多筒式磁流變液離合器的設(shè)計(jì)及仿真

陳德民， 蔡青格， 張 宏

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

多筒式磁流變液離合器的設(shè)計(jì)及仿真

陳德民， 蔡青格， 張 宏

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

為滿足B級轎車大轉(zhuǎn)矩傳遞的要求，并克服高速旋轉(zhuǎn)工況下離心力對磁流變液(Magneto-Rheological Fluid，MRF)的影響，提出了多筒式磁流變液離合器(Magneto-rheological Fluid Clutch，MFC)結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計(jì)了可以自動(dòng)消除因工作溫度變化導(dǎo)致磁流變液膨脹或收縮的壓力平衡機(jī)構(gòu)；同時(shí)，在Ansoft Maxwell中建立了離合器有限元分析模型，并對磁力線分布和磁場強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：當(dāng)勵(lì)磁電流在2.5～3 A之間時(shí)即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

磁流變液；多筒式；離合器

智能化是當(dāng)前汽車的發(fā)展方向，而對汽車零部件進(jìn)行智能控制是其中一個(gè)重要部分。磁流變液離合器(Magneto-rheological Fluid Clutch，MFC)是一種可智能控制的新型離合器[1-2],目前，MFC大多是用于傳遞小轉(zhuǎn)矩(如風(fēng)扇離合器)，只有少數(shù)幾款針對汽車而設(shè)計(jì)，且存在體積、質(zhì)量大，以及在高速旋轉(zhuǎn)工況下因離心作用而出現(xiàn)磁流變液固、液分離的問題[3]。筆者以B級轎車為對象，以解決高速旋轉(zhuǎn)工況對磁流變液性能的影響和傳遞大轉(zhuǎn)矩為目的，設(shè)計(jì)了一款多筒式MFC，并對磁場進(jìn)行了仿真研究。

1 離合器的設(shè)計(jì)

1.1 筒式MFC的轉(zhuǎn)矩計(jì)算

為便于計(jì)算，需要對筒式MFC進(jìn)行簡化。忽略磁流變液的壓縮和膨脹，假定磁流變液全過程為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)且流速是半徑r的函數(shù)，不考慮邊緣效應(yīng)。

對單個(gè)圓筒，在半徑r處離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩T1為

T1=2πr2LτB，

(1)

式中：L為磁流變工作區(qū)軸向長度(m)；τB為剪切屈服應(yīng)力(Pa)。

圓筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁流變液線速度v對r的微分為

(2)

式中：ω為磁流變液的角速度(rad/s)。

(3)

有磁場作用時(shí)，磁流變液的本構(gòu)關(guān)系為

(4)

式中：η為液動(dòng)力黏度(Pa·s)。

由式(1)-(4)可知，MFC傳遞的轉(zhuǎn)矩T2為

(5)

式中：r1、r2分別為磁流變工作區(qū)內(nèi)、外半徑(m)；ω1、ω2分別為內(nèi)、外半徑處對應(yīng)的角速度(rad/s)。

通常，與η有關(guān)的轉(zhuǎn)矩稱為黏度轉(zhuǎn)矩，在實(shí)際中相對于磁場轉(zhuǎn)矩往往很小，為便于分析計(jì)算，一般可忽略不計(jì)。當(dāng)有多個(gè)圓筒嵌套，形成n個(gè)工作區(qū)域時(shí)，其轉(zhuǎn)矩值為各個(gè)工作區(qū)域傳遞轉(zhuǎn)矩的疊加，多筒式MFC傳遞的轉(zhuǎn)矩T3為

(6)

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

按照多筒式結(jié)構(gòu)的設(shè)想，結(jié)合轉(zhuǎn)矩傳遞目標(biāo)和汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的空間布置要求，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和優(yōu)化，確定的多筒式MFC裝配圖如圖1所示。

圖1 多筒式MFC裝配圖

圖1中：采用3個(gè)主動(dòng)圓筒和2個(gè)從動(dòng)圓筒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了6個(gè)工作區(qū)域；離合器徑向最大尺寸為230 mm，軸向最大尺寸為124 mm；圓筒間的間隙值不能過大或者過小，其理想值為1～2 mm[4]，綜合考慮加工精度和價(jià)格因素后，取2 mm；為減輕圓筒重量，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，取壁厚為5 mm。各個(gè)圓筒的內(nèi)、外半徑尺寸如表1所示。

