磁流变可调矩传动离合器磁路设计

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汽车磁流变液离合器的设计

Ｍｉｎｎｅｈｏｇ，ｕｈｕＪｎｓ２６Ｃｉ）ｎｇａｄＴｃｎｌｙＸｚｏａｇｕ２１，ｈｎｉｏｉ１１ａ
ＡｂｔａｔＡｉｄａｅｅｔｏｅｉｄｉｈｌ — ｉｋｆｉｔｏｌｔｈｏｕｏｂｌｒｎｍｉｓｏａｎｗｕｏｂｌｓｒｃ：ｍｅｔｄｆｃｓｎｗｘｔｎｔｅｍｕｔｄｓｒｃｉｎｃｕｃｆａｔｍｏｉｔａｓｓｉｎ，ｅａｔｍｏｉｅｉｅｅｍａｎｔｒｅｌｇｃｌｆｕｄｃｕｃｓｐｏｏｅｎｅｉｎｄ．Ｔｅｐｎｉｌｏｇｅｏｈ００ｉａｕｄｃｕｃｓｎｒ－ｇｅｏｈｏｏｉａｉｌｔｈｗａｒｐｓｄａｄｄｓｇｅｌｈｒｃｐｅｆｍａｎｔｒｅｌｇｃｌｆｉｌｔｈｗａｉｔｏｉｌｄｃｄ，ｃａｉａｏｉｅｔｃｕｅｗａｅｉｎｄ，ｎｈｅｒｓｒｃｕｅａｄｈａｔｃｕｅｄｓｇｒｐｃｆｅ．ｕｅａｍｅｈｎｃｌｃｍｂｎｄｓｒｔｒｓｄｓｇｅａｄｔｅｇａｔｔｒｎｅｔｓｒｔｒｅｉｎｗｅｅｓｅｉｄＡｕｕｕｉｍａｎｔｉｃｉｓｒｃｕｅｗａｅｉｎｄａｄｏｔｍｉｅｙｕｉｇｆｉｌｍｅｔａａｙｉｏｔｒｇｅｉｃｒｕｔｔｕｔｒｓｄｓｇｅｎｐｉｚｄｂｓｎｉｔｅｅｎｎｌｓｓｓｆｃｎｅｗａｅＡＮＳＹＳ．ｅｍａｎｔｒｅ — Ｔｈｇｅｏｈｏｌｇｃｌｆｉｌｔｈｃｎａｏｄｔｅｆｕｔｎｏｒｌｓａｓｄｂｈｌｅｂｔｅｒｃｉｎｄｓｓｍａｉｇｔｅｄｉｅｓｓｅｏｉａｕｄｃｕｃａｖｉｈａｌｓａｄｐｗｅｏｓｃｕｅｙｔｅｓｉｅｗｅｎｆｔｏｉｋ，ｋｎｈｒｙｔｍｌｄｉｖｍｏｅｅｅｇ —ａｉｇａｄｓｆ．ｈｅｅｓｂｅｃｎｅｓｏｆｍａｎｔｒｅｌｇｃｌｆｕｄｆｏｓｌｄｓａｅｔｉｕｄｓａｅｃｎｃｎ— ｒｎｒｙｓｖｎｎａｅＴｅｒｖｒｉｌｏｖｒｉｎｏｇｅｏｈｏｏｉａｉｒｍｏｉｔｔｏｌｉｔｔａｏｌｌｑｐｅｅｗｉｉｏｌｉｅｏｄ，ｋｎｈｌｔｈｒｓｏｄｆｓｅｎｍｐｏｉｇｔｅａｔｍｏｉａｉｂｅｒｓｏｓａａｉｔ．ｌｔｔｎｓｍｅｍｉｓｃｎｓｍａｉｇｔｅｃｕｃｅｐｎａｔｒａｄｉｒｖｎｈｕｏｂｌｖｒａｌｅｐｎｅｃｐｂｌｙｈｌｅｉＫｅｗｏｄａｔｍｏｉｌｔｈ；ｇｅｏｈｏｏｉａｕｄ；ｃａｉａｔｃｕｅ；ｇｔｉｃｉｙｒｓ：ｕｏｂｌｃｕｃｍａｎｔｒｅｌｇｅｌｆｉｍｅｈｎｃｌｓｒｔｒｍａｎｅｉｃｒｕｔｅｌｕｃ

