует несколько типов синтезируемых композиций:
- магнитные коллоиды (магнитные жидкости), синтезируемые преимущественно с использованием жидкостей-носителей и ультрадисперсных магнетиков с размеров частиц в несколько десятков нанометров;
- магнитореологические жидкости (суспензии), при синтезе которых в качестве дисперсной среды (феррофазы) используют магнетики с размером частиц до нескольких микрон;
- магнитоуправляемые микроносители, в процессе синтезирования которых отдельные частицы магнетика или их ассоциации размещают в полимерную, электропроводную или иного рода оболочку.
Способность магнитоуправляемых композиций изменять вязкость и напряжение сдвига под воздействием магнитного поля позволяет создавать новые магнито-механические устройства различного назначения, в том числе осуществлять управляемое включение и отключение передачи крутящего момента от входного звена к выходному, управлять демпфированием колебаний и т. д. Рассмотрим на примерах перспективы внедрения новых магнитоуправляемых материалов для машиностроения.
Магнитореологические муфты
Все большее значение в конструкции автомобиля находят муфты, которые могут совмещать работу на различных режимах: сцепления, скольжения и тормоза. Также муфты должны работать в режиме обратной связи, т. е. регулироваться в процессе работы автоматически и управляться от единого блока управления, который контролирует работу всех систем автомобиля. Магнитореологические муфты обладают всеми этими качествами и позволяют создавать саморегулирующиеся узлы и тем самым существенно увеличить ресурс их работы. В сравнении с традиционными предлагаемые муфты имеют следующие преимущества:
- — возможность регулирования в режиме скольжения;
- — небольшая потребляемая мощность;
- — плавность изменения характеристик и поглощения крутильных колебаний в режиме скольжения;
- — возможность передачи больших моментов (в многодисковом исполнении).
Для автомобиля малого класса разработана и испытана магнитореологическая муфта, заменившая фрикционное сцепление (рис. 1), которая имеет следующие характеристики: передаваемый момент > 55Nm при средней температуре корпуса муфты 200°C; потребляемая мощность < 25 Bт; максимальные обороты — 5500 об/мин.; момент инерции входной части > 0,15 кг/м; момент инерции выходной части муфты 3 гм; активная площадь ведомого диска — 168 см2 на среднем радиусе 7,5 см; объем рабочей среды — 30 мл3.
Рис. 1. Магнитоуправляемая муфта сцепления для автомобиля.
Рис. 2. Зависимость момента от напряжения, частоты вращения, температуры диска.
На рис. 2 представлены экспериментальные данные магнитоуправляемого сцепления автомобиля. Муфта сцепления управляется блоком управления по заданному алгоритму. Выключение происходит принудительно выключателем, установленным на ручке переключений скоростей коробки передач или автоматически при достижении оборотов двигателя ниже 1200 об/мин. Заданный алгоритм достигается изменением напряжения на катушке магнитопровода от 0 до 12V. Был предусмотрен режим торможения двигателем при сбросе дросселя двигателя. Пробег автомобиля в городском режиме составил 23 тыс. км. Были проведены также ускоренные ресурсные испытания по оптимизации рабочей среды магнитореологического сцепления для достижения заявленных требований.
Выводы, полученные в ходе эксперимента, показали целесообразность усовершенствования системы управления поддерживанием минимально допустимого скольжения ведомой и ведущей частей сцепления при синхронном вращении. Это уменьшает время выключения сцепления, тем самым исключает эффект заклинивания, который происходит в идентичных муфтах с малоинерционными ведомыми дисками.
Опыт использования магниреологической муфты в качестве сцепления является базой для разработки муфт в других узлах автомобиля:
Блокировка дифференциала
Предлагаемая технология благодаря управляемой работе муфты в режиме скольжения позволяет использовать обратную связь от датчиков скорости вращения, установленных на колесах автомобиля. Это обеспечивает полную блокировку дифференциала на малых скоростях движения автомобиля и частичную блокировку на высоких. Известные способы (червячные, вязкостные, фрикционные и т. д.) не позволяют использовать блокировку в полной мере.
