多盤式磁流變離合器的理論研究

張浩，胡元，李志雄，唐超權

（中國礦業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

近年來，磁流變液（Magnetorheological Fluid，MRF）作為一種新型智能材料受到了各國學者的廣泛關注，發(fā)展較為迅速。其良好的可控性、響應速度快、能耗低、溫度使用范圍廣、低碳環(huán)保等性能，在眾多領域中具有非常廣闊的應用前景。磁流變傳動（Magnetorheological Transmission，MRT）技術就是磁流變液所應用的一個重要方向。磁流變傳動技術是以磁流變液的流變效應為傳動理論，以磁流變液作為動力傳遞介質(zhì)，通過改變勵磁線圈的電流大小來控制外磁場強度，從而改變磁流變液的剪切屈服應力，達到控制傳遞轉(zhuǎn)矩大小的目的?；诖帕髯儌鲃蛹夹g而開發(fā)的磁流變傳動裝置（Magnetorheologicial Transmission Device，MRTD）與傳統(tǒng)動力傳遞裝置相比具有多方面的優(yōu)勢（其中以磁流變離合器為主要應用方向），如：低噪音、反應迅速、體積小、控制簡單、能耗低、磨損小、可以實現(xiàn)無級變速、軟起動和過載安全保護等優(yōu)點。MRTD 所具有的優(yōu)良動力傳遞性能，在今后的科技發(fā)展中將擁有非常廣闊的應用前景。

1 磁流變液概述

磁流變液是由微米級的軟磁性顆粒分散于基液中所形成的懸浮液，是一種可控智能材料，其流變特性可隨外加磁場的變化而發(fā)生顯著改變。無外磁場作用時，其具有良好的流動性，而存在磁場作用時，磁流變液可在極短的時間內(nèi)（毫秒級）連續(xù)、可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)楦哒扯?、低流動性的Bingham 流體，其表觀粘度可增大兩個數(shù)量級以上，呈現(xiàn)出類固體的性質(zhì)。由于其連續(xù)、可逆、迅速及易于控制等特點，使得磁流變裝置成為了電氣控制與機械系統(tǒng)間結(jié)構簡單、噪聲小且響應迅速的偶合器。

2 磁流變離合器概述

2.1 磁流變傳動基本原理

磁流變傳動主要是依靠磁流變液的剪切屈服應力來傳遞力和力矩。假設間距為h 的兩平板A、B間充滿了磁流變液，如圖1 所示，當平板A 相對于平板B 以速度v移動時，則兩平板間的磁流變液所受到剪切力，即兩平板間可以傳遞的力，其大小為：F=τA。

式中：τ-磁流變液的剪切應力；A-磁流變液剪切作用面積。

由此可知，決定磁流變傳動性能的因素主要有兩個：磁流變液的剪切屈服應力和剪切作用面積，并且這兩者與傳遞力成正比。所以，設計大功率磁流變傳動裝置應從兩方面考慮：一是當作用面積一定時，可以通過控制外磁場的強度來調(diào)節(jié)磁流變液的剪切屈服應力，從而控制傳遞的力，實現(xiàn)無級變速。二是當磁流變液的剪切應力為定值時，可以通過增加剪切作用面積來提高傳遞力的功率。因此，從理論上講，多盤式磁流變離合器的力傳遞性能應該優(yōu)于雙盤式。

磁流變液離合器的工作原理是利用了磁流變液的剪切力，結(jié)構一般有筒式、盤式、杯式等。以盤式磁流變液離合器為例，當外磁場為零時主動盤傳遞到從動盤的轉(zhuǎn)矩幾乎為零，而當外磁場增大時，由于磁流變液的剪切應力瞬間增強，使主動盤的轉(zhuǎn)矩傳遞到從動盤上，從而實現(xiàn)離合器的工作要求。

圖1 磁流變傳動基本原理

圖2 盤式磁流變液離合器原理圖

2.2 多盤式磁流變離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的計算模型

圖3 多盤式磁流變離合器力矩傳遞模型

圖3為多盤式磁流變離合器的剖視示意圖，磁流變液貯存于輸入盤與輸出盤之間的縫隙內(nèi)，輸入盤通過磁流變液的剪切屈服應力將力矩傳遞到輸出盤。通過控制勵磁線圈的電流強度來調(diào)節(jié)外磁場的大小，從而控制磁流變液的剪切屈服應力達到改變離合器傳遞力矩大小的目的。主、從盤的轉(zhuǎn)速分別為ω1、ω2，圓盤的內(nèi)徑為R1，外徑為R2，主、從盤間的距離為d，外加磁場為H。

多盤式離合器采用Bingham 塑性模型來描述磁流變液所產(chǎn)生的剪切屈服應力。

剪切速率可以定義為γ˙＝r（ω1－ω2）/d

在半徑為r 處的微轉(zhuǎn)矩為dT=2πr2τdr

對于具有N 個輸出盤的離合器，考慮到圓盤兩個表面都為工作面，那么多盤式離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的計算公式為：

由式（1）可以看出多盤式磁流變離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩T 包括兩個部分：一是由磁流變液的磁流變作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量TH，其受控于外加磁場H，屬于可調(diào)部分；二是由磁流變液自身的黏性所產(chǎn)生的分量Tη，其與外磁場H 無關，屬于不可控部分。

由于轉(zhuǎn)矩分量Tη相對于TH來說數(shù)值較小，通常所占的比重在2%以下，所以當無外磁場作用時，僅由磁流變液自身的黏度所傳遞的轉(zhuǎn)矩很小，幾乎可以忽略，此時磁流變離合器處于分離的狀態(tài)。而當勵磁線圈有電流通過時，磁流變液在外加磁場的作用下，流變狀態(tài)發(fā)生改變，主、從動盤通過磁流變液的剪切應力傳遞力矩，此時離合器處于結(jié)合的狀態(tài)。在磁流變液達到磁飽和狀態(tài)之前，離合器的力矩傳遞能力隨勵磁電流的增大而增強，從而實現(xiàn)無級變速的目的。

由式（1）還可知，多盤式磁流變離合器的最大力矩傳遞值取決于兩個因素：磁流變液的剪切屈服應力和輸出盤的個數(shù)。

3 結(jié)論

目前，對于磁流變離合器的研究，多數(shù)是以雙盤式磁流變離合器為主。雖然雙盤式磁流變離合器具有結(jié)構緊湊、反應迅速等優(yōu)點，但是，雙盤式磁流變離合器的缺點是轉(zhuǎn)矩傳遞性能不佳，這是由于雙盤式磁流變離合器的工作面只有一對所決定的。

而多盤式磁流變離合器除了具有雙盤式磁流變離合器的一些優(yōu)點之外，還具有可以傳遞較大轉(zhuǎn)矩的特點。理論上來說，多盤式磁流變離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞能力可以達到雙盤式磁流變離合器的幾倍以上，所以對多盤式磁流變離合器的傳遞性能研究是具有實際意義的。

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