基于磁流變轉(zhuǎn)向器和離合器的傳動系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：磁流變流體（MRF）；離合器；轉(zhuǎn)向器；傳動系統(tǒng)

0前言

隨著新能源汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，對其傳動系統(tǒng)的性能提出了新要求和新挑戰(zhàn)。高可控性、高精度與高響應(yīng)速度成為了新能源汽車傳動系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，這些發(fā)展方向可以通過軟/硬件方法實現(xiàn)。其中，軟件實現(xiàn)方法可采用控制系統(tǒng)配合一系列高精度傳感器完成［1］，而硬件實現(xiàn)方法則采用合適的傳動系統(tǒng)，包括齒輪、離合器和飛輪［2］。相較于傳感器方案，傳統(tǒng)機械系統(tǒng)在體積和質(zhì)量上有較大缺陷，模塊化程度較低［3］，但傳統(tǒng)機械系統(tǒng)在惡劣工況下可靠性更高。

近年來，磁流變流體（MRF）作為一種新型功能性流體材料，受到業(yè)界關(guān)注。MRF 由載流體和直徑為1～10 μm 的磁性顆粒組成，如圖1 所示。MRF 的表觀黏度隨所施加磁場的變化而變化，其在磁場作用下的響應(yīng)時間約為5 ms［4］。

MRF的流變效應(yīng)使其在傳動領(lǐng)域有較好的應(yīng)用場景，如通過改變勵磁線圈電流控制外加磁場強度，從而改變MRF 的剪切屈服應(yīng)力來達到控制傳遞力與力矩的目的［5］。

磁流變離合器（MRF-CL）以MRF 的流變效應(yīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸摩擦，相較于傳統(tǒng)離合器具有結(jié)構(gòu)簡單、磨損小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點［6］。MRF-CL 所能產(chǎn)生的扭矩密度比隨著離合器片數(shù)的增加而上升［7］，增加離合器片數(shù)可以在不減少扭矩輸出的情況下縮小離合器體積。但是離合器僅具有傳遞扭矩的作用，而不具備轉(zhuǎn)向功能，單獨的MRF-CL 在傳動系統(tǒng)中功能有限。目前將MRF 應(yīng)用于轉(zhuǎn)向機構(gòu)的研究還較為欠缺。本文以MRF 應(yīng)用于汽車傳動系統(tǒng)為目標，設(shè)計了一套具有MRF-CL 和磁流變轉(zhuǎn)向器（MRF-DC）的傳動系統(tǒng)原型，并測試其相關(guān)性能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文采用LORD 公司生產(chǎn)、型號為MRF-132DG 的MRF，該型號MRF 是在磁流變（MR）領(lǐng)域中最為廣泛應(yīng)用的材料之一。

1. 1 多盤式MRF-CL

1. 1. 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文開發(fā)了一種多盤式MRF-CL，直徑為158 mm、寬度為90 mm，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。驅(qū)動軸（A）為輸入端，從動軸（B）為輸出端。驅(qū)動軸與驅(qū)動軸底座（C）相連，底座上有MRF 注入口（D）、排氣口（E）和MRF 流道（F）。驅(qū)動軸底座和驅(qū)動軸通過復(fù)合滾針軸承連接。2 個驅(qū)動盤（G）固定在驅(qū)動軸基座上，中間由鋁環(huán)（H）隔開，以保持驅(qū)動盤之間的距離固定。3 個從動盤（I）固定在從動軸（B）上，外側(cè)同樣由鋁環(huán)相隔以保持間距不變。線圈鐵芯（J）由坡莫合金制成，鐵芯周圍的線圈（K）由銅線繞制。由硅鐵合金制成的金屬板（L）用于將線圈產(chǎn)生的磁場導(dǎo)向MRF-CL 中心。鋁制外殼（M）容納所有部件。運動部件和固定外殼之間由軸承連接。

相較于傳統(tǒng)MRF-CL 設(shè)計中以磁性材料制成的轉(zhuǎn)軸作為勵磁線圈鐵芯，所開發(fā)的多盤式MRFCLMRFCL在驅(qū)動盤及從動盤周圍環(huán)形設(shè)置了獨立固定的線圈，解決了既有方案中必須安裝電刷的問題，同時提高了可制造性和可維護性。

根據(jù)所用MRF-132DG 的生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)，在最大磁感應(yīng)強度0.2 mT 下，流體的最大屈服應(yīng)力為25 kPa，則由式（4）計算可得流體提供的最大剪力為231.2N。

1. 2 MRF-DC

1. 2. 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所開發(fā)的MRF-DC 結(jié)構(gòu)如圖4 所示，其直徑為90 mm，長度為160 mm。設(shè)計中使用了4 個錐齒輪組件齒輪箱以實現(xiàn)方向轉(zhuǎn)換和輸出的功能。驅(qū)動軸（A）為輸入端，從動軸（B）為輸出端。驅(qū)動軸和從動軸都由磁性材料制成，起鐵芯作用。從動軸與制動器（C）固定。殼體（D）由鋁制成。錐齒輪組（E）固定在殼體內(nèi)部。殼體內(nèi)部間隙以MRF（F）填充，線圈（G）環(huán)繞在殼體外。外側(cè)線圈所產(chǎn)生的磁場經(jīng)由傳動軸通入內(nèi)部，使MRF 固化以控制MRF-DC 運動狀態(tài)。