Предлагаемая конструкция магнитоуправляемой муфты по сравнению с традиционными типами муфт позволяет: передавать большие крутящие моменты, сделать механизм блокировки более надежным и дешевым.
Работа муфты заключается в следующем: магнито-управляемая композиция находится между ведомым и ведущим дисками, при буксовании одного из колес автомобиля датчики подают сигнал на блок управления. С блока управления соответствующий ток подается на катушку магнитопровода муфты. Композиция в магнитном поле меняет свою вязкость, и тем самым увеличивается вязкостное трение между ведущим и ведомым дисками муфты, и она блокируется. Момент блокировки муфты зависит от величины силы тока, поступающего с блока управления. Алгоритм, заложенный в блоке управления, отслеживает частоту вращения каждого колеса автомобиля и подает определенную величину тока на муфту блокировки, чем обеспечивает устойчивость автомобиля на дороге, как при малых скоростях движения, так и при высоких.
1. Отличительные характеристики:
— сухое трение отсутствует;
— регулирование в режиме скольжения;
— потребляемая мощность ? 25 Вт;
— плавность изменения характеристик;
— развязка двигателя и трансмиссии по крутильным колебаниям;
— максимальные обороты 5500 об/мин;
— передаваемый момент 55 Nm;
— объем магнитоуправляемой композиции — 30 см3;
— питание от борта 12 V;
— пробег в городском цикле 42 тыс. км.
Механические и регулировочные характеристики подобных муфт зависят от типа магнитоуправляемой композиции.
Тип магнитоуправляемой композиции, которая использовалась в качестве рабочей среды в описанной муфте, характеризуется регулируемыми вязкостью и пределом текучести (касательные напряжения сдвига). Их значения зависят от параметров магнитного поля и скорости сдвига, которые в конечном счете и определяют зависимость нагрузочного момента муфты и ее выходную скорость. Режим синхронного вращения входного и выходного элементов муфты достигается благодаря пределу текучести. В случаях, когда по каким-либо причинам выходная скорость оказывается ниже входной (например, касательные напряжения превзошли предел текучести), предельный момент зависит также от гидродинамической составляющей.
Эта идеология была реализована в конструкции муфты для автомобиля малого класса. Была разработана магнитоуправляемая композиция с требуемыми магнитными и реологическими свойствами, проведены расчеты, разработана конструкторская документация и изготовлены несколько экземпляров магнитореологической муфты. Опытные образцы прошли стендовые и ходовые испытания.
Механические и регулировочные характеристики муфты подтвердили эффективность технического решения конструкция, — магнитоуправляемая композиция, — система управления. Испытания проводились в весьма жестких условиях по нагрузкам и температурам. В конечном варианте с использованием магнитоуправляемой композиции, оптимальной по структуре и составу в соответствии с ТЗ, муфта проработала 3,5 месяца на испытательном стенде и в составе изделия (не автомобиль). Можно отметить, что положительный результат получен во многом благодаря отработанной технологии синтеза магнитоуправляемой композиции. Система управления обеспечивала требуемую работоспособность муфты при приблизительно 35-процентном ухудшении магнитореологических характеристик композиции. Оценка эквивалентного ресурса муфты для нормальных условий функционирования свидетельствует о превышении профилактического срока на ~15 %.
Были также реализованы и опробованы устройства:
• Муфта привода вентилятора для охлаждения радиатора. Использование в управлении муфтой обратной связи от датчика температуры позволяет поддерживать оптимальную температуру.
• Муфта привода механического нагнетателя наддува позволяет автоматизировать процесс включения и выключения нагнетателя с целью получения наибольшего КПД двигателя.
• Муфта отключения водяной помпы двигателя обеспечивает ускоренное прогревание двигателя при холодном пуске и как следствие уменьшение выбросов токсичных веществ отработавших газов.