表1 圓筒內(nèi)、外半徑尺寸

1.3 壓力平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

線圈通電和磁流變液的剪切滑磨所產(chǎn)生的大量的熱量，會(huì)使傳動(dòng)裝置整體工作溫度升高，當(dāng)斷電停止工作后溫度又會(huì)逐漸降低。溫度的反復(fù)變化導(dǎo)致磁流變液體積也發(fā)生改變，而磁流變液膨脹之后會(huì)導(dǎo)致整個(gè)液體壓強(qiáng)增大，容易造成磁流變液泄漏。壓力平衡機(jī)構(gòu)可自動(dòng)消除磁流變液熱膨脹造成的壓力增大。

壓力平衡機(jī)構(gòu)由圖1中的活塞3、簧片24組成。工作時(shí)，離合器中產(chǎn)生的熱量使磁流變液膨脹，推動(dòng)活塞3向外運(yùn)動(dòng)，通過放置在活塞后的簧片24，把熱能轉(zhuǎn)化為彈性勢能；當(dāng)溫度降低后，活塞在簧片作用下恢復(fù)原位。

1.4 磁路參數(shù)的計(jì)算

張進(jìn)秋等[5]研制的磁流變液已經(jīng)成功應(yīng)用于我國某型軍用履帶車輛，其剪切屈服應(yīng)力τB與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系為

τB=-16.08B3-54.05B2+130.8B-5.7。

(7)

取B級轎車所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩值為250N·m，儲(chǔ)備系數(shù)為1.5，則目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為375N·m。把式(7)以及各工作區(qū)域的內(nèi)、外半徑代入式(6)，可得

T3=-6 521.08B3-59 333.93B2+286 056.98B-34.2，

(8)

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)最外側(cè)工作區(qū)域間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.212T時(shí)，即可達(dá)到要求。

根據(jù)磁路走勢將MFC劃分為7個(gè)部分，如圖2所示，其中：a、b、e、f、g為磁軛部分；c為單個(gè)圓筒的磁路；d為單個(gè)工作區(qū)域的磁路。通電之后，磁力線經(jīng)過這7部分形成閉合回路，其各部分尺寸分別為：la=71 mm,lb=7.5 mm,lc=2 mm,ld=5 mm,le=14.5 mm,lf=71 mm,lg=53.5 mm。

圖2 磁路構(gòu)成

磁阻的計(jì)算公式為

(9)

式中：L為磁路長度(m)；μ為物質(zhì)的絕對磁導(dǎo)率，其值為真空磁導(dǎo)率μ0與物質(zhì)相對磁導(dǎo)率μi的乘積；S為磁路的截面積(m2)。

計(jì)算可得總磁阻R=2 023 427.6 H-1。根據(jù)磁阻歐姆定律和基爾霍夫定律有

F=NI=ΦRm=B·S·Rm，

(10)

式中：N為線圈匝數(shù)；I為電流；Ф為磁路磁通。

受車載電流源的限制,最大電流不超過3 A，MFC的工況條件定為長時(shí)工作，計(jì)算得到線圈匝數(shù)為1 162，線圈窗口面積為871.5 mm2，查閱電工手冊，選擇等級為1的Q型油性漆包線。

2 離合器的磁場仿真

2.1 模型的建立

利用Ansoft Maxwell電磁有限元分析軟件對MFC的磁場分布進(jìn)行仿真。忽略邊界的漏磁現(xiàn)象，省去不導(dǎo)磁的軸承、軸套等結(jié)構(gòu)。由于離合器為軸對稱結(jié)構(gòu)，故取其1/2建立簡化的有限元分析模型，如圖3所示。其中：導(dǎo)磁材料選擇20鋼；非導(dǎo)磁材料選擇不銹鋼1Cr18Ni9Ti；因離合器邊界理想化，外部未發(fā)生漏磁現(xiàn)象，選用氣球邊界；內(nèi)部工作區(qū)域的間隙充滿磁流變液，其余間隙處填充介質(zhì)為空氣。