當MRF 處于液態(tài)（未施加磁場）時，MRF 不對錐齒輪提供力，作用等同于潤滑劑，輸出軸的方向在齒輪箱內(nèi)被轉(zhuǎn)換為輸入軸的反方向。當MRF 處于高黏度狀態(tài)（施加磁場）時，錐齒輪間隙中的MRF 可以嚙合錐齒輪。在這種情況下，輸入軸帶動整體一起旋轉(zhuǎn)，輸出軸的方向與輸入軸保持同向。MRF-DC 的工作模式見表1。

1. 2. 2 磁場與剪力

對MRF-DC建立磁阻模型，表2列出了MRFDC各部分的磁導(dǎo)率、長度、面積和磁阻。根據(jù)式（3）計算可得總磁阻為3.20×109 H?1。利用式（1）和式（4）可以推出，當線圈為2000匝、勵磁電流為4 A時，MRF-DC所能產(chǎn)生的最大剪力為0.6 N。

1. 3整體系統(tǒng)

本文提出的傳動系統(tǒng)由MRF-DC、MRF-CL和制動器（BR）組成，如圖5 所示，該系統(tǒng)可提供多種工作模式，包括速度、扭矩和方向轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)4 種具有代表性的工作模式見表3，其對應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換如圖6 所示。

由圖6（a）、圖6（b）可見，斷開MRF-CL 可迅速將模式從正向自由模式轉(zhuǎn)換為反向自由模式。當系統(tǒng)需要交替切換方向時，MRF-DC 和BR 的狀態(tài)可同時發(fā)生變化。當從正向（反向）切換到反向（正向）時，MRF-DC 為斷開（嚙合），BR 為嚙合（斷開）。

MRF-CL 的嚙合是傳輸動力的必要條件。由圖6（e）可見，當對MRF-DC 施加外部磁場，內(nèi)部MRF 固化（圖中呈深灰色）、MRF-DC 嚙合時，殼體與驅(qū)動軸同向旋轉(zhuǎn)，此時BR 斷開，通過嚙合的MRF-CL 傳遞的系統(tǒng)輸出方向為同向。相反，當BR 嚙合時，殼體被固定在底座上，此時MRF-DC內(nèi)MRF 呈液態(tài)，錐齒輪可以正常工作，輸入端方向經(jīng)由齒輪組逆轉(zhuǎn)，系統(tǒng)輸出方向與輸入端相反，如圖6（d）所示。當MRF-CL 斷開時，無論MRF-DC和BR 的工作狀態(tài)如何，輸出端均處于自由狀態(tài)；但是MRF-DC 的工作狀態(tài)會對系統(tǒng)局部運動狀態(tài)產(chǎn)生影響，當MRF-DC 工作時，輸入軸通過“ 錐齒輪傳動”使輸出軸在MRF-CL 前端發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同時由于殼體未被BR 固定可以發(fā)生“殼體旋轉(zhuǎn)”，導(dǎo)致這2 種動力的方向相互抵消。因此，即使MRF-CL 處于嚙合狀態(tài)，輸出軸也處于自由狀態(tài)，但當MRFDC和BR 都處于嚙合狀態(tài)時，輸入軸的動力完全被BR 阻斷，此時整體系統(tǒng)也處于停止狀態(tài)。

2 試驗結(jié)果

2. 1 工作模式確認

以電機為動力源，具有執(zhí)行器、角度和扭矩傳感器的測試平臺被開發(fā)用于驗證系統(tǒng)的可行性，如圖5所示。通過初步測試，整體系統(tǒng)符合設(shè)計需求，在不同的電流組合下可以根據(jù)表3 改變工作狀態(tài)。

2. 2 扭矩測試

在0 A、0.3 A、0.6 A、0.9 A、1.2 A、2.1 A 和3.0 A 的勵磁電流下對整個系統(tǒng)進行測試，實際扭矩輸出由最大扭矩減去初始位置扭矩計算得出。圖7 為各電流下的實際扭矩。由圖7 可以看出：實際扭矩在3.0 A 勵磁電流時達到最大，整體輸出扭矩隨勵磁電流增大而增大，符合預(yù)期設(shè)計；但從0.9 A 勵磁電流開始，扭矩的增長幅度變小。

2. 3 響應(yīng)速度測試

為測試整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度，試驗電流設(shè)定為2.0 A，輸入電機轉(zhuǎn)速為2 r/min，系統(tǒng)設(shè)定為單向旋轉(zhuǎn)，記錄從輸出改變方向信號到達到系統(tǒng)在外加磁場作用下輸出最大扭矩的時間，結(jié)果見表4。由表4 可以看出，平均響應(yīng)時間為0.3 s。ZHANG 等［4］開發(fā)的葉片型MRF 傳動裝置的平均響應(yīng)時間為1.23 s，與之相比，本文所開發(fā)的傳動系統(tǒng)將響應(yīng)時間從1.23 s 縮短至0.3 s，提高了75.6%。由此可證實所設(shè)計的系統(tǒng)具有高響應(yīng)速度。

3 結(jié)語

在本研究中，通過設(shè)計MRF-DC 和MRF-CL，開發(fā)了一種傳動系統(tǒng)原型。通過改變MRF 的狀態(tài)，整個系統(tǒng)可提供具有代表性的4 種工作模式，包括反向、正向和2 種自由模式，同時具有高響應(yīng)速度。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足設(shè)計的工作模式，可以充分發(fā)揮作用。該傳動系統(tǒng)可應(yīng)用于汽車方向控制及動力傳輸，但系統(tǒng)理論值和測量值之間存在偏差，未來需要進一步優(yōu)化磁路，盡量縮小各部分體積，以減少能量損耗。