Магнитоуправляемые демпферы
Эксплуатационные качества автомобиля напрямую зависят от статических и динамических свойств упругих и демпфирующих элементов подвески, от системы управления свойствами подвесок. Большое разнообразие конструкций подвесок и систем управления обусловлено стремлением улучшить хотя бы один из эксплуатационных критериев: комфорт и плавность движения; устойчивость движения, безопасность и управляемость колеса; стабилизация пространственного положения и высоту кузова автомобиля как в статике, так и в динамике.
Большинство пассивных и управляемых активных подвесок относятся к дискретному типу. Они имеют, как правило, две-три ступени автоматически или вручную переключаемых жесткости и демпфирования, алгоритмы управления которыми относятся к ситуационным или интегральным. Однако время между переключениями существенно больше времени переходного процесса самого быстрого элемента подвески — колеса. В этой связи очевидно, что подобные решения не в состоянии эффективно обеспечить стабилизацию силы давления колеса на дорогу и исключить «пробой подвески».
Сейчас известны активные подвески с системами управления, когда используются гидроамортизаторы; дискретные управляющие элементы типа электромагнитных, гидро- и пневмоклапанов; шаговые электродвигатели и другие элементы. Управление в них осуществляется с помощью микропроцессоров или электронных контроллеров, по сигналам датчиков скорости и ускорения движения, поперечных ускорений кузова, угла поворота рулевого колеса и высоте кузова над дорогой. В таких системах быстродействие составляет 50 мс, что, однако, также превышает время переходных процессов пары колесо-дорога.
Есть и другие оригинальные решения, но наиболее перспективными представляются устройства на основе магнитоуправляемых композиций.
Рис. 3. Магнитоуправляемый демпфер. Рис. 4. Схема магнитоуправляемого демпфера.
Создание активной подвески на базе управляемого магнитореологического амортизатора (УМРА) (рис. 3, 4) помимо создания самого УМРА, как исполнительного элемента подвески, связано с решением ряда задач:
- • создание магнитоуправляемой композиции, используемой в качестве рабочего среды в УМРА;
- •разработка системы съема и обработки первичной информации;
- • разработка алгоритмического обеспечения системы управления;
- • схемотехническая и приборная реализация блока управления;
Требуется обеспечить параметры:
- • кратность (глубина) регулирования при демпфировании приведенной массы 294,3 Н с/м должна соответствовать коэффициентам демпфирования:
- Кдмин. = 200 + 10 Н с/м при токе управления Iу = 0;
- Кдмакс. 5000+ 200 Н с/м при Iу макс = 5 А;
- • питание от борта Un = 12 + 0,5 В;
- • диапазон рабочих температур — 40… + 70°С;
- • предпочтительная линейная зависимость силы демпфирования Fд = ? (V) в диапазоне скоростей –1 м/с < V < +1 м/с в тактах сжатия и отбоя;
- • аналогичное требование по управляемой зависимости Кд = ? (Iу);
- • быстродействие не ниже 10 мс.
В качестве рабочей среды была использована разработанная магнитореологическая композиция с требуемыми магнитными и реологическими свойствами. Проведены расчеты и разработана конструкторская документация. Опытные образцы прошли стендовые испытания для двух типов автомобиля — среднего и малого классов. На графике (рис. 5) представлена зависимость демпфирующего усилия от скорости изменяющейся в диапазоне от —0,4 до +0,4 м/с, и токах управления от 0 до 3 А.
Рис. 5. Влияние скорости на силу при различном токе управления.
Магнитоуправляемые смазочные материалы (магнитные жидкости)
В ИМАШ РАН разработаны магнитоуправляемые смазочные материалы (МСМ) с наноразмерной феррофазой и повышенной термостабильностью, исследованы их магнитные, реологические и трибологические свойства при контактных давлениях, скоростях и температурах применительно к различным зубчатым передачам, подшипникам качения (ПК) и скольжения (ПС).
Существенным образом на топографию магнитного поля влияет геометрия поверхностей, определяющих форму слоя МСМ, направление и величина градиента напряженности магнитного поля, что в конечном счете определяет соответствующие перемещение и удержание МСМ в узких зазорах. Этот механизм в наибольшей степени проявляется в случае зубчатого зацепления.