圖3 簡化的有限元分析模型

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 磁力線的分布

圖4為電流為3 A時(shí)的MFC中磁力線分布?？梢钥闯觯捍帕€近似垂直地通過圓筒工作區(qū)域，且分布比較均勻，表說明這種磁路設(shè)計(jì)是合理的。

圖4 MFC中磁力線分布

2.2.2 磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖5為電流強(qiáng)度分別為1、2、2.5、3 A時(shí)的磁力線矢量分布?？梢钥闯觯弘S著電流強(qiáng)度的增加，磁力線明顯增多、變密，B值也隨之變大。

圖5 磁力線矢量分布

圖6為電流達(dá)到3 A時(shí)，MFC整體磁感應(yīng)強(qiáng)度分布?？梢钥闯觯涸诖跑棽糠郑珺值未超過20鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度極值2.0 T，整個(gè)磁路中未出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象,表明磁軛設(shè)計(jì)合理。

圖6 MFC整體磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖7為勵(lì)磁電流為3 A時(shí)，工作區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度分布?？梢钥闯觯捍鸥袘?yīng)強(qiáng)度分布并不均勻，不同工作區(qū)域內(nèi)的B值由內(nèi)至外依次減??；而同一工作區(qū)域中，靠近線圈的B值較大，反之則較小。

圖7 工作區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖8為不同電流下外側(cè)工作區(qū)域的B值。根據(jù)圖8得到的仿真結(jié)果并結(jié)合式(8)，可得到不同電流下離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞能力，如圖9所示。從圖9可以看出：當(dāng)勵(lì)磁電流在2.5～3 A之間時(shí)，即可達(dá)到設(shè)定傳遞375 N·m的目標(biāo)。

圖8 不同電流下外側(cè)工作區(qū)域B值

圖9 不同電流下轉(zhuǎn)矩傳遞能力

通過數(shù)據(jù)擬合，得到多筒式MFC傳遞的扭矩T與電流關(guān)系為

T=-18.5I2+209.15I-50.7，

(11)

由式(11)可計(jì)算出不同電流下傳遞的轉(zhuǎn)矩大小，從而實(shí)現(xiàn)通過控制電流值達(dá)到轉(zhuǎn)矩精確輸出的目的。

[1] 汪建曉，孟光.磁流變液研究進(jìn)展[J].航空學(xué)報(bào), 2002, 23(1):6-12.

[2]JollyMR，BenderJW，CarlsonDJ.PropertiesandApplicationsofCommercialMagnetorheologicalFluids[J].JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures, 2000, 10(11):5-13.

[3] 陳德民，蔡青格，張進(jìn)秋，等.多片式磁流變液離合器的設(shè)計(jì)與仿真[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2013, 27(6):26-28.

[4] 郭崇志，萬志維.圓盤式磁流變傳動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算[J].機(jī)械傳動(dòng), 2010, 34(2):46-50.

[5] 張進(jìn)秋，張建，孔亞男，等.磁流變液及其應(yīng)用研究綜述[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 24(2):1-6.

(責(zé)任編輯:尚菲菲)

Design and Simulation of a Multi-cylindrical Magneto-rheological Fluid Clutch

CHEN De-min, CAI Qing-ge, ZHANG Hong

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To meet the requirement of transmitting a large torque of B-class automobile and overcome the effects of centrifugal force under high speed rotating conditions on Magneto-Rheological Fluid (MRF), a multi-cylindrical Magneto-rheological Fluid Clutch (MFC) is proposed. A pressure balance mechanism is designed to avoid the expansion or contraction of MRF caused by the temperature changes. A finite element analysis model is built in Ansoft Maxwell, and the magnetic force line distribution and magnetic field intensity are simulated. The simulation result shows that the design goal can be realized when the excitation current is between 2.5 A and 3 A.

magneto-rheological fluid; multi-cylindrical; clutch

1672-1497(2015)04-0036-04

2015-03-16

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目； 北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3152023)

陳德民(1965-)，男，副教授，博士。

U463.211

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.04.008