磁流变风扇离合器结构设计与可控性分析

Ｈｏｇｓｅｇ，Ｎｉｇ，ＵｉｎＪＡＧＸｅｚｅｇ，ＨＮｉｉＵＨｎ—ｈｎＷＡＧＪｎＣＩａｇ，ＩＮｕ — ｎＺＡＧＬ－ｅｏＬｈｊ
（．ｃｏｌｆｃａｉｌｎｉｅｒｇＮＳＮｎｉｇ２０９，Ｃｉａ１Ｓｈｏｏｈｎｃｇｎｅｎ，ＵＴ，ａｊ１０４ｈｎ；ＭｅａＥｉｎ２ＳｈｏｏｃａｉｌｎｌｔｃｌｎｉｅｒｇＪｘｎｎｖｒｔ，ｉｉｇ１０１Ｃｉａ．ｃｏｌｆＭｅｈｎｃｄＥｅｒａＥｇｅｉ，ｉｉｇＵｉｓｙＪｘ４０，ｈｎ）ａａｃｉｎｎａｅｉａｎ３ＡｓａｔＡｃｒｉｇｔｔｒｂｅｆｅｇｎｂｅｏｒａｚａ－ｍｏｓｃｔｅａｊｓｅｔｆａｂｔｃ：ｃｏｄｎｅｐｏｌｏｉａｌｔｅｌｅｅｌｉｅｃｎｅｕｉｄｕｔｎｎｒｏｈｍｂｎｕｉｒｔｖｍｏｆ
分析了模型中各参数对输出转矩的影响。依据磁路设计理论，出了磁流变离合器磁路的两种提
设计方法。采用ＡＳＳ软件进行了磁流变离合器磁路的数值分析，证了理论计算结果的正ＮＹ验
确性。优化设计并加工了磁流变离合器的系列试验样品。利用构建的磁流变离合器性能测试
平台进行了样品的机械静态特性、出特性、输调速特性试验研究。结果显示：该磁流变离合器在
２Ａ输入电流控制下，出静态转矩达到ｌｍ；输３Ｎ・转矩随转速差加大增加的幅度较小，持在保０４～．ｍ之间；．０８Ｎ・负载特性试验证实了磁流变离合器输出转速的可控性。

车用磁流变离合器磁路设计研究

车用磁流变离合器磁路设计研究韩晓明，薄玉成，张鹏军，王慧（中北大学机电工程学院，山西太原030051）来稿日期：2012-03-10基金项目：山西省研究生创新项目（20103089）、太原市大学生创业项目（110148066）作者简介：韩晓明（1974－），男，山西文水人，在读博士，从事结构振动与阻尼控制技术研究1引言离合器是汽车传动系统中直接与发动机相连接的部件，其主要作用是传递和切断发动机传给传动系的动力，以保证汽车的平稳起步、换挡平顺和防止传动系统过载，还可以有效地降低传动系中的振动和噪声[1]。

目前，车用离合器有依靠接触面间的摩擦作用传递转矩的摩擦离合器、利用液体作为传递介质的液力耦合器、利用磁力传递转矩的电磁离合器。

传统的离合器在实际使用过程中出现的波形片、离合器盖、盘毅、夹持盘的开裂等问题严重地影响了离合器的正常工作，利用磁流变液在外加磁场作用下其自身流变状态的改变实现动力和运动的传递成为机械传动领域的重要研究趋势[2-3]。

当前，磁流变液技术的研究开发主要集中在阻尼控制、减振应用方面，磁流变液传动装置作为一种新型的传动方式，目前对它的研究、工程应用还极不成熟，急需对磁流变液的相关传动机理、无级变速理论、传动器件的结构设计和控制理论做更加系统深入的分析探讨，以此来推动磁流变传动技术的继续发展。

2磁流变液离合器的结构磁流变液离合器的结构通常有圆盘式、圆筒式、圆柱式，主要依靠磁流变液的屈服剪切应力来传递运动和动力。

现设计的车用磁流变液离合器采用圆筒式结构，如图1所示。

当嵌装有电磁线圈的输入轴转动角速度为时，在线圈未通电时没有磁场的作用，磁流变液处于牛顿流体状态，由于流体黏性传递的粘性力矩很小，离合器处于分离状态。

当线圈通电时，磁流变液在外加磁场作用下磁性粒子磁化，并沿着磁力线方向成链状分布，使得磁流变液的剪切应力增大呈塑性特性，使离合器产生一个转矩分量，磁流变液的剪切应力足够大时，输出轴可以和输入轴同步旋转，完成传动比为1的传动。