Улучшение трибологических свойств сопряжений обеспечивается усилением магнитных свойств дисперсной феррофазы за счет увеличения ее концентрации и параметров управляющего магнитного поля, а также повышением вязкости основы МСМ. Однако при трении контактных поверхностей в условиях граничной и полужидкостной смазки (повышенные или высокие контактные давления и температуры, низкие скорости) более эффективным является введение в структуру МСМ комбинированных присадок. Механизм воздействия присадок на структуру и свойства магнитных смазочных жидкостей состоит из следующих этапов: образование прочной внешней оболочки на частицах магнетита, адсорбция и химическое взаимодействие присадки со свежеобразованными поверхностями трения, адсорбция поверхностно активного вещества на продуктах изнашивания и предотвращение их последующей агрегации. В рамках такого механизма использование химически активных присадок из-за их сильного адсорбционного и разрушительного действия на оболочку частиц нежелательно. Для повышения смазочной эффективности МСМ предпочтительны комбинации слабых противоизносных присадок по типу химического воздействия с сильными поверхностно активными веществами.
Эффективность МСМ в зубчатом зацеплении иллюстрируется тремя фазами зацепления маркированного зуба на верхнем колесе при его приближении к линии, соединяющей центры обоих зубчатых колес (рис. 6). По мере прохождения зубом фаз № 1, 2, 3 МСМ перемещается и удерживается на участках эвольвентных поверхностей на входе и на выходе из контакта, предохраняя их от кромочного контакта.
Фаза № 1 Фаза № 2 Фаза № 3
Рис. 6. Фазы зацепления маркированного зуба на верхнем колесе.
Трибологические свойства МСМ в значительной степени обусловлены свойствами жидкости-носителя. Применительно к различным типовым узлам трения и их условиям функционирования в таблице 1 представлены типы МСМ с различными основами (углеводородные масла М9 С и ПАОМ20, фторорганика, турбинное масло), а также с высокотемпературными присадками (ВП). За счет оптимизации состава и структуры МСМ с наноразмерной феррофазой существенно повышаются их термостабильность, магнитные и ресурсные параметры.
Ресурсные испытания МСМ, проведенные по ГОСТ21466-76, показали существенное увеличение работоспособности МСМ на основе М9 С (175 минут у МСМ № 1) и на основе М9 С+ ВП (225 минут у МСМ № 2). Эти результаты получены при температуре 150°С (рис. 7 а).
Сопоставление полученных при 200°С работоспособностей МСМ и их основ (рис. 7 б) показывает двухкратное увеличение этого параметра у МСМ № 1 (основа М9 С) и трехкратное у МСМ № 2 (основа М9 С+ВП).
а) б)
Рис. 7. Работоспособность МСМ: а – ресурс (минуты) при 150°С, б – ресурс (минуты) при 200°С.
В таблице 1 рекомендуемые области применения различных типов МСМ определяются уровнем нагрузок, скоростей и температур.
Воздействие на МСМ градиентных магнитных полей обеспечивает целенаправленное их перемещение и удержание в контакте поверхностей трения зубчатых передач, подшипниковых и уплотнительных конструкций.
Положительный эффект отприменения МСМ в зубчатых передачах, особенно в мелкомодульных, а также в разработанных червячном и двухступенчатом редукторах объясняется длительным удержанием магнитной жидкости в зазоре и в зоне контакта, постоянством ее свойств в широком диапазоне изменения температуры, давлений и скоростей, а также обеспечением повышенной износостойкости трущихся материалов.
Предложенные в статье магнитоуправляемые конструкции демпферы, муфты редукторов, а также магнитно-смазочные материалы имеют ряд преимуществ: минимальные габариты, быстродействие, низкий коэффициент трения и повышенную износостойкость пар трения и эффективность использования, что обеспечивает легкость, надежность и долговечность изделия.
А. Ю. Албагачиев, В. Д. Данилов (ИМАШ РАН)
е-mail: Albagachiev@yandex.ru, 8-905-7006368
<"