车用磁流变液离合器设计及性能仿真

动盘摩擦面囿心为原点建立囿柱坐标系囿盘型磁流变液离合器传递力矩简化模型在假设条件下两盘间磁流变液角速度沿厚度呈线形增长磁流变液的角速度磁流变液剪切模式原理图根据磁流变液工作面的几何形状磁流变液离合器的基中离合器安装空间径向尺寸比较充裕而轰向空间控制严格所以本文选用囿盘型磁流变液离合器作为研究对象其具体结构如图dr则该微元面积da2rdr

（ 8）
为使磁流变液离合器具有一定的通用性，参考目前普通小型轿车发动机的最大扭矩，以传递 150N · m 扭矩为目标，根据摩擦式离合器设计规则，磁流变液离合器设计扭矩 T d 为： T d = βT emax （ 9）式中 T emax 为发动机最大转矩； β 为离合器后备系数，轿车、小型客车取值范围为 1. 30 ～ 1. 75 ，本文取值 1. 5 ，则设计扭矩 T d 为 225N·m。根据普通离合器尺寸，选取圆盘上工作圆环内外半径 R2 和 R1 分别为 0. 12m 和 0. 03m。 h 对传递力矩的影响不从结构工艺角度选取 h = 0. 0015m。根据以上设计取值，大，（ 8），结合式（ 7 ）、常温状态下（ 20℃ ）磁流变液离合器传递力矩可以表示为： T s = 461 ． 14 × ［ 1 － exp（－ 1 ． 63 B）］ + 0 ． 1168 × （ ω1 － ω2 ）（ 10 ）在汽车离合器结合后时，离合器主从动件是同步转动的，即 ω e － ω c 为零，此时发动机动力要顺利传递，则必须确 1 － exp （－ 1． 63B）］的值要大于设计扭矩 T d 。保 461． 14 × ［在汽车离合器打滑阶段， ω e － ω c 大于零，粘性力增大了传递即可使离合器力矩。所以只要磁场感应强度 B 大于 0. 41T， 3］，主、从动件锁死。根据参考文献［达到这样的磁场感应强度难度不大。当汽车怠速时，传动系统要求切断动力传递。此时可以切断励磁线圈的电流，使磁场感应强度 B 等于零，但磁流变液的粘性会形成粘性传递力距，根据式（ 10 ）可以计算出怠速该力矩不足以驱动汽车。时粘性传递力距为 11. 47N·m，

电流变磁流变

流模式的示意图
磁流变体操作模式 Shear mode（剪切模式）其中一块固定板保持不动，另一块固定板沿垂直磁通方向移动，对磁流变体进行剪切。剪切模式在离合器和制动器中特别有用——必须控制旋转运动的地方。
剪切模式的示意图
磁流变体操作模式 Squeeze-flow mode（挤压流动模式）其中一块固定板保持不动，另一块固定板沿磁通方向移动，对磁流变体进行挤压。挤压流动模式很适合控制微小的、毫米级的运动。
国内磁流变体的研究与应用单位研究者研究方向
哈尔滨工业大学
南京航空航天大学重庆大学上海交通大学
不同基液中的添加剂
磁流变体的类型
纳米磁性颗粒非磁性基液型
采用纳米磁性粒子作为主分散颗粒，它的基液与经典磁流变体是一致的，都是非磁性的。
磁流变体种类
微米磁性颗粒非磁性基液型
采用微米级的顺磁或软磁材料的颗粒和低磁导率的基液，是目前主流工艺，具有较强的磁流变效应，屈服应力能够达200~100kPa。
电流变体与磁流变体技术
智能材料——可控流体可控流体（Controllable Fluids）是一类新兴智能材料，在自动化及结构控制领域具有广阔的应用前景。其中最具代表性的是电流变体 (Electrorheological Fluids) 和磁流变体 (Magnetorheological Fluids)这两种。之所以称为可控流体，是因为它们的某些特性可以随外界环境如磁场、电场的改变而改变。这种特性具有连续、可逆和易于控制的特点。
磁流变体的材料成分
加入表面活性剂可以改善磁流变体的性能。因为弥散质颗粒的密度比基液密度大很多，因此很容易沉降；为了保证颗粒的悬浮稳定性以及提高磁流变体的流变性能，一般情况，需要加入活性剂，比如使用稳定剂(像硅氧化物、硅胶)或各种各样的表面改性的试剂等，以防止出现颗粒沉淀和不可逆转的团聚现象。表面活性剂一般是由亲油基、亲水基两种不同特性的物质组成的低聚物。

(精选)磁流变的工作原理及主要的应用

5
离合器和制动器
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汽车减振器
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❖ 工作原理：
汽车磁流变液减振器，以工作钢作为磁场发生的外磁路，以活塞体为磁场发生的内磁路：在励磁线圈外采用非导磁的线圈保护套，使磁力线通过由工作缸与活塞本体组成的阻尼通道；在活塞本体的外设计非导磁的导向器，以确保阻尼通道的径向尺寸均匀，更充分地发挥磁场对磁流变液作用：在工作缸的下腔设计了夹层橡胶波纹管补偿气囊，使减震器压缩过程中对簧载质量起到缓冲作用和对减震器起到体积补偿作用，有利于磁流变液的二次起浮。本减震器在小激励电流作用下，减振器的阻尼力就开始发生变化，确保减振器的能耗较小。
在其众多应用领域当中，研究最多、发展最快的应用领域是汽车座位减振器、刹车器、阀门开关Байду номын сангаас离合器、制动器

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离合器和制动器的磁流变工作原理
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线圈不通电时，磁流变液呈现牛顿流体状态，主动转子和从动转子；当线圈通电后，磁流变液在磁场作用下成为类固态形式，在磁场方向形成磁链。当主动转子旋转时，靠磁链的磁拉力将转矩从主动转子传递到从动转子。磁流变传动装置所能传递的转矩由磁链的剪切强度决定，而磁链的剪切强度又随磁场强度的增强而增大，直到饱和为止。当励磁电流减小在一定范围内变化时，主、从动转子不同步，呈滑差运行；
❖ 由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料。
❖

3
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磁流变液的应用
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目前，磁流变液已经开始应用于研磨（抛光）工艺、阀门和密封、以及自动化仪表、机器人的传感器和。

汽车磁流变液离合器的设计及应用

的角速度梯度。把式（）入方程（）理得：３代１整
日）叩ｒｃ（）ｙ＋．Ｉｏｙ／ｄｄ（）４
及磁流变液物理特性，以选择为：ｒ．３．式可ｇＴ＝ｏ从
（）知液体黏度与屈服应力之比跟主动被动件间９得
距与圆盘半径之比成正比。同时要考虑离合器安装
３磁流变液产生扭矩的分析
由图２中参数可以推出磁流变液所产生的剪切
力为ｄ￣ｖＡ面积为：ｄ＝ｘｄ．据以上分析，Ｆ＝ｄＡ２ｒｒ根
磁流变液所能传递的离合扭矩：
ｌ＝ｌｄＩｄ＝ｒ忙Ａｒｒ
ＩＢ＋ｌｏｙ／］ｒｒｒ（）ｒｄｇ）ｙｘｄ＝【ｒ（ｄ２
空间有限所设计的离合器必须结构紧凑等因素，选择ｒ４Ｐ，／０７Ｐ．通过公式（）ｎ５ｋａｒ．ａＳ＝＝４．９计算，得到
肋舱００４．由功率Ｐ＝００Ｗ，选择Ｒ２０ｍ．７ｏ￣２０＝０ｍ，
因此Ｈ０９＝．４ｍｍ；Ｖｌ８０４ｍｍ＝１６．
４（）
ｒ９）
一
式中：）为屈服应力（磁场强度的函数）；叩与磁场
从上式得知磁流变液厚度设计尺寸
与磁流
强度无关的磁流变液屈服后黏度；，，剪切率。
如图２所示，Ｒ是圆盘半径，是磁流变液的
变液黏度的扭矩之比
Ｋｅｙｗｏｒ：ａｎｅｏｈｅｏｉａｕｄ；ｌｔｈ；ｅｉｎｄｓｍｇｔｒｏｌｇｃｌｉｓｃｕｃｄｓｇｌｆ

多盘式磁流变离合器磁路设计与仿真

ｃｉｒｃｕｉｔｂｙｉｎｆｉｔｅ－ｅｌｅｍｅｎｔｎａａｌｙｓｉｓ，ｗｈｃｉｈｓｉｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｔｈｅｎａａｌｙｓｉｓｆｏｍａｇｎｅｔｙｏｋｅｍａｔｅｒｉｌｓａｗｉｔｈｄｆｅｉｒｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｃ
摘
要：磁流变离合器是通过磁流变液的剪切应力进行传递转矩的器件。对多盘式磁流变离合器进行磁路的设计．
首先应用磁路欧姆定律，结合考虑不产生磁路磁饱和效应，初步确定磁路结构参数并采用有限元分析的方法对磁路
ｐｅｒｅａｍｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｆｏｅｍｕｌｔａｉｏｎｓｈｏｗｔｈｔａｍｏｓｔｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｓｐａｓｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅ０，．，ｅｏｆｍａｇｎｅｔｏ — ｔｈｅｏｌｏｇｉｃｌｆａｌｕｉｓ．ｄＭａｇｎｅｔｙｏｋｅｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｈｉｇｈｒｅｌａｔｉｖｅｐｅｒｅａｍｂｉｌｉｔｙＣＯｌｔｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍａｇｎｅｔｃｉｉｎｄｕｃｔｏｉｎｉｎｗｏｒｋｉｎｇｇｐａ
ｒｕｌｅｆａｏｖｏｉｄｉｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｓｔｕａｒｔａｉｏｎｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｃａｌｃｕｌｔａｉｏｎｆｏｓｔｒｕｃｔｕｒｌａｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ａｎｄｗｉｔｈｅｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｔｃｉ

圆盘式磁流变离合器的设计计算

Ｔ３ｋａ＝５Ｐ，最大设计使用磁流变液屈服应力。（）传递力矩估算１磁流变离合器传递力矩可用下式表示：
Ｍ＝４（３）
厂田厂
— —
磁流变液动态屈服应力，与磁场强度相关；磁流变液塑性粘度；
绕线组
３１圆盘式磁流变离合器结构参数初步计算．
离合器设计时，通常会有一些安装及使用限制条件．即使不做特别要求。在满足设计目标的前提下．离合器的机构也要尽量紧凑。本磁流变离合器的设计，要求为双出轴，在电机与减速器之间传递最大３Ｎ・力矩。０ｍ据此，首先选定拟采用的磁流变液。目前，国内外提供磁流变液产品的厂家较多，磁流变液的最大屈服应力通常都可以达到５ｋａ１０Ｐ０Ｐ～０ｋａ之间。这里，选定国内某长期合作单位的磁流变液，磁流变液屈服特性如图２所示。
最终得到一个较为满意的、理论上符合设计目标的方案。
下面将以某在研磁流变离合器为例．对圆盘式磁流变
离合器结构及磁路设计进行介绍。
匀磁场作用，且不会产生磁短路，磁路设计较合理。
匹配
（）结构优化２图２磁流变液屈服特性

磁流变离合器及恒矩器的研究

第24卷2005年第4期4月机械科学与技术MECHAN I CAL SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .24Ap ril No .42005收稿日期:20040325基金项目:国家自然科学基金项目(59975088)资助作者简介:蒋建东(1974-),男(汉),四川,博士蒋建东文章编号:100328728(2005)0420431203磁流变离合器及恒矩器的研究蒋建东1,梁锡昌2,王光建2(1浙江工业大学机电学院,杭州　310014;2重庆大学,重庆　400030)摘　要:磁流变离合器(Magnet orheol ogical fluids Clutch,MRC )是一种利用小电流实现控制的新型离合器,磁流变恒矩器(M agnet orheol ogical fluids Torque 2converter,MRT )是通过与转矩成线性关系的励磁电流来控制输出转矩大小的控制器,它们在伺服机构、仪表和小型机械上具有广阔的应用前景。

针对筒式MRC 和MRT,采用B ingha m 模型进行了线圈电流和输出转矩的计算,对样机磁路结构进行了电磁场有限元仿真分析。

通过样机的实验证明,这种新型离合器及恒矩器能传递较大的转矩,具有很好的应用前景。

关　键　词:离合器;磁流变液;磁流变离合器;磁流变恒矩器;有限元中图分类号:T H12 文献标识码:AStudy of a M agneto 2Rheolog i ca l Flu i d C lutch and Torque 2ConverterJ I A NG J ian 2dong 1,L I A NG Xi 2chang 1,WANG Guang 2jian2(1College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technol ogy,Hangzhou 310014;2Chongqing University,Chongqing 310014)Abstract:This paper p resents a ne w ty pe of magnet o 2rheol ogical fluid clutch and magnet o 2rheol ogical flu 2id t orque 2converter (MRT )which can be app lied t o the servo 2mechanis m ,instrument and m ini 2type ma 2chinery .The clutch ′s out put t orque can be contr olled accurately by the current of the excitati on coil .The out put t orque and the excitati on current of the clutch are derived by using the B ingha m p lastic constitutive model .Electr omagnetic finite ele ment analysis (FE A )is e mp l oyed t o si m ulate the magnetic circuit of the clutch .An experi m ent of the p r ot otype de monstrates that the clutch is capable of p r oducing high contr olla 2ble t orques .Key words:Clutch;MRF;MRC;MRT;FEA 新型智能流体2磁流变液(M agnet orheol ogical fluids,MRF )是饱和磁感应强度很高而矫顽力很小的软磁微粒分散于不导磁的油中形成的悬浊液[